多孔太陽墻的傳熱與流動分析.pdf

1、太陽輻射具有分散性和斷續(xù)性的特點(diǎn),是太陽能利用中最大的困難。如何有效地收集和蓄積太陽能,對太陽能的利用效率有著非常重要的影響。太陽能在建筑采暖和農(nóng)業(yè)日光溫室的應(yīng)用中,太陽墻是太陽能收集和蓄積的關(guān)鍵技術(shù),是實(shí)現(xiàn)太陽能—建筑一體化的重要組成部分,也是世界各國學(xué)者普遍研究和關(guān)注的課題。因此,太陽墻的研究有著非常重要的意義。本文綜合分析了國內(nèi)外“太陽墻”的研究現(xiàn)狀,集多孔介質(zhì)復(fù)合Trombe墻和太陽能多孔集熱墻優(yōu)點(diǎn)為一體,設(shè)計(jì)了一種多孔介質(zhì)太陽

2、墻,并采用數(shù)值模擬的方法對多孔介質(zhì)太陽墻的傳熱機(jī)理及應(yīng)用進(jìn)行了研究。
　　從簡化的角度出發(fā),建立描述多孔介質(zhì)太陽墻傳熱與流動特性的一維數(shù)學(xué)模型,對作為媒質(zhì)的空氣在多孔墻內(nèi)的流動,以及與多孔墻之間的換熱機(jī)理進(jìn)行了初步的研究。結(jié)果表明:多孔墻能收集與蓄積太陽能,并加熱空氣;降低多孔墻入口空氣速度,能夠提高空氣的溫度;在保證所需的太陽輻射吸收率的條件下,增大多孔墻的孔隙率與滲透率,能夠提高空氣的溫度;當(dāng)多孔固體材料采用金屬與非金屬材料時

3、,出口空氣溫度有著較大的差別。當(dāng)多孔骨架材料采用鋁時,空氣的溫升幅度較大,出口空氣溫度高,而采用巖石,空氣的溫升幅度較小。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)合理選擇滲透率和多孔骨架材料,盡可能地降低初投資。
　　基于對多孔墻的熱分析,為降低多孔墻與環(huán)境之間的輻射與對流換熱損失,從結(jié)構(gòu)上對多孔墻進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了一種新型的多孔太陽墻系統(tǒng)。在多孔墻的集熱面與環(huán)境之間設(shè)玻璃蓋板,形成玻璃通道。利用玻璃通道的“溫室效應(yīng)”降低熱損失和收集熱空氣。在多孔墻內(nèi)側(cè)通

4、道內(nèi)設(shè)有風(fēng)機(jī),在風(fēng)機(jī)的作用下,室外空氣流入多孔墻,與多孔墻進(jìn)行熱交換后,被加熱到一定的溫度,用于冬季的供暖?；诙S穩(wěn)態(tài)Navier-Stoke方程、飽和多孔介質(zhì)Brinkman-Forchheimer Extended Darcy模型和能量雙方程模型,對這種設(shè)有風(fēng)機(jī)并附加玻璃通道的新型的多孔太陽墻系統(tǒng)內(nèi)的傳熱與流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)對系統(tǒng)內(nèi)溫度場和流場有較大的影響;降低空氣入口流速,可減小空氣流動阻力,提高多孔墻的

5、集熱效率;附加玻璃通道的多孔太陽墻可減小長波輻射損失,并具有收集熱空氣的作用。因此,它具有較高的集熱效率。
　　設(shè)計(jì)了一種多孔蓄熱墻-溫室系統(tǒng)。將溫室北墻設(shè)計(jì)為由“半透明”的等徑、均勻的多孔球堆積而成的多孔墻,能吸收和蓄積太陽能,加熱溫室空氣,而且能夠主動地調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的熱環(huán)境。將溫室與多孔蓄熱墻結(jié)合起來,充分發(fā)揮兩者的作用。從而提高了溫室的太陽能利用效果。借助帶內(nèi)熱源的飽和多孔介質(zhì)能量雙方程模型和Brinkman-Forchhei

6、mer Extended Darcy模型以及k-ε紊流模型,對該太陽能溫室系統(tǒng)的傳熱與流動特性進(jìn)行預(yù)測。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步模擬分析了孔隙率分層多孔墻對溫室系統(tǒng)特性的影響。結(jié)果表明:溫室系統(tǒng)的入口參數(shù)和多孔墻的結(jié)構(gòu)對溫室內(nèi)的溫度場、流場和壓力場有較大的影響。因此,針對一定結(jié)構(gòu)的溫室系統(tǒng),應(yīng)根據(jù)溫室熱環(huán)境的要求,合理地設(shè)計(jì)多孔墻本體,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況。
　　設(shè)計(jì)了兩種通風(fēng)方式下的多孔太陽墻采暖系統(tǒng)。采用飽和多孔介質(zhì)Brinkman-

7、Forchheimer Extended Darcy模型、帶內(nèi)熱源的能量雙方程模型以及k-ε紊流模型,對采暖系統(tǒng)內(nèi)的傳熱與流動特性進(jìn)行計(jì)算、分析和比較。結(jié)果表明,多孔太陽墻采暖系統(tǒng)的送排風(fēng)方式,對采暖房內(nèi)的溫度場、流場有很大的影響,它直接影響到系統(tǒng)的保溫作用,對多孔墻的熱利用率有較大的影響。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)合理地設(shè)計(jì)多孔太陽墻采暖系統(tǒng),提高多孔墻的熱利用率,從而降低多孔墻的熱價。
　　對局部和斜坡地板送風(fēng)式多孔太陽墻采暖系統(tǒng)

8、內(nèi)的傳熱與流動進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了兩種系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布、流場分布。分析了架空地板的結(jié)構(gòu)、地板送風(fēng)口尺寸對采暖房內(nèi)溫度場和流場的影響;分析了建筑南墻對室內(nèi)溫度的影響。結(jié)果表明:采用地板送風(fēng)方式,能夠保證采暖房內(nèi)均勻的溫度場和流場;采用斜坡式地板送風(fēng)方式,更有利于保證各送風(fēng)口流量分布均勻。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)注意建筑承重墻的隔熱,防止“熱蝕”現(xiàn)象發(fā)生。
　　針對多孔墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用描述填充結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)模型,進(jìn)一步分析了多孔墻的結(jié)構(gòu)特