集热墙式附加阳光间的冬季对流供热特性研究

王天鹏 刘妍妍 颜鲁祥 王建华

（兰州交通大学 建筑与城市规划学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

特朗伯集热墙系统是被动式太阳能建筑的重要围护结构形式，最初由法国奥德曼太阳能研究所所长Felix. Trombe等提出[1-2]。近年来，国内外学者通过实验和数值模拟的手段对其传热特性和改进措施进行了诸多研究。陈晨[3]等利用数值和实验相结合的方法研究了不同保温构造的特朗伯集热墙的动态集热供热特性。何伟等[4-6]对带百叶的特朗伯集热墙的传热特性进行了综合性的实验和数值研究。Rabani M[7-8]等提出了一种带烟囱的特朗伯集热墙，并进行了实验和数值分析。段琪等[9]对不同构造的集热板、集热罩和热传输方式对特朗伯集热墙热性能的影响进行了实验研究。黑赏罡等[10]对特朗伯集热墙式被动式太阳房集热特性进行了CFD模拟研究。总的来说，特朗伯集热墙系统构造上的缺点是空气间层窄，通常只有0.1 m左右，不便于清洁维护。若将空气间层的厚度放大到人活动的尺度如1m以上，该间层就具有了使用功能空间的意义，即形成特朗伯集热墙式附加阳光间。如果依然能保持良好的节能供热性能，则是一举双得的设计形式。

本文基于典型尺寸建筑空间和特朗伯集热墙通风口组合形式，在符合实际环境的边界条件下，利用Design Builder 软件的CFD模块数值模拟获得通风口处温度与风速，对比计算分析大空腔附加阳光间和小空腔空气间层二者的对流供热量差异，印证特朗伯集热墙式附加阳光间对流供热性能的优越性。

1 物理模型与计算模型

1.1 物理模型

建筑空间物理模型如图1所示。房间室内尺寸长4.8 m×宽3 m×高3 m，南向370mm厚粘土砖集热墙上设外窗宽1.5 m×高1.5 m，通风口组合形式两种，如图2所示，两种方案上部通风口总面积相等。集热墙与外层玻璃盖板之间距分两种情况对比：小空腔空气间层0.1 m，大空腔附加阳光间1.2 m。

图1 南向集热墙式附加阳光间形式的房间模型

1.2 计算模型

模拟计算利用Design Builder V5.0建筑能耗与环境模拟分析软件的CFD模块，采用k-ε湍流模型，三维均匀直角坐标系立方体网格。经网格考核，加密或稀疏网格对数值计算结果影响很小，因此所得的数值解是网格独立的解。

图2 集热墙通风口的组合形式（单位：mm）

1.2.1 控制方程

对流换热计算区域为房间室内+通风孔+空气间层所形成的范围。三维稳态对流-扩散模型的控制方程：

能量方程

动量方程

连续性方程

1.2.2 边界条件

第一类边界条件，即规定计算区域边界上的温度值。空腔内表面温度40 ℃，单层玻璃盖板内表面温度38 ℃，集热墙外表面40 ℃、内表面20 ℃，中空玻璃窗外表面温度32 ℃、内表面30 ℃，室内各表面温度18 ℃。上述边界表面温度根据实际建筑环境在中等太阳辐射强度作用下的实测结果而设定。

2 速度场与温度场模拟结果

图3 速度、温度场分布图（x=0.4 m截面）

在空气间层的加热作用下，系统内空气区域的流动和温度变化情况如图3所示。

由图3可知，室内低温空气经下部通风口进入空腔，对流上升吸收热量后经上通风口进入房间室内，加热室内空气起到对流供暖的功能作用。

图3中上部通风口风速和房间三维中心点温度如表1所示，1.2m深的附加阳光间相对于0.1m深的空气间层，上部通风口风速从0.59 m/s提高到0.66～0.67 m/s，增幅约12%，房间中心点温度提高了1.1 ℃（小通风口组合）、0.7 ℃（大通风口组合）。此外，小通风口组合相较于大通风口组合的上部通风口位置更低，这样有利于提高房间室内下部空间的空气温度，获得更好的热舒适度，因此房间中心点空气温度也略高，尤其是空腔深度增大形成附加阳光间形式，房间中心点空气温度由21.8 ℃提高到22.3 ℃。这些结果主要是由于空腔深度增加和上部通风口位置较低使得对流换热更加充分所致。

表1 上部通风口风速和房间中心点空气温度

3 对流供热量计算分析

特朗伯集热墙系统对室内的供热量主要由通风口对流供热量提供。对流供热量可由下式确定。

式中为通过上下通风口的质量流量，kg/s，=ρo，其中ρ为上下通风口的平均空气温度对应的密度，kg/m3，v为通风口风速，取上部通风口风速，m/s，Ao为通风口面积，取上部通风口面积，m2；cp为空气的定压比热容，J/kg·K；To为热流进入室内的上部通风口空气温度，℃；Ti为热流进入集热墙夹层空腔的下部通风口空气温度，℃。

由图3模拟结果所得上部和下部通风口温度可计算比对房间所获得的对流供热量，如表2所示。对于小通风口组合形式，1.2m深的附加阳光间相对于0.1m深的空气间层提供的对流供热量从376.3 W提高到492.9 W；对于大通风口组合形式，对流供热量从348.8 W提高到500.3 W。同时，对于大空腔的附加阳光间形式，通风口组合形式对对流供热量的影响不大。

表2 房间对流供热量

4 结论

特朗伯式附加阳光间相较于窄空腔的普通特朗伯集热墙对流供热性能更优，具体结论如下：

1）出风口速度可提高12 %；室内空间中心点温度提高约1.0 ℃；

2）小通风口组合、上部通风口窗侧布置的形式，整个房间太阳能加热的对流供热量可提高30 %；大通风口组合、上部通风口窗顶布置的形式，整个房间太阳能加热的对流供热量可提高43.4 %。