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新型太阳墙内自然对流换热分析 杨昭徐晓丽 (天津大学热能研究所，天津300072) 摘要：兼有被动冷却和加热的复合太阳墙从全年运行看：具有节能降耗、改善空气品 质、提高舒适性的优点符合亲和自然的绿色生态建筑理念，是一极具发展潜力的太阳能墙 体，适宜深入研究和大力推广。 的对流换热进行数值模拟。通过与文献中的Nu实验关联式比较，表明所选计算模型合 理，适宜对太阳墙内的对流换热进行分析和预测。 关键词：太阳墙CFD准则方程生态建筑 刖肓 如今，节能已经成为世界性问题。同时由于现代建筑中“病态建筑”的出现，越来越 多的人们崇尚自然通风。太阳能建筑以其节能、亲和自然的特点成为研究热点。传统特朗 勃集热墙体的主要缺点是：厚重集热墙表面温升较慢，进而集热时滞性大；冬季夜间，-温 度较高的集热墙在向室内散热的同时向室外传热而导致热损失较大。夏季由于集热墙表面 温度较高，室内易产生过热现象。新型特朗勃集热墙通过对结构和建筑材料的改进，有效 的克服了传统特朗勃墙的缺点，作为被动式太阳能建筑的主要形式，极具发展潜力。随着 建筑主体材料的更新，需要对其热过程进行较详细的分析，以进行优化设计。近年来， CFD技术在太阳能建筑应用的可靠性已得到验证[1]。本文通过建立三维模型，研究了新 型集热墙内的自然对流换热。 1模型结构 夏季，复合特朗勃墙可以看作是一个太阳能烟囱(图1)。在浮力的作用下，室内的空 气从风口6吸入金属板和厚重墙体间的空气间层内，而房屋北侧较冷的空气从风口7进入 室内。这样，室内由于自然通风而被冷却。在室外室温较高不适宜开启风口7时，室外热 空气直接从空气间层下部进入加热后由上部排出而不进入室内以防止过热。冬季，金属板 与厚重墙体间的空气吸收太阳能被加热后在浮力的作用下向上流动从上风口流入室内(1、 2关，3开)，室内冷空气从风口6流人空气间层，形成一个循环。此外，在过渡季或室外温 度不是很低的情况下可将风口4、5打开，6关闭，室外的新鲜空气向上流动通过风口3进入 599 C建筑节能与绿色建筑 室内，在一定程度上，复合特朗勃墙可以提高室内空气的IAQ且有利于节能。 图1带特朗勃壁太阳房结构图 2数学模型 关于新型太阳墙的动态热响应和保温、隔热、预热效果已在另一文中介绍。本文主要 研究空气夹层中的对流换热，同时以实验准则方程进行验证和校核。 针对新型太阳墙的不同功效，通道形式可分为：封闭空间通道(用于冬季作为热缓冲 层)和耦合壁面开口形式。后者又可分为同侧开口(冬季房间加热和夏季通道隔热)和异侧 开口(过渡季空气预热和夏季通风冷却)两种形式。 2．1建立模型为了准确地分析特朗勃壁内的温度场分布，建立了三维结构模型。在处理 中，特将一部分室内空间做为计算区域。以便较真实地反映通风口的热状况 在模型中做了如下假定： (1)由于室内的湿度变化不是很大，忽略湿度变化对热平衡的影响。 (2)忽略各层间的接触热阻。 (3)材料热物性视为常量。 (4)忽略空气渗透换热作用。 (5)应用Boussinesq模型。 2．2控制方程 基于流固耦合求解 (1)流体区域两方程模型为： (1)… a￡。 r”。’／’。 警+警一去(r差一．o刀)+sazi azi＼1azi 流体区域源项：在方程中添加C3触t巩．Zt忌E一(号丢)和触fi口。t(号丢)为源项。即考虑动量 600 新型太阳墙内自然对流换热分析 方程中浮力的影响。 (2)固体区域传热方程： ∥哥一A(筹+等+等)+SE ㈤ 固体区域源项：sE为能量体积源项。在本模型中为各固体介质层所吸收的太阳辐射 热量和辐射换热量。 吸收太阳能