[摘 要]太阳能烟囱的应用可以加强太阳能自然资源的利用,削减不可再生能源的耗费。本文通过使用数值模拟的方法对太阳能烟囱房间的气流流动进行了模拟分析,特别研究了太阳辐射量、环境温度以及太阳能烟囱截面宽度对房间通风量的影响。数值模拟计算结果与理论计算结果吻合很好,为加强房间通风效果提供了理论依据。
[关键词]太阳能烟囱;自然通风;数值模拟
1 引 言
随着能源问题的严重,人们越来越迫切的需要寻找新的能源或者新的能源利用形式来代替常规能源。太阳能是一种清洁卫生的能源,而且用之不尽取之不竭[1]。目前我国的建筑总能耗约占全社会总能耗的25%,民用建筑耗能中住宅又占60%,而在住宅的生活用能中,又以采暖空调耗能最大,约占65%[2]。利用太阳能强化自然通风,不仅可以改善室内热环境,而且可以避免由空调系统所引发的各种“空调病”[3]。国外也有不少这方面的研究,文献[4]理论分析了单个房间中浮力作用的影响,文献[5]从基本的流动控制方程出发分析单层房间由于内外温度不同而造成的浮力作用从而引起强化通风的效果,文献[6]通过实验和数值模拟的方法研究了房间顶部受热强化通风效果的情况。目前利用太阳能的主要结构形式包括:太阳能烟囱、trombe墙以及太阳能空气集热器。文献[3]对太阳能烟囱进行了详细的理论分析,用集总参数法推导出了求解太阳能烟囱诱导的空气质量流量公式,并针对几种不同情况进行了分析比较。本文中笔者采用如图1的物理模型进行太阳能烟囱强化自然通风的数值模拟。太阳能房间长4m,宽3m,高3m。烟囱高3m,烟囱截面宽0•3m,截面长度与房间宽度相同为3m。房间北侧有一窗户位于房间中间,高0•9m,宽度与房间宽度相同也为3m。
2 物理模型与边界条件
计算模型是在三维直角坐标系下求解的,三维直角坐标系下的质量、动量和能量方程的详细内容可参阅文献[7],文献[8]表明适当增加进出口方向上的计算区域长度有助于获得收敛的解。为此,笔者在物理模型长度方向前后各增加1m,高度方向上在烟囱上面增加1m。整个计算区域在壁面和太阳能烟囱处进行了局部加密,x-y截面的网格,z方向采用的是均匀网格。为了消除由于网格粗细对计算结果的影响,笔者还对网格进行了加密,计算结果变化很小,可以忽略,本文最终使用的网格数目为55×53×22。本文结合phoenics3•2程序通过使用simple完成压力场、温度场和速度场的耦合[9]。由于造成房间内密度变化的主要原因是太阳能烟囱内吸热板面与相对板面的辐射热交换,所以辐射模型采用六通量辐射模型。湍流模型选择带有浮力修正的k-ε湍流模型[7,10]。太阳辐射的热量主要集中在吸热板上,本文直接把文献[3]给出辐射热量值编入计算程序中,房间内其它部分不接受太阳辐射,房间中也没有其它的热源。通过计算将太阳辐射能量转变为相对应的温度,这样就可以将吸热板的温度设定为固定值,即可以简化计算,并可以获得与理论分析相同的结果。对于其它壁面温度,认为与大气环境温度相同。本文涉及的边界条件有三种情况:
1)壁面边界条件
壁面被认为无滑移并且绝热,因此在壁面上有:u=v=w= 0,k=ε= 0,qwall= 0式中,u、v、w分别为x、y、z轴方向速度;k为湍流动能;ε为湍流耗散;q为吸热量。壁面附近采用对数定律,对于动量方程,壁面的速度分量为零,扩散系数给出如下表示:
y+≤11•5→γeff=μty+> 11•5→γeff=μty+κ/ln(ey+)
式中,y+=ρc0•25dκ0•5y/μl,y为壁面网格点的垂直距离;γeff为有效扩散系数;μt为湍流扩散系数;κ为卡门系数,可取为0•4187;e为壁面积分常数,可取为9•793;ρ为密度;cd为经验常数;μl为层流扩散系数。对于k方程,扩散系数γk取值和动量方程相同;对于ε方程,没有使用壁面函数,边界处ε可从下面方程直接得到:
ε=c3/4dk3/2/(κy)
2)进口边界条件
u=uin,v=vin,w=win,t=tin,p=pin,m=mink= 3/2(u*)2i2,ε=c0•75dk1•5/l
式中,t为温度;p为压力;m为质量流量;u*为平均流速;i为辐射量,取值为0•02~0•05;l为入口处尺寸。
3)自由边界条件
在自由边界,压力等于环境压力,由此知垂直于自由表面的速度分量为零。允许流体自由进入和离开计算区域。若边界平面垂直于x轴,对于流入与流出平面有:
dudx=dvdx=dwdx= 0,p=patm
对于流入:k=kin,ε=εin,t=tin
对于流出:dtdx=dkdx=dεdx=0本文计算模型对固体墙壁采用壁面函数,对烟囱出口截面和窗户入口没有进行特别的设定,其中气流的运动主要靠其中烟囱浮力引射作用。为了获得较好的收敛结果而对计算区域进行加大,这些被加大的计算区域边界被设置成自由边界。
3 计算结果分析
本文的基本计算物理模型如图1所示,太阳能
27第6a期孙 猛,等:太阳能烟囱强化自然通风的数值模拟辐射量为500w/m2,周围空气温度为20℃,太阳能烟囱截面高度为0•3m。图3是房间宽度方向中间截面的速度场、压力场及温度场分布。从流场图中可以看出,在房间中形成两个较大的涡。在压力场分布曲线中可以看出在太阳能烟囱入口处压力变化梯度很大,而在形成涡的区域压力变化较小。在温度场中可以看出,房间温度分布均匀,除了烟囱内部温度分布变化比较剧烈外,房间内部温度趋于同一。从上面的分析中可以得到这样的结论,太阳能烟囱确实增强了自然通风,增加了新风量,改善了室内空气品质,提高了房间的舒适性。对房间通风量能够造成影响的主要有三个方面的因素,即太阳能辐射能量、环境温度以及太阳能烟囱截面宽度。本文针对这三个因素分别进行了计和讨论。
1)太阳能辐射量的影响
在不改变太阳能烟囱截面高度以及环境温度的情况下通过改变太阳能辐射量大小来考查太阳能辐射量的影响,依次将太阳能辐射量定义为100w/m2、200w/m2、300w/m2、400w/m2、600w/m2、700w/m2和800w/m2,然后分别计算,计算结果如图4。可以看出房间通风量随着太阳辐射能量的增加而增大,这是因为烟囱内空气与房间内空气的温差造成密度差,而形成太阳能烟囱抽吸作用,从而产生浮力作用。当太阳能辐射量增加时,相当于增加了烟囱内气体的温度,从而其密度减小,密度差增大,浮力作用增强,使得房间中的通风量增加。
2)环境温度的影响
在不改变太阳能辐射量以及太阳能烟囱截面高度的情况下通过改变环境温度大小来考查环境温度的影响,笔者依次把环境温度定义为24℃、28℃、32℃、36℃和40℃,然后分别计算,计算结果如图5。可以看出房间通风量随着环境温度的升高而减小,这是因为当太阳辐射量不变时,增加环境温度相当于降低了大气的密度,从而减小了烟囱内气体的密度差,减弱了烟囱内部气体的浮力作用,使房间中的通风量减小。
3)太阳能烟囱截面高度的影响
在不改变太阳能辐射量以及环境温度的情况下通过改变太阳能烟囱截面高度大小来考查太阳能烟囱截面高度的影响,笔者依次把烟囱截面高度改为0•1m、0•2m、0•4m、0•5m、0•6m、0•7m和0•8m,然后分别计算,计算结果如图6。可以看出在太阳能烟囱截面高度较小时,房间通风量随着太阳能烟囱截面高度的增加而增大,但是高度增加到一定程度后,通风量反而随着太阳能烟囱截面高度的增加而减小,这说明太阳能烟囱截面有一个最佳高度,本文计算模型房间的最佳烟囱截面高度为0•4m左右,当然这也与太阳能辐射量有一定的关系。这是因为烟囱截面高度增大时,烟囱内空气的质量增加,但是总的辐射能量是一定的,这就使得烟囱内空气的平均温度降低,密度变化减小,与此相关的浮力作用减弱,从而使得通风量减小。
4 结 论
生态建筑中利用一些特殊的建筑结构来实现太阳能强化自然通风,进行被动式制冷,减少夏季建筑物的空调能耗,这种形式的建筑会越来越受到人们的重视与关注。本文通过数值模拟的方法对一太阳能烟囱房间进行了分析与研究,计算结果表明影响房间通风效果的主要是太阳能辐射能量、环境温度及烟囱截面高度。如果想增强房间的通风效果,可以通过增加吸热板对太阳辐射量的吸收以及选择合适的太阳能烟囱截面高度来实现。
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