太阳辐射对BiPV-Trombe墙内温度分布的影响

徐小炜 苏亚欣

太阳辐射对BiPV-Trombe墙内温度分布的影响

徐小炜 苏亚欣

东华大学环境科学与工程学院

提出了一种新的BiPV-Trombe墙模型，并通过CFD方法对模型流道内空气的温度分布特点进行了数值模拟研究。分析了高度H=4m和宽度b=0.4m而太阳辐射变化时，空气温度分布的一般规律。结果表明，辐射增强时，壁面温度边界层厚度增加，在高度方向，近壁处温度分布与主流区略有不同；而在宽度方向，空气温度分布不均匀。空气进出口温差随着辐射的增强而增大，但是当辐射较大时，温差的增速减缓。

BiPV-Trombe墙CFD模拟太阳辐射温度分布

太阳能烟囱和Trombe墙强化自然通风系统已经获得国内外很多学者的研究[1～5]，在光伏建筑一体化的背景下[6]，季节等人提出了一种光伏电池与Trombe墙一体化、可同时进行光电光热转换的新结构[7]。但是该新模型对太阳能的综合利用率并未真正提高[8]。为进一步提高对太阳能的综合利用率，本文提出了一种新的光伏电池与Trombe墙一体化结构，并命名为BiPV-Trombe墙（Built-in Photovoltaic Trombe wall）。它将光伏电池贴在Trombe墙的集热墙表面，太阳辐射可以完全穿过玻璃盖板进入Trombe墙内，并被集热墙表面的太阳能电池吸收，一部分太阳辐射发电，其余部分则用于加热通道内的空气。本文采用CFD方法，在不考虑电池发电的情况下，研究太阳辐射对BiPV-Trombe墙内部空气的温度分布的影响。

1 数值模拟计算说明

1.1物理模型

BiPV-Trombe墙物理模型和简化模型如图1所示，太阳辐射透过玻璃被电池吸收，其中一部分转化成电能，剩下部分转化成热能。由于绝热层的存在，电池产生的热量迅速集聚，其表面温度也随之升高。基于热压通风原理，流道内的空气被电池表面加热后便产生自下而上的流动。流动的空气一方面带走电池表面热量、降低表面温度，提高电池发电效率；另一方面将热量进行转移，根据季节的变化来调节通风口的开启状态即可实现冬季供暖、夏季除热、过渡季节通风换气等多种功能，达到显著的节能环保的效果。

图1 内置式PV-Trombe墙模型

在简化模型中，玻璃和光伏面板两侧受太阳辐射S所获得的恒定热流密度分别用q1和q表示。空气流经模型底部的水平进口进入空气流道并由竖直出口流出，其中水平进口高度与墙体宽度相等，用b表示，且进口高度不计入墙体总高度H，并假设模型底部（黑色部分标示）绝热。

1.2数值模型

Gan[4]对典型的Trombe墙内自然通风的CFD模拟表明，采用RNG k-ε湍流模型的计算结果与实验数据基本吻合。因此也采用能较好地处理低雷诺数和近壁流动问题的RNG k-ε模型模拟流道内空气的的流动和传热情况。Boussinesq假设用于处理动量方程中因温差而引起的浮力项的改变。基于以上假设，对于二维稳态、不可压缩的浮力驱动流，其流动和传热的通用控制方程可写为：

式中：Φ代表xi方向上的平均速度vi、湍流参数或者是平均温度；ΓΦ表示扩散系数；SΦ为变量Φ的源项。

利用Gambit对模型进行网格划分，考虑到近壁面处温度梯度和速度梯度变化较大，壁面附近选用增强壁面函数法进行处理。在计算过程中不断细化网格，最终得到计算结果与网格无关的网格尺寸。本文模拟中，模型的水平进口和竖直出口设为压力进口和压力出口；玻璃盖板和光伏电池表面的热流密度恒定，具体数值需结合太阳辐射强度大小经计算确定。采用二阶迎风格式对方程进行离散，用SIMPLE法进行求解，采用Fluent 6.3完成计算。

2 数值计算结果与分析

2.1模拟方法的可靠性验证

Moshfegh和Sandberg[9]对光伏电池与Trombe墙体组成的流道内空气与壁面之间的传热特点进行了实验研究。实验中用电加热金属薄片模拟光伏电池特性，通过控制电力输入使热壁获得不同的热通量。实验的二维简化模型如图2所示。其中，红色实线表示竖直热壁面，高度为6.5m，黑色部分为绝热墙体。空气从高度为0.5m和0.3m长的水平进口流道流进，被热壁加热后从宽为0.23m的竖直出口流出。将金属箔热电偶用双面胶粘在墙壁表面来测量壁面温度，流道内空气温度通过金属丝热电偶测量，测量的绝对误差小于0.3℃，各测量点之间的相对误差小于0.1℃。流道内空气温度通过金属丝热电偶测量得出，本文通过CFD方法，并运用同样的模拟方法对文献[9]中模型在环境温度为293K和热壁表面热通量分别为20W/m2、50W/m2、100W/m2、200W/m2和300W/m2时，流道内空气传热进行研究。模拟结果所得的进出口温差与实验数据对比见图3。对比结果显示，模拟结果与实验数据基本一致，证明本文模拟方法的可靠性并可以用于对BiPV-Trombe墙传热性能的进一步研究。

图2 实验的二维简化模型

图3 温差的实测值与模拟值对比

2.2流道内空气的温度分布规律

BiPV-Trombe墙流道内空气由于存在温度差而产生浮力驱动流动。因此，流道内温度分布可以体现空气流动规律。本文对高度H=4m和宽度b=0.4m的BiPV-Trombe墙在太阳辐射强度分别为100W/m2、200W/m2、300W/m2、400W/m2时进行了模拟计算。图4给出了不同太阳辐射强度下流道内空气温度场分布情况。从温度场的分布可以看出，各计算工况下，流道内空气温度分布规律大致相同，当太阳辐射强度较大时，右侧光伏电池表面附近的温度边界层明显厚于辐射强度较低时的工况。这是因为，太阳能作为流道内浮力驱动自然对流的动力来源，当太阳辐射增强时，右侧壁面的光伏电池获得更多能量，其表面温度随之上升，因而，壁面附近的空气获得了更多的热量，温度也相对较高，与主流区的温差较大，形成的热边界层也较厚。

图4 不同太阳辐射强度时流道内温度场云图

当太阳辐射强度分别为100W/m2、200W/m2、300W/m2、400W/m2，与右侧光伏电池水平距离d分别等于5mm、20mm、40mm、60mm处，空气温度沿流道高度方向的变化趋势见图5。从图中可以看出，在流道高度起始端，随着高度的增加，流道内空气温度先是急速上升到峰值，然后又迅速下降至一极小值，之后温度沿着高度方向变化逐渐趋缓。可以观察到，当高度大于1m时，在距离电池表面较远处，温度的变化基本上接近线性；而在近壁处（d=5mm），温度的变化并不是线性变化，而是呈现出先缓缓上升然后又略微下降的过程。已有研究表明，气流温度、速度及壁面与气流的局部换热量在通道入口处较为剧烈，随着高度的增加，变化渐趋平缓。对于本文模型，由于空气从水平进口流入竖直流道，流动方向发生90°变化，其流动状态变化剧烈，空气与光伏电池表面的对流换热强度也发生骤变，使得空气的温度时而上升时而下降。随着空气沿流道继续上升，流动状态趋于稳定，壁面与空气之间持续换热，空气温度沿高度方向总体表现出逐渐上升趋势；而在近壁处（d=5mm），温度从中上部开始逐渐减小的原因可能是因为局部流速较大，热壁不足以充分加热空气的结果。

图5 空气沿高度方向的温度分布

对于H=4m和宽度b=0.4m的BiPV-Trombe墙模型，当太阳能辐射强度S在100～400W/m2之间变化时，在水平截面高度Y分别为0.1m、2.0m、4.0m处，温度沿着流道宽度方向的变化趋势如图6所示。可以看出，沿着烟囱空气通道宽度方向，温度的分布并不均匀，在距离两侧壁面较近处，温度较高，随着与壁面距离的增加，温度急速下降，然后趋于平缓。由于流道两侧的玻璃盖板和光伏电池吸收太阳能辐射，温度升高，壁面附近的空气被加热，因此温度升高而密度减小，在重力场作用下产生浮升力，使流体沿壁面向上运动，从而在近壁处形成温度边界层。由于温度边界层很薄，在温度边界层内温度梯度很大，温度从壁温急剧减小到边界层边缘处的主流温度，在边界层外，主流温度沿着烟囱宽度方向变化不大。

图6 空气沿宽度方向的温度分布

仔细观察图6还可发现，在各种工况条件下，Y=0.1m处的温度分布曲线在靠右侧壁面附近的温度略高于Y=2.0m处的温度。由于Y=0.1m处于管道的入口段，在该处靠近右侧壁面附近，进口空气流向发生改变以及入口段的热边界层较薄，局部表面传热系数也较高，因此该处的空气与壁面进行强烈的对流换热，温度反而高于其上部空气。

比较不同太阳辐射强度时，流道出口处（Y=4m）的温度分布情况可知，当太阳辐射较强时，出口处空气温度也较高。对于本文模型，流道的进出口温差大小是模型传热性能的综合体现。图7给出了六种工况下模型进出口温差大小。由此可知，太阳辐射增强可以明显提升空气出口温度，增大空气的进出口温差，使流道内空气获得更多热量。但是当辐射强度增大到一定值时，进出口温差增长率减小。

图7 进出口温差随太阳辐射的变化

3 结论

本文运用CFD方法模拟研究新型BiPV-Trombe墙在太阳辐射变化时流道内部温度分布的变化规律，得到如下结论：

1）太阳辐射增强时，流道内温度边界层厚度增加；

2）模型进口处，空气温度较高，变化较大，沿高度方向，近壁处温度分布与主流区有所不同，在宽度方向，空气温度分布不均匀，在边界层内较高，温度梯度较大，而在主流区，温度较低并且变化平缓；

3）空气进出口温差随着辐射的增强而增大，但是当辐射较大时，温差的增速减缓。

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Effe c t of Sola r Ra dia tion on Te m pe ra ture Dis tribution in BiPV-Trom be Wa ll

XU Xiao-wei,SU Ya-xin
School of Environmental Science and Engineering,Donghua University

A novel built-in photovoltaic-Trombe wall was proposed.A validated CFD method was proved and then used it to predict the behavior of temperature distribution in vertical channel of the model.The air temperature distribution varying with solar radiation in the channel with H=4m and b=0.4m was analyzed.Results showed that the thickness of temperature boundary near the wall increased with the solar radiation,temperature distribution near the wall was slightly different with the mainstream area at the height direction,and the air temperature distribution varied greatly at the direction of channel width.The temperature difference between air inlet and outlet increased with solar radiation,yet when solar radiation increased at a high level,the growth of temperature difference was slowed down.

BiPV-Trombe wall,CFD simulation,solar radiation,temperature distribution

1003-0344（2014）06-039-4

2013-9-16

苏亚欣（1972～），男，博士，副教授；上海市松江区人民北路2999号东华大学环境科学与工程学院（201620）；021-67792552；E-mail:suyx@dhu.edu.cn