太陽能多孔墻在采暖系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

1、◆本欄目由深圳市嘉普通太陽能有限公司協(xié)辦太陽能多孔墻在采暖系統(tǒng)中的應(yīng)用研究一前言太陽能是一種清潔、可再生的能源，利用太陽能采曖一直是各國研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。太陽能采暖系統(tǒng)主要有“主動式”和“被動式”兩種形式?！爸鲃邮健碧柲懿膳到y(tǒng)是將太陽能作為低溫?zé)嵩?，利用相變和非相變工質(zhì)的強(qiáng)制或熱力循環(huán)達(dá)到采暖的目的?！氨粍邮健碧柲懿蓵嵯到y(tǒng)是利用建筑物內(nèi)部空間和外部構(gòu)造，使其在冬天收集、貯存、分配太陽能，并利用自然對流方式將熱量進(jìn)行傳遞，低能耗地解

2、決或部分解決建筑物的采曖問題。國內(nèi)外學(xué)者對此作了大量的理論和應(yīng)用研究。然而，這兩種系統(tǒng)存在以下問題：“主動式”系統(tǒng)復(fù)雜，初投資大，給實(shí)際應(yīng)用帶來較大的困難f6_；“被動式”系統(tǒng)能耗低，但采暖面積受到限制，而且受室外環(huán)境因素影響大[7_。針對上述問題，本文提出了一種新型的太陽能多孔墻采暖系統(tǒng)，采用數(shù)值模擬的方法，對這種采曖系統(tǒng)內(nèi)的傳熱與流動特性進(jìn)行分析。二物理模型圖1為本文設(shè)計(jì)的一種新型太陽能多孔墻采暖系統(tǒng)的物理模型。它由兩部分組成：太陽

3、能多孔墻和空氣輸送系統(tǒng)。太陽能多孔墻的集熱面朝南，采用具有集熱和蓄熱特性的球形物填充墻體，形成多孔介質(zhì)層。因此，墻體具有集熱、蓄熱雙重作用。為了減小多孔墻與環(huán)境之間的長波輻射，在多孔墻與環(huán)境之間裝有透明的玻璃蓋板，形成一個玻璃通道。此外，為了強(qiáng)化對流換熱和輸送熱空氣，在多孔墻右側(cè)通道內(nèi)設(shè)置風(fēng)機(jī)，并與空氣輸送系統(tǒng)構(gòu)成太陽能多孔墻采曖系統(tǒng)。其工作原理為：在風(fēng)機(jī)的作用下，室外空氣從玻璃通道底部進(jìn)入，在流動過程中與多孔集熱面進(jìn)行對流換熱后，空氣

4、溫度升高，經(jīng)過預(yù)熱的空氣流入多孔墻內(nèi)部，與多孔墻固體骨架進(jìn)行對流換熱被進(jìn)一步加熱，達(dá)到一定溫度，并經(jīng)空氣輸送系統(tǒng)送入采暖房。另外，為簡化計(jì)算，將華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院一歐陽莉劉偉蓄熱墻埋地部分作為墻體考慮。1空氣入口；2玻璃蓋板：3玻璃通道：4太陽能多孔墻；5通道；6太陽輻射；7風(fēng)機(jī)：8蓄熱南墻；9斜坡式風(fēng)道；10地板送風(fēng)口；11采暖房：12空氣出口圖1太陽能多孔墻采暖系統(tǒng)三數(shù)學(xué)模型1空氣輸送通道、采暖房通過多種方案的分析和比較

5、，從簡化的角度出發(fā)，考慮層流流動。因此，采用常規(guī)的連續(xù)性方程、Navier—Stokes方程和能量方程來描述空氣輸送通道和采暖房內(nèi)的空氣流動及溫度分布。2多孔介質(zhì)數(shù)學(xué)模型(1)模型的簡化和假設(shè)多孔墻是由直徑為d的球狀物按一定排列方式堆積而成的多孔填料墻。由于風(fēng)機(jī)和多孔墻結(jié)構(gòu)等因素的影響，使得空氣在多孔墻內(nèi)的流動與傳熱非常復(fù)雜。為了簡化模型，對于垂直放置的多孔墻，作如下幾個假設(shè)：①忽略太陽輻射對玻璃通道端部的影響，認(rèn)為太陽輻射穩(wěn)定；②根據(jù)

6、多孔墻的結(jié)構(gòu)尺寸，只考慮空氣在多孔墻內(nèi)沿垂直和水平方向的流動，因此傳熱與流動過程是二維過程；④空氣通過多孔墻的流動是強(qiáng)制流動，因此忽略多孔墻內(nèi)自然對流的影響；④空氣流過多孔墻時(shí)，與多孔固體骨架之間有熱量交換，并且對流換熱系數(shù)處處相等。(2)數(shù)學(xué)模型、采用飽和多孔介質(zhì)Brinkman—ForchheimerExtendedDarcy模型和能量雙方程模型來描述多孔———弋一SOLARENERGY1／2008維普資訊坡式地板送風(fēng)方式，采暖房內(nèi)

7、溫度分布均勻。在工作區(qū)內(nèi)，沿各送風(fēng)口高度方向，溫度相差僅為05K左右，不會因產(chǎn)生較大的溫度梯度而造成地板送風(fēng)方式對人體產(chǎn)生負(fù)面影響。293292291卜290289000510152025Y(m)圖5送風(fēng)口高度方向空氣溫度圖6為蓄熱南墻對室內(nèi)空氣溫度分布的影響。圖中曲線sS、$3S分別為模擬計(jì)算中考慮蓄熱南墻影響時(shí)，沿風(fēng)口2、風(fēng)口3的高度方向的空氣溫度分布。對比S：S與S：、S，一S與S，可知，將蓄熱南墻作為通道壁面時(shí)，室內(nèi)空氣溫度要高

8、于未將蓄熱南墻作為通道壁面的情況。其主要原因是蓄熱南墻是具有一定滲透率的多孔介質(zhì)，當(dāng)風(fēng)機(jī)置于蓄熱墻頂部時(shí)，在風(fēng)機(jī)的作用下，一部分熱空氣通過蓄熱墻孔隙回流至多孔墻鄰近的通道，被進(jìn)一步加熱，再被送入采暖房，使得室內(nèi)空氣溫度提高。采用蓄熱南墻作為通道壁面，有利于節(jié)省管材和提高室內(nèi)空氣溫度。如果考慮南墻的蓄熱作用，則有利于夜間采暖。但值得注意的是，也正是南墻的滲透性，在長期的工作條件下，易受到“熱蝕”的作用，因此，這部分蓄熱南墻不能作為承重墻。

9、并且，在建筑設(shè)2960295529502945294029352930292529202915291029052900298529802885000510152025Y(m)圖6蓄熱南墻的影響計(jì)中，應(yīng)考慮其與承重墻之間的隔熱。000510152025Y(m)圖7蓄熱南墻滲透率的影響圖7為改變蓄熱南墻滲透率時(shí)，采暖房空氣溫度的分布情況。由圖可知，當(dāng)蓄熱南墻的滲透率增加時(shí)，室內(nèi)的空氣溫度將提高。其原因是在一定風(fēng)機(jī)壓力下，當(dāng)蓄熱南墻的滲透率提

10、高時(shí)，回流的空氣量增加，室外的冷空氣進(jìn)氣量少，從而使得室內(nèi)的溫度有所提高。這一結(jié)果與圖6的結(jié)果一致。因此，蓄熱南墻在一定程度上也起到能量調(diào)節(jié)作用。圖8為改變系統(tǒng)入口空氣流速時(shí)，室內(nèi)空氣的溫度分布情況。由圖可知，隨著入口流速的降低，室內(nèi)空氣溫度提高。其主要原因是，當(dāng)系統(tǒng)入口流速降低時(shí)，多孔墻入口空氣流速降低，減弱了多孔墻外壁面與空氣之間的擾動，對流換熱強(qiáng)度降低，多孔墻固體骨架與空氣的溫差增加，使得多孔墻出口處的空氣溫度提高，從而提高了采暖