内置式PV-Trombe墙对室内通风特性的影响

朱琦彬 苏亚欣

东华大学环境科学与工程学院

内置式PV-Trombe墙对室内通风特性的影响

朱琦彬 苏亚欣

东华大学环境科学与工程学院

在原有的PV-Tombe模型基础上提出了一种新的内置式PV-Trombe墙模型，并通过CFD方法，对三种Tombe墙房间内空气流动效果进行数值模拟和分析，得出室内温度、流速等空气流动分布规律。结果表明，内置式PV-Trombe墙对太阳辐射的吸收优于普通Trombe墙和PV-Trombe墙，带有内置式PV-Trombe墙的房间室内平均温度较PV-Trombe房间和普通Trombe墙房间都要高，空气通道体积流量也有明显提高。

自然通风 内置式 PV-Trombe 墙 CFD 模拟

0 引言

光伏建筑一体化Trombe墙将光伏电池与Trombe墙相结合，是一种能同时产生热能和电能的系统。季杰[1～3]等人提出一种将光伏电池贴于传统Trombe墙玻璃盖板上的新型PV-Trombe墙系统，并基于所建立的数学模型对该系统进行了理论模拟研究。为了减小热损失，提高对太阳能的综合利用率，徐小炜[4]等人提出一种新的内置式PV-Trombe墙。该新模型的最大特点在于它将光伏电池贴在空气流道的集热墙一侧。流道内的空气与电池表面进行自然对流换热，流动的空气带走电池表面热量、冷却电池表面，电池的温度降低，使电池发电效率得到提高。雷菲宁[5]等人则对垂直入口内置式PV-Trombe墙在宽度变化时的自然通风和对流换热进行数值模拟，在此基础上得到通风量与传热关于无量纲参数表示形式，为自然通风设计提供了依据。

为了更加全面地研究内置式PV-Trombe墙的特性，本文在现有模型基础上引入一标准室内房间。建立新的三维数理模型，将Trombe墙和室内房间作为一个封闭系统，与PV-Trombe墙系统和普通Trombe墙系统进行了温度场、速度场和室内得热的数值模拟计算与对比研究，为后人计算适用于该模型下合适的进出口通道尺寸提供参考。

1 模型

1.1 物理模型

内置式PV-Trombe墙工作原理如图1所示，主要由玻璃盖板、光伏电池板以及空气通道构成。太阳辐射照射到玻璃盖板后，一部分被玻璃吸收，绝大部分穿透玻璃，到达光伏电池板表面。光伏电池板对太阳辐射具有较高吸收率，吸收入射的太阳辐射后温度升高，从而加热通道内的空气，使空气形成向上运动的自然对流，从烟囱上出口进入室内。室内空气则通过下部入口流入通道，从而使室内的空气形成自然通风。同时，光伏电池板吸收太阳辐射后产生电力，缓解了建筑电力需求，随着发电时间的延长，在光伏电池表面产生的热量可以进一步加热通道内空气，从而加强自然通风。

图1 内置式PV-Trombe墙的物理模型

对于本文所要研究的简化物理模型如图2所示，房间内部长、宽、高为3.5m、3.0m、2.9m。Trombe墙空气通道宽0.2m，出口安装高度2.5m，进口安装高度0.2m，进出口尺寸为0.18×0.3m，内墙厚度为0.24m[6]。太阳辐射强度在300～800W/m2之间变化。烟囱的外侧为厚度4mm的玻璃盖板，烟囱的内侧为单晶硅电池阵列，在电池阵列与内墙之间设有绝热材料。

图2 内置式PV-Trombe墙三维房间简化模型

1.2 数值模型

整个模型的流动可视为三维稳态、不可压缩空气流动，数值模拟采用商业CFD软件Fluent 6.3处理。Bacharoudis[7]等人对一侧墙壁绝热、一侧墙壁处于某一热流下的太阳能烟囱采用CFD技术和控制体积法，分别使用6种湍流模型进行了对比研究。结果表明标准k-ε模型的模拟结果和理论值十分接近。因此，本文采用标准k-ε湍流模型模拟空气的流动与换热特性。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。

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，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。采用一阶迎风格式对方程进行离散，用SIMPLE法进行求解。

2 数值计算结果与分析

2.1 三种系统室内气流的温度场、速度场分布

在太阳辐射量保持不变的情况下，探讨三种系统室内空气的温度、流速的变化情况，选取纵截面z=2.25 m为研究对象，模拟结果如图3、图4所示。

图3 沿室内高度方向平均温度变化

图4 沿室内高度方向平均速度变化

从系统采暖房间纵截面z=2.25m的温度场分布可以看出，室内空气温度在竖直方向出现明显的分层现象，且靠近房间顶部温度分布更密集，室内温度随着高度的增加逐渐增加，在2.4m（出口位置）高度上内置式PV-Trombe墙、PV-Trombe墙与普通Trombe墙温度分别为298.87K、296.89K、297.64K，在房间中部平均温度分别为293.27K、291.98K、292.47K。从速度场来看，速度变化也主要集中在房间顶层。在房间的顶部，除房间进风口和出风口处速度较大外，其它各处速度基本在0.12～0.14m/s之间，在房间的中部三种Trombe墙室内空气的流动速度大约为0.052、0.048、0.049m/s左右。

图5、图6为沿进出口水平方向温度和速度分布。模拟结果显示，内置式PV-Trombe墙在水平方向上温度分布比普通Trombe墙和PV-Trombe墙高1～2℃，速度分布也较PV-Trombe墙有所增加。在房间中部，空气温度和速度趋于平稳。

图5 沿出口距离方向平均温度变化

图6 距出口距离方向平均速度变化

综上模拟结果可以看出，内置式PV-Trombe墙系统在室内得热上要优于PV-Trombe墙与普通Trombe墙系统。在内置式PV-Trombe墙系统中，太阳辐射照射到没有覆盖光伏电池的玻璃盖板后，绝大部分穿透玻璃，到达光伏电池板表面。光伏电池板吸收一部分太阳辐射转化为电，其余太阳辐射则被电池吸收，导致电池的温度升高，加热通道内的空气，相比普通Trombe墙的集热效果更好。在PV-Trombe墙系统中由于光伏模块对太阳辐射的遮挡作用所以得热低于普通Trombe墙房间。

2.2 不同太阳能辐射量对空气温度和速度的影响

在模型结构尺寸不变的情况下，探讨当太阳辐射量改变时，内置式PV-Trombe墙与Trombe墙室内空气的流速、温度的变化情况。图7～图9描述太阳辐射量在300～800W/m2时，三种Trombe墙室内空气平均温度、平均速度的对比情况。

太阳辐射量是影响室内温度与速度分布的重要因素，太阳辐射强度越大，Trombe墙内外的密度差及热压作用就越大。模拟结果显示，太阳辐射强度增加时，室内空气温度和速度随之升高，内置式PV-Trombe墙的室内平均温度在太阳辐射强度增加时高出普通Trombe墙0.9℃，高出PV-Trombe墙1.8℃。空气通道内体积流量也高于PV-Trombe墙和普通Trombe墙系统。

图7 室内平均温度随太阳辐射量变化

图8 室内平均速度随太阳辐射量变化

图9 体积流量随太阳辐射量变化

3 结论

利用CFD方法对内置式PV-Trombe墙系统进行数值模拟计算并与PV-Trombe墙和普通Trombe墙系统进行比较，分析对比了三种模型室内的温度与速度变化，传热与通风量变化。结果表明：将光伏电池板贴于建筑外围护结构表面的内置式PV-Trombe墙较将普通集热墙式Trombe墙对太阳能的利用效率更高。与普通Trombe墙系统相比，内置式PV-Trombe墙系统室内平均温度提高了约2℃左右，同时空气体积流量增加了12%。内置式PV-Trombe墙系统能够高效地利用太阳辐射，减少热损失，进而强化室内的自然通风，提高室内采暖效果。

[1]季杰,蒋斌,陆剑平.PV新型Trombe墙光电光热性能数值模拟[J].太阳能学报,2006,27(9):870-877

[2]季杰,蒋斌,陆剑平.新型PV-Trombe墙的实验[J].中国科技大学学报,2006,36(4):349-354

[3]易桦.新型PV-Trombe墙系统的理论与实验研究[D].合肥:中国科学技术大学,2007

[4]徐小炜,雷菲宁,苏亚欣.内置式PV-Trombe墙通风传热性能的数值模拟和分析[A].见:高等学校工程热物理第十九届全国学术会议[C].2013:32-36

[5]雷菲宁,徐小炜,苏亚欣.内置式PV-Trombe墙通风传热性能的数值模拟和分析[A].见:高等学校工程热物理第十九届全国学术会议[C].2013:68-74

[6]Basak Kundakci Koyunbaba,Zerrin Yilmaz.The comparison of Trombe wall systems with single glass,double glass and PV panels[J].Renewable Energy,2012,45:111-118

[7]Bacharoudis E,Vrachopoulos M G.Study of the natural convection phenomena inside a wall solar chimney with one wall adiabatic and one wall under a heat flux[J].Applied Thermal Engineerin -g,2007,27(13):2266-2275

Im pa c t of Built-in PV-Trom be Wa ll for Indoor Ve ntila tion Cha ra c te ris tic s

ZHU Qi-bin,SU Ya-xin
School of Environmental Science&Engineering,Donghua University

On the basis of the original PV-Trombe,a new built-in PV-Trombe wall model was proposed,and a numerical simulation and analysis to this three PV-Trombe wall room air flow was made by CFD method.The results show that the built-in PV-Trombe wall have a good absorption of solar radiation than Common Trombe wall and PV-Trombe wall,and the average indoor temperature with built-in PV-Trombe wall is higher than both this two Trombe wall room,and the air passage volume flow is also improved significantly.

natural ventilation,built-in PV-Trombe wall,CFD

1003-0344（2015）05-080-4

2014-5-21

朱琦彬（1989～），男，硕士研究生；上海松江区人民北路2999号四号环境学院楼3139室（201620）；E-mail:779812194@qq.com