太陽能多孔墻在采暖系統中的應用研究

1、◆本欄目由深圳市嘉普通太陽能有限公司協辦太陽能多孔墻在采暖系統中的應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用的熱點。太陽能采暖系統主要有“主動式”和“被動式”兩種形式?！爸鲃邮健碧柲懿膳到y是將太陽能作為低溫熱源，利用相變和非相變工質的強制或熱力循環(huán)達到采暖的目的。“被動式”太陽能采曖系統是利用建筑物內部空間和外部構造，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。國內外學者對此作了大量的理論和應用研究。然而，這兩種系統存在以下問題：“主動式”系統復雜，初投資大，給實際應用帶來較大的困難f6_；“被動式”系統能耗低，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，采用數值模擬的方法，對這種采曖系統內的傳熱與流動特性進行分析。二物理模型圖1為本文設計的一種新型太陽能多孔墻采暖系統的物理模型。它由兩部分組成：太陽

3、能多孔墻和空氣輸送系統。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，為了強化對流換熱和輸送熱空氣，在多孔墻右側通道內設置風機，并與空氣輸送系統構成太陽能多孔墻采曖系統。其工作原理為：在風機的作用下，室外空氣從玻璃通道底部進入，在流動過程中與多孔集熱面進行對流換熱后，空氣

4、溫度升高，經過預熱的空氣流入多孔墻內部，與多孔墻固體骨架進行對流換熱被進一步加熱，達到一定溫度，并經空氣輸送系統送入采暖房。另外，為簡化計算，將華中科技大學能源與動力工程學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風機：8蓄熱南墻；9斜坡式風道；10地板送風口；11采暖房：12空氣出口圖1太陽能多孔墻采暖系統三數學模型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的空氣流動及溫度分布。2多孔介質數學模型(1)模型的簡化和假設多孔墻是由直徑為d的球狀物按一定排列方式堆積而成的多孔填料墻。由于風機和多孔墻結構等因素的影響，使得空氣在多孔墻內的流動與傳熱非常復雜。為了簡化模型，對于垂直放置的多孔墻，作如下幾個假設：①忽略太陽輻射對玻璃通道端部的影響，認為太陽輻射穩(wěn)定；②根據

6、多孔墻的結構尺寸，只考慮空氣在多孔墻內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制流動，因此忽略多孔墻內自然對流的影響；④空氣流過多孔墻時，與多孔固體骨架之間有熱量交換，并且對流換熱系數處處相等。(2)數學模型、采用飽和多孔介質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方式，采暖房內

7、溫度分布均勻。在工作區(qū)內，沿各送風口高度方向，溫度相差僅為05K左右，不會因產生較大的溫度梯度而造成地板送風方式對人體產生負面影響。293292291卜290289000510152025Y(m)圖5送風口高度方向空氣溫度圖6為蓄熱南墻對室內空氣溫度分布的影響。圖中曲線sS、$3S分別為模擬計算中考慮蓄熱南墻影響時，沿風口2、風口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，室內空氣溫度要高

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，當風機置于蓄熱墻頂部時，在風機的作用下，一部分熱空氣通過蓄熱墻孔隙回流至多孔墻鄰近的通道，被進一步加熱，再被送入采暖房，使得室內空氣溫度提高。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2960295529502945294029352930292529202915291029052900298529802885000510152025Y(m)圖6蓄熱南墻的影響計中，應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，采暖房空氣溫度的分布情況。由圖可知，當蓄熱南墻的滲透率增加時，室內的空氣溫度將提高。其原因是在一定風機壓力下，當蓄熱南墻的滲透率提

10、高時，回流的空氣量增加，室外的冷空氣進氣量少，從而使得室內的溫度有所提高。這一結果與圖6的結果一致。因此，蓄熱南墻在一定程度上也起到能量調節(jié)作用。圖8為改變系統入口空氣流速時，室內空氣的溫度分布情況。由圖可知，隨著入口流速的降低，室內空氣溫度提高。其主要原因是，當系統入口流速降低時，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