基于CFD 模擬的太陽能墻空氣間層氣流組織優(yōu)化設(shè)計研究

夏 婧 賈 欣 戴佳馨 吳艷芳 王良煜

（大連大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧 大連116600）

1 概述

隨著社會和科技的進(jìn)步，全球變暖所產(chǎn)生的影響不僅是氣候和全球環(huán)境領(lǐng)域的問題，更是一個涉及到人類社會生產(chǎn)、消費、生活方式以及生存空間等社會和經(jīng)濟發(fā)展領(lǐng)域的重大問題。生活中碳排放隨處可見，而碳排放量最大的行業(yè)卻是建筑業(yè)和房地產(chǎn)業(yè)，由它及其產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生的溫室效應(yīng)占碳排放總量的3/4（孫楠2010）。為了保持能源、經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，建筑節(jié)能設(shè)計顯得尤為重要。從太陽能、墻體材料、保溫技術(shù)、門窗、暖通空調(diào)等方面在建筑節(jié)能中應(yīng)用新技術(shù)、新材料（徐立松2009）以及節(jié)能設(shè)計中充分利用太陽能與建筑的結(jié)合應(yīng)用，將是建筑節(jié)能發(fā)展的趨勢。謝宜燕等人研究結(jié)果表明，我國北方采暖區(qū)安裝太陽墻系統(tǒng)是完全可行的，具有明顯的節(jié)能與減排效果，且部分地區(qū)的經(jīng)濟效益很可觀，太陽墻系統(tǒng)在我國北方采暖區(qū)有著廣闊的應(yīng)用市場和巨大的節(jié)能減排潛力（謝宜燕等2011）。太陽能取之不盡、用之不竭，成本低廉，潔凈，安全，對供暖這種低品位熱量需求時具有很大的優(yōu)勢。王瑩鈺等建立了太陽能房的物理模型，并根據(jù)熱力學(xué)第一定律建立了太陽能房的數(shù)學(xué)模型（王瑩鈺等2014）。通過數(shù)值模擬給出了太陽能墻體各部位溫度分布，通過該次研究為太陽能集熱墻的設(shè)計提供了參考和理論指導(dǎo)。王瑩鈺等研究分析發(fā)現(xiàn)實體墻在厚度方向上的溫度分布出現(xiàn)明顯分層（王瑩鈺2014）。邢秉元等基于FLUENT 軟件的基礎(chǔ)上，建立了基本的數(shù)學(xué)模型（邢秉元等2012），著重研究了太陽能集熱板孔徑尺寸及太陽輻射強度對太陽能墻系統(tǒng)的熱性能影響，得出了最佳的集熱板孔徑的數(shù)據(jù)。本文主要利用ANSYS CFD 對建立的太陽墻實驗系統(tǒng)進(jìn)行模擬，得到實驗工況下的速度場、壓力場和流線圖，優(yōu)化太陽能墻。

2 模擬分析

2.1 網(wǎng)格模擬及質(zhì)量檢測。根據(jù)真實實驗臺的設(shè)置，在ICEM CFD 軟件中做出了與之相匹配的幾何模型（見圖1）。接下來進(jìn)行邊界的定義，塊操作創(chuàng)建出了二維網(wǎng)格，即結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（見圖4）并采取了兩種方式進(jìn)行了網(wǎng)格質(zhì)量的檢測（見圖5），都證明了我們所創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量很好，采用porous jump邊界條件處理帶有微孔的集熱板。

2.2 速度場。我們在前面通過使用ICEM CFD 網(wǎng)格構(gòu)造功能構(gòu)造出了我們所需的網(wǎng)格，再將其導(dǎo)入到Fluent 軟件中，接下來設(shè)置邊界條件進(jìn)行模擬復(fù)雜流動，得到了氣體的速度場、壓力場以及對應(yīng)的流線圖。

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量檢測

在速度場的圖中（見圖4），可以看到，在最外側(cè)的陽光板與集熱板之間的外腔速度是較高的，這是因為我們采用的是下口進(jìn)風(fēng)上口出風(fēng)的流動方式，空氣從外腔流動，導(dǎo)致此處速度較高。而上處的出風(fēng)口由于靠近室內(nèi)風(fēng)機位置，風(fēng)速出現(xiàn)了一個高速點。中部的深藍(lán)色區(qū)域，即為空氣內(nèi)腔，內(nèi)部空氣流動不充分，導(dǎo)致速度較低。最底部的深藍(lán)色是由于基本上空氣無法到達(dá)，導(dǎo)致空氣淤積，沒有流動情況，速度最低。

2.3 壓力場。在壓力場的圖中（見圖5），可以看出，最下部的深紅色區(qū)域，表示它的壓力較大，由于空氣堆積，幾乎不流動，而產(chǎn)生了一個增壓區(qū)，而導(dǎo)致壓力有所增加。中部的淡藍(lán)色區(qū)域是由于空氣流動充分，根據(jù)空氣流動公式可以知道，流動速度越大，壓力越小，因此它相對于上下兩端，壓力相對下降。

圖4 速度場

圖5 壓力場

2.4 流線圖。在流線圖中（見圖6），從圖中可以看出，圖中左側(cè)的藍(lán)色區(qū)域，流線組成了一個漩渦，右邊的橙色區(qū)域流線也形成了一個漩渦，說明在整個太陽能墻中，流動是分為外腔和內(nèi)腔兩腔流動的。最左邊的流線箭頭向下，中間的流線箭頭向上，最外側(cè)的流線箭頭總體向上，表明空氣從下部進(jìn)入之后，從外腔沿著陽光板向上流動，被風(fēng)機從頂部抽入室內(nèi)，但仍存在部分空氣未被風(fēng)機抽出，直接從內(nèi)墻向下流動，產(chǎn)生回流，導(dǎo)致集熱板后側(cè)的熱量并未得到充分的利用，利用率降低。

3 討論

太陽能墻集熱板上有許多小孔，在墻板與建筑外墻之間的負(fù)壓作用下，外部空氣由集熱板的小孔抽入空腔內(nèi)。雖然有孔的孔板熱損失小，有較好的集熱效率，但在模擬中仍然發(fā)現(xiàn)集熱板的熱量沒能得到很好的利用，模擬發(fā)現(xiàn)集熱板后側(cè)的熱量沒有能得到充分的利用，熱利用率沒有達(dá)到最高。而影響集熱板后方集熱效率的因素與空氣不能被抽出而自循環(huán)有關(guān)。

圖6 流線圖

4 結(jié)論

邢秉元等基于Fluent 軟件的基礎(chǔ)上，建立了基本的數(shù)學(xué)模型，著重研究了太陽能集熱板孔徑尺寸及太陽輻射強度對太陽能墻系統(tǒng)的熱性能影響，得出了最佳的集熱板孔徑的數(shù)據(jù)。在本次研究通過Fluent 軟件模擬出了空氣在太陽能墻間層的速度場、壓力場及其流線圖，在模擬得出的數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)了空氣在太陽能墻底部會存在一定的空氣堆積，并且在集熱板的后側(cè)也發(fā)現(xiàn)了熱量沒能得到充分利用現(xiàn)象。因此在今后的模擬實驗中著重解決太陽能利用率問題，不斷優(yōu)化太陽能墻空氣間層。積極響應(yīng)我國的可持續(xù)發(fā)展觀這一理念，為改善能源利用和提高人民生活得幸福指數(shù)貢獻(xiàn)綿薄之力。