太阳能建筑特朗勃墙结构特性数值分析

欧阳焕英，周文和，王蕴芝

(兰州交通大学，甘肃 兰州730070)

1 引言

建筑能耗占比社会终端能耗较大，北方地区建筑冬季供暖能耗达到30%以上，传统化石能源消耗的同时对环境也造成了较大压力。特朗勃墙可使建筑有效集成太阳热能，降低建筑的供暖能耗，尤其适用于北方太阳能丰富地区。

纵观国内外研究现状，特朗勃集热蓄热墙的研究和成果较多，但大多局限于单一墙体性能和结构的实验和数值模拟研究，即通常只不含窗户，与实际不符；此外，数值模拟研究通常二维建模，不能准确揭示通风孔气流室内扩散的规律[1－3]。本文以青藏线某被动式太阳房间为例，结合室外气象参数和太阳辐射特点，借助Fluent模拟软件，对含窗户结构的特朗勃墙及其室内环境整体建模，采用三维数值模拟的方法进行计算分析，以期得到窗墙面积比对特朗勃墙集热性能的影响。

2 系统模型

2.1 物理模型及网格划分

如图1所示，作为建筑外围护结构的特朗勃墙通常(自外向里)由外玻璃层、空气夹层、集热蓄热墙及其上设置的通风孔、玻璃窗等组成，玻璃层与集热墙体之间形成空气通道，利用通道产生的烟囱效应，将室内冷空气带入通道，加热后再送入室内，承担部分室内热负荷；夜晚关闭通风口减少室内热量散失。

图1 太阳能集热墙系统简化模型示意

为得到窗墙面积比对特朗勃墙集热性能的影响关系，在通风孔、空气夹层和集热墙结构等恒定的条件下，以青藏线不冻泉站某带窗户的被动太阳房间为目标对房间及其围护结构整体建模和研究，目标房间的窗墙面积比为7.2%，空气夹层厚度为15 cm，窗户的设置不但可满足室内采光要求，节省部分采光的电耗，而且下午的集热效果明显优于无窗特朗勃墙，提高室内的热舒适，但是夜晚将会明显增加热损失。

2.2 数学模型

模型为长方形的腔体，简化为浮力驱动的自然对流传热问题，本文自然对流采用标准的Standardκ－ε湍流模型。基本控制方程如下[4]：

2.3 边界条件

(1)太阳辐射热流：采用离散的辐射do模型，参数为青海省不冻泉站位置参数，经度98.083deg，纬度为35.217deg，时刻为1月27日9：35～17：35。

(2)通风口：采用速度进口和压力出口边界，上通风口为风速进口，下风口为压力出口，其速度和温度参数按照青藏线实验数据输入。

(3)玻璃盖板和窗户外边界：采用第三类边界条件，其表面对流换热系数为18.6 W/m2。

(4)其他边界：地面，屋顶，外墙与集热墙等均均采用绝热边界。

2.4 数值模拟方法

从描写流动与传热问题的角度出发，对控制方程进行离散，采用有限容积法。求解离散方程采用SIMPLE算法[5，6]。

本文首先进行了网格独立性验证，最终选用100×100×80的网格进行计算。为了验证数值计算方法的准确性，根据文献[4]中的参数设置，对二维系统进行了数值模拟，所得计算结果与文献[4]中的相应数据符合较好，误差在±6%以内，结果如图2、图3所示。

图2 出口空气温度的文献对比

随后，采用目标房间－青藏线太阳能房的实验数据对本文的三维模型及方法进行了验证，验证结果如图4所示，可以看出，模拟数据和实验数据趋势相同，能够满足模拟需求。

3 模拟结果及分析

本文首先选取表1所示青藏线不冻泉站1月份某典型日的室外气象参数进行后续的模拟计算。

图3 空气流量的文献对比

图4 室内平均温度的实测对比

表1 青藏线1月份某天的室外气象参数

本文在通风孔面积比、空气层和集热墙及结构等条件不变的前提下，通过改变窗户和集热墙的面积比例分别为10%，8%、7.2%、6%、5%，对其与特朗勃墙集热性能的影响关系进行模拟分析，房间在9时、13时、18时室内平均温度的模拟计算结果如表2所示。

表2 模拟不同窗墙比条件下的室内平均温度

从表2可以看出窗户面积变大使得室内温度降低，但是相差不到1℃，在13时，室内平均温度基本相近，但是到了17时，窗户面积为10%的室内平均温度明显低于其他值，原因是太阳落山后，房间开始向外散热，窗墙比大的导致热量散失更多。如果窗户设置卷帘，可减轻此现象的程度。采光效果可以有效减少开灯时间，节省的电能不能小觑，同时光照到房间，使人的舒适感更好。考虑人体工学要求：采光窗户的有效采光面积和房间地面面积之比不应小于1∶15，以便于人的居住，本文目标建筑的窗户面积不应小于1.224 m2，此时窗墙比为10%。

4 结论

在不借助其他供暖设施的情况下，特朗勃墙可有效提升建筑室内环境温度，降低建筑能耗。在特朗勃墙上开窗虽然减小了集热墙的面积，不利于其集热蓄热，并增加了夜间热损失，但通过本文分析可知，相比无窗特朗勃墙建筑，含窗特朗勃墙建筑白天温度降低小于1℃，太阳辐射较强的时刻，室内温度反而与窗墙比成反比关系；同时可以有效减少开灯时间、节省电能。在窗户上安装卷帘可以有效减少夜晚热量的散失。综合分析舒适和节能等因素，推荐窗墙比为10%。