闭式外腔循环太阳能墙集热效果实验研究

顾祥红，王良煜，陈 磊，宋晓程

（大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622）

0 引言

太阳能墙是利用太阳能光热转换为建筑供暖的一种墙体，是太阳能建筑一体化的一种形式。随着太阳能吸收材料技术的发展，设计新型太阳能墙满足冬季采暖需求变为可能。

近年来，国内外学者对用于建筑的太阳能墙研究颇多。尹宝泉[1]介绍了Trombe的发展历程以及几种改进的Trombe墙，这些改进的太阳能墙各有利弊，均未能用于实际应用中。王莹钰[2]对北方冬季带有百叶集热板的太阳能墙墙体温度进行模拟计算，结果表明，靠近百叶集热板温度最高，实体墙在厚度方向上出现了明显的温度分层。邢秉元[3]利用Fluent软件，着重研究了太阳能集热板孔径尺寸及太阳辐射强度对太阳能墙系统的热性能影响。王华强[4]通过模拟实验，研究了空气间层大小及倾斜角度对太阳能墙集热板的不同影响，空气间层在195 mm附近可获得较大的集热效率，集热板的倾角不宜超过43°。贾斌广[5]提出了一种双风道太阳能墙，并利用CFD软件对单、双风道太阳能墙的温度场、速度场、出风温度和换热效率进行分析，结果表明，当新风量为18～108 m3/h时，双风道太阳能墙的换热效率比单风道太阳能墙提高了10%以上，最高可达14.12%。R Li[6]研制了一种新型太阳能热幕墙（STCW），并对其热性能进行了测试和理论分析，结果表明：夏季和冬季，STCW系统的效率分别为56.8%和41.0%；STCW的热传递系数按月变化，8月份的最大值为1.99 W/（m2·K），1月份的最小值为0.86 W/（m2·K）。Snezana M Dragicevic[7]分析了环境参数变化对太阳能墙热效率的影响，影响因素有太阳辐射、风速和环境温度。

太阳能在建筑中的应用有诸多形式[8]～[10]，目前大多数学者只是针对传统Trombe墙的理论改进与数值模拟进行研究，而对于改进后的Trombe墙实验分析较少。本文采用闭式外腔循环太阳能墙系统，通过理论计算并结合实验数据，阐释北方冬季太阳能墙系统的应用研究。

1 闭式外腔循环系统简介

图1 闭式外腔循环系统太阳能墙Fig.1 External cavity circulation solar wall system

如图1所示，实验选取大连地区一层建筑不采暖房间为对象，在房间南向墙体外搭建太阳能墙。太阳能墙长4.2 m，高3 m，由阳光板、集热板（带均匀微孔）组成，由钢制龙骨固定于建筑外墙。阳光板、集热板、建筑外墙三者之间存在一定空隙，用于储存热空气，集热板与外墙形成的空腔称为内腔，集热板与阳光板之间形成的空腔称为外腔。闭式外腔循环系统是一种利用室内下部冷空气作为回风，回风进入太阳能墙外腔内，利用集热板辐射吸收太阳能加热腔体冷空气，再由风机将内腔加热后的热空气送入室内的一种循环系统。图2为8个温度传感器的测点位置，其中，温度传感器位于太阳能墙中心线位置，房间温度传感器位于房间中心位置，室外温度传感器通过气象站百叶箱保护置于室外，百叶箱离地1.5 m，通风良好，不受阳光直射和其他物体遮挡，风机出口传感器用于测量出风温度。

图2 温度测点位置剖面图Fig.2 Profile of temperature measuring points

如图3所示，控制箱是自动控制系统的核心，一端连接温度传感器，一端连接显示器，采用PLC编程。显示器可实时展示温度传感器温度，通过实时曲线观察温度变化趋势。通过设置室内与风机出口温度的温差，实现风机自动开启与关闭。同时，利用远程控制云平台，在手机上下载APP，提供全天性的监测数据以及手机操作控制。

图3 控制箱Fig.3 Automatic control box

2 理论计算

2.1 太阳辐射计算

阳光板为聚碳酸酯透明薄板，透射率τ=0.89，集热板采用最新型喷涂材料，吸收率α=0.95。

赤纬角δ为

式中：n为所求日期在1 a中的天数。

太阳高度角sinh为

式中：φ为所在地区纬度，°；ω为太阳时角，°。

式中：P为大气透明系数；m为大气质量数，如果不考虑地球的曲率，m是天顶距θ的函数，即m=secθ；Im为经过大气减弱后透射到地面的太阳辐射强度，可以通过日射观测仪器在地面直接测量获得，W/m2；I0为太阳常数，W/m2。

太阳直射辐射IB与散射辐射之ID之和为太阳总辐射强度IH[11]：

式中：ζ0为地球轨道的偏心修正系数；ISC为平均日地距离时的太阳辐射强度，W/m2。

通过以上计算,可知任意时间的太阳辐射强度。为了方便研究与分析，本文选取2018年11月19日 12：00为研究对象，经计算，IH=621.66 W/m2。

2.2 太阳能墙系统能量守恒计算

集热板能量守恒方程为

式中：QH为集热板获得的太阳辐射热量，W；QW，F为集热板对阳光板的辐射热量，W；QW，D为集热板对外腔空气的对流换热量，W；QS为风机作用下强制对流外腔空气渗入内腔的对流换热量；W；QN，F为集热板对建筑外墙的辐射热量，W；QN，D为集热板对内腔空气的对流换热量，W。

集热板与外腔和内腔都是通过对流与辐射两种方式进行加热，其计算原理相同。以外腔计算为例，对流为风机作用下的强制对流，采用外掠平板对流换热公式。

式中：Re为雷诺数；μ∞为风机出口风速，m/s；υ为运动黏度，m2/s，l为板长，m。

在临界雷诺数时，发生层流到紊流的转变，根据层流与紊流的不同，分别选取不同的对流换热公式：

式中：h1，h2分别为层流、紊流对流换热系数，W/（m2·K）；λ为热导率，W/（m·K）；Pr为普朗特准则。

最后根据牛顿冷却公式，求出内腔与外腔的对流换热量Q：

式中：A为板面积，m2；△t为壁面与流体温度差，℃。

经计算，外腔距回风口2.4 m处发生层流到紊流的转变，分别将雷诺数带入式（7），（8），得到h1=5.56 W/（m·K），h2=24.40 W/（m·K）。

将对流换热系数分别带入式（9）进行计算，得到 QW，D=2 573.25 W。

基于上述实验台的描述可知，集热板上分布着均匀的孔隙，由于风机的作用，外腔空气将以强制对流的形式由小孔进入内腔，这种渗流的形式可采用修正达西定理来描述[12]，即：

式中：ρf为气体密度，kg/m3；为气相速度，m/s；P为气相压力，Pa；μeθ为空气动力粘度，Pa·s；μf为球形颗粒动力粘度，Pa·s；k为球形颗粒堆积多孔床的渗透率；F为Brinkman修正系数；φ为孔板孔隙率。

经计算，本实验集热板孔隙率为1.54%，单位时间内透过集热板孔隙渗入的热量QS[13]：

式中：Cpa为空气比热，J/（kg·K）；ρ为气体密度，kg/m3；υa为透过集热板孔隙热空气的渗流速度，m/s；△T为由于热空气加热引起内腔空气的温升值，℃。

式中：σb为斯蒂芬—玻尔兹曼常数，W/（m2·K4）；A为集热板面积，m2；Tbs为集热板温度，℃；Tg为阳光板温度，℃；εbs为集热板发射率；Xbs，g为集热板与阳光板之间的角系数；εg为阳光板发射率。

在IH=621.66 W/m2条件下，根据以上公式对太阳能墙温度、热量、效率参数进行理论计算，结果见表1。

表1 太阳能墙理论计算结果Table 1 Theoretical calculation results of solar wall

闭式外腔循环太阳能系统效率η为

3 实验数据分析

图4 不同条件下，太阳能墙实验系统各测点处温度随时间的变化情况Fig.4 The change of temperature with time at each measuring point of solar wall experimental system under different conditions

图4为太阳能墙实验系统各测点处的温度随时间的变化情况。其中图4（a）为2018年11月19日的测量结果。由图4（a）得出12：00时各测点数据：外腔上温度为66.6℃，外腔中温度为56.5℃，外腔下温度为29.4℃。外腔上温度测点处于理论计算的外腔紊流区域，与紊流区温度（表1）相差0.13℃；外腔中温度与外腔下温度两测点均处于层流区域，其平均温度为42.95℃，与理论计算值（表1）相比，仅存在2℃左右的误差。总体来看，实验结果与理论计算基本吻合。

从图4（a）可以看出，太阳能墙内各点温度呈现出 8：00-10：00 提升斜率最大、11：00-13：30 相对平稳、14：00过后开始下降、16：00达到白天最低的变化趋势。8：00之前太阳辐射较弱，集热板温度提升过慢，无法令室内温度提升，因此选取实验曲线时间为 8：00-16：00。8：00-10：00 时太阳能墙接收太阳辐射，迅速使集热板升温，能在短时间内使空腔中空气温度上升，达到设定温度后，开启风机，为室内供给热量。11：00-13：30墙内温度比较平稳，这是由于随着太阳辐射继续增强，集热板温度持续升高，一部分热量用来加热房间，另一部分则继续使空腔温度上升，源源不断地为室内提供热空气。该时间段：室内温度达到峰值（21.2℃），并且出现缓慢变动趋势；外腔上部温度达到峰值 （69.7℃），太阳能墙风机出口也达到峰值（54.8℃）。14：00后，太阳方位发生变化，太阳能墙温度开始下降，但房间温度并没有下降趋势，太阳能墙空腔存储的热量依旧可以提供给室内热空气。直至16：00之后，实验地区太阳被遮挡（实验室西方有山体遮挡，太阳落山早于当地时间），集热板无法吸收太阳辐射，但房间的温度还能继续维持1 h左右，之后房间温度出现下降趋势。

图 4（a）与图 4（b）除风力不同外，其它室外环境条件相近，可以看到，室外测点有气象站百叶箱保护，测得的室外温度不受风力影响。测试结果表明，室外风力对太阳能墙工作效果有微小影响。

由图4（c）可知，室外寒冷的情况下，太阳能墙依然可为室内提供热空气，只是相对于图4（a）来说，8：00-10：00温度提升过慢。这是由于室内外温差过大，风机出口温度会低一些，11：00点前供给室内热量偏少，12：00开始太阳能墙可为室内提供热空气。从图4（c）还可以看出，个别测点温度略低于图4（a），出现一些温度波动，应该是偶有云层遮档的影响。

太阳能利用具有波动性、随机性，遇到雨雪、多云天气，云层将削弱到达地面的总辐射量。从图4（d）可以看出，当日云层较为密集，全天温度提升并不多，空腔内温度达到峰值时仅有46.7℃。风机送风至室内，使室内温度缓慢上升，再通过下部回风口，使室内下部空气回到外腔下侧，由风机强制对流作用与外腔空气通过集热板小孔时的渗流作用，室内温度最高在16℃。可见，雨雪天气太阳能墙无法为室内提供过多热空气。

4 结论

本文设计了闭式外腔循环太阳能墙系统，通过对太阳能墙在各种天气下的温度进行测量，结合理论计算，研究太阳能墙冬季供暖规律，得出以下结论。

①晴朗天气下，大连地区太阳总辐射强度较高，通过导热、对流、渗流、辐射等热传递形式可以使集热板及空腔温度升高，太阳能墙的效率为53.16%，高于传统太阳能墙效率，实验结果与理论计算吻合度好。

②通过对闭式外腔循环系统太阳能墙温度不间断自动监测，得到冬季运行规律：上午室温从10℃升温到18℃，平均需要1 h；从18℃升温到20℃，平均需要1.5 h；升温至20℃以上用时会更长，说明太阳能墙采暖低温区升温迅速。

③晴朗天气下，10：00-17：00，单一太阳能墙即可满足采暖要求，可以供热7 h；一般的工业厂房用暖在工人上班的8：00-17：00，每天最多需要辅助采暖2 h。在鼓励电取暖等替代散烧煤的清洁取暖政策下，太阳能墙比空气源热泵更节电，可以选择空气源热泵作为辅助采暖，采用“太阳能墙+空气源热泵”组合形式。

④对于雨雪天、阴天、雾霾天等天气，采暖效果降低，需要辅助能源多工作。