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特朗伯集热墙耦合传热机理和动态传热特性研究

时间:2016/6/6 15:56:04

特朗伯集热墙耦合传热机理和动态传热特性研究

项目批准号:51566008

1.研究背景与意义

特朗伯集热墙Trombe Wall1973年由法国奥德曼Odeillo太阳能研究所所长Felix. Trombe[1-2]提出的一种被动式太阳能建筑集热蓄热外墙构造系统,后来在被动式太阳能建筑中被广泛应用和发展。特朗伯集热墙作为一种重要的被动式太阳能建筑节能技术,其动态耦合传热过程包含着重要的辐射传热物理问题,这些问题影响着其热工节能特性。

特朗伯集热墙耦合传热机理和动态传热特性研究

图1 特朗伯集热墙工作原理示意图(纵剖面)

针对国内外现有研究现状与中存在的问题,本项目拟将固体表面吸收的太阳辐射热和夹层空气两侧表面间长波辐射热作为体积内热源,并考虑玻璃盖板长波透射辐射作用下,建立特朗伯集热墙的三维稳态和周期性非稳态耦合传热数值模型并进行有效求解和模型考核,利用上述数值模型研究特朗伯集热墙整体和局部的静态和动态热特性参数,总结传热机理。通过对上述问题的深入、细致研究,其研究结果可以:1加强对固体表面吸收太阳热辐射以及表面间的长波热辐射后在固体内部传热机理的认识;(2)加强对有玻璃等长波透明漫射灰体构成的复合传热系统的透射辐射传热规律的认识;(3)加深对特朗伯集热墙系统的整体与局部、静态与动态耦合传热特性的综合性认识,为其热工节能优化设计提供可靠依据。

2.研究内容

2.1 建立特朗伯集热墙的耦合传热模型

特朗伯集热墙的耦合传热体现在空气夹层流体区域与周围固体区域(玻璃盖板及重质墙体)相分界面处的热边界条件是热量交换过程动态地加以决定。

把玻璃盖板看作长波透明漫射灰体薄片,玻璃盖板和重质墙体外表面吸收的太阳辐射热以及玻璃盖板内表面和重质墙体外表面间的长波辐射热均作为体积内热源作用在固体表面一定厚度内,对特朗伯集热墙计算区域建立导热(固体)及对流的耦合模型(空气夹层部分采用自然对流条件低Rek-ε模型),采用有限容积法的数值计算方法建立计算区域的三维网格系统,进行无量纲处理。

室内外热环境边界条件分为稳态和单向周期性非稳态两种。稳态是特朗伯集热墙两侧环境温度和室外太阳辐射热均为恒定常数;单向周期性非稳态是特朗伯集热墙室内侧环境温度为恒定常数,室外侧环境温度和太阳辐射热为随时间变化(日周期24 h)的周期性变量。

2.2 耦合传热模型的求解与考核

采用有限容积法的内节点法对计算区域离散化,形成三维网格系统。流体区域求解速度与压力耦合方程采用SIMPLE算法,固体区域的导热扩散方程求解采用交替方向隐式(ADI)算法。对计算区域拟进行分区求解、边界耦合(数值实践表明容易实现边界处的热量平衡)的方式进行求解。固体区域涉及的太阳辐射热和长波辐射热作为体积内热源,在能量控制方程中处理为源项。长波透射辐射作用在玻璃盖板计算区域按边界条件(玻璃盖板两侧表面处的综合换热系数)进行等效修正处理。

特朗伯集热墙耦合传热机理和动态传热特性研究

图4 系统体积内热源、表面间长波辐射及玻璃盖板长波透射辐射示意

2.3 多状态下特朗伯集热墙的动态传热特性

根据上面建立的耦合传热模型,分析多状态下特朗伯集热墙的动态传热特性,并进行实验对比验证。这里,多状态是特朗伯集热墙的四种典型工作状态:冬季白天状态,冬季夜晚状态,夏季白天状态,夏季夜晚状态。如图6所示。

特朗伯集热墙耦合传热机理和动态传热特性研究   特朗伯集热墙耦合传热机理和动态传热特性研究

(a)                                      (b)

特朗伯集热墙耦合传热机理和动态传热特性研究     特朗伯集热墙耦合传热机理和动态传热特性研究

(c)                                      (d)

图6 特朗伯集热墙四种典型工作状态示意图(纵剖面):

(a) 冬季白天状态,(b)冬季夜晚状态,(a) 夏季白天状态,(b) 夏季夜晚状态

(b) 

在一南向房间外墙框架内嵌制一特朗伯集热墙,四周绝热材料嵌缝,如图7所示。设置热电偶、热流计、太阳全辐射表、热线风速仪等传感器测量温度、热流密度、太阳辐射强度和空气流速等参数。采集数据后可获得一定的热边界条件和相应的动态传热结果。实验结果可与数值模拟结果对比验证。

特朗伯集热墙耦合传热机理和动态传热特性研究

图7 特朗伯集热墙动态传热特性实验示意图(纵剖面)

3. 研究方案

本项目拟采用理论、数值分析和实验相结合的的研究方法对特朗伯集热墙在复杂边界条件下耦合传热的数值模拟和综合传热特性问题进行研究,研究方案如图8

特朗伯集热墙耦合传热机理和动态传热特性研究

图8  研究方案框架图

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