特朗勃墻系統集熱技術強化研究

王蘊芝，周文和，歐陽煥英

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州730070)

1 引言

近年來隨著建筑采暖能耗的不斷增加，環境和生態平衡遭到嚴重破壞，不可再生能源匱乏，節能環保、發展綠色建筑已經成為時代主旋律。被動式太陽房是一種充分利用太陽能資源的建筑形式，節能效果顯著，近年來國內外研究學者對其進行了大量研究。

Duffina和Knowles[1]給出了一個基于線性傳遞理論的Trombe墻模型，該模型可以對影響墻體熱性能的參數進行分析；Tamara Bajc[2]通過數值研究的方法得出了采用不同材料墻體時太陽房溫度場、速度場的變化規律。段雙平[3]通過理論分析方法研究了冬季太陽房墻體導熱供熱量等參數隨太陽輻射強度的變化規律；華北電力大學吳彥廷等[4]對太陽能相變集熱蓄熱墻系統進行簡化，建立了二維模型。

本文采用了模擬的方法對被動式太陽房集熱墻通風孔的大小對室內溫度及空氣流速帶來的影響做了進一步的研究。

2 工作原理

如圖1所示，作為建筑外圍護結構的特朗勃墻由玻璃層、空氣夾層、集熱蓄熱墻及其通風孔、玻璃窗等組成，當有太陽光照射時，集熱蓄熱墻上的吸熱板升溫加熱空氣層中空氣的溫度，空氣通過上通風孔流入，從下通風孔置換出室內的冷空氣從而達到供熱的效果。

圖1 太陽能集熱墻系統簡化模型示意

3 模型建立

3.1 物理模型

本次模擬房間為青藏線不凍泉站生活、辦公綜合樓某房間，位于北緯35°13′，東經93°05′，海拔4612 m之處。該地區最低溫度可達－41℃，為常年凍土區，但太陽能資源充足。此房間屬于被動式太陽房，正南方向布置，層高3.40 m，太陽墻寬3.6 m，徑深5.1 m。

3.2 數學模型

連續性方程：

能量連續性方程：

動量連續性方程：

4 數值模擬方法

4.1 模型驗證

為了驗證數值計算方法的準確性，根據青藏線的實驗數據，對三維系統進行了數值模擬，所得模擬結果與實驗數據中的相應值符合較好誤差在±5%以內，如圖2、圖3所示。

4.2 模擬結果分析

將空氣夾層寬度設定為15 cm，其他條件不變，通風孔的大小占墻面積分別為0.5%、1%、1.5%和2%，選取9：00～18：00的太陽輻射強度對改進型太陽房進行模擬，探討其對特朗勃墻集熱效果的影響。下面列舉11：00室內平均溫度模擬結果進行分析，如表1所示。

表1 不同面積溫度

從表1中可以看出通風孔面積為1%時室內平均溫度較高，在11：00，相比其他通風孔面積可以提高1～3℃左右，說明集熱墻集熱效果較好，將青藏線某房間改造成通風孔面積為1%，可以提高及集熱性能，節省采暖能量，符合綠色節能要求。

圖2 模型出口空氣溫度與實驗數據對比

5 結論

根據青藏線太陽輻射特點和房間模型，建立三維模型，模擬得出了不同通風孔面積的溫度和速度變化規律，通過分析太陽能相變集熱墻系統的送風風速及房間內溫度的分布規律，對比得出通風孔面積為1%時，室內溫度高于通風孔面積為0.5%、1.5%和2%的溫度，并且室內空氣流動較其他兩個更均勻，熱舒適性較好。

圖3 模型空氣流量與實驗數據對比