Trombe墙体式太阳能烟囱夏季通风模拟
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太阳能烟囱作为强化建筑自然通风压头和风量的一种手段，得到了越来越多的重视和利用。其本质上是一种热压作用下的自然通风设备，是利用太阳能辐射为空气流动提供浮升力，将热能转化为动能。集热墙又叫特伦布墙，英文名为Trombe wall，它实质上是直接附设在房屋墙面上，且通常设在南向外墙上的一种太阳能加热器。Trombe墙体式太阳能烟囱基本构成如下图，靠内侧的为蓄热墙，用来吸收和存储太阳能；靠外侧的是透光玻璃，当然它也会吸收少量的太阳能，两者夹层构成烟囱流道。下图的a和b分别演示了Trombe墙体式太阳能烟囱冬天采暖和夏天供冷的原理过程。今天，我们针对夏天供冷场景做一个简单的Trombe墙体式太阳能烟囱的数值模拟。 建立如下的二维平面烟囱模型，烟囱高度2m，长度3m，宽度0.1m，烟囱进出口宽度也是0.1m。这里，我们将玻璃和蓄热墙简化成零厚度壁面，注意，如果要模拟太阳能烟囱的瞬态过程，则要考虑蓄热作用，那么玻璃和蓄热墙也要创建计算域，特别是后者。划分四边形结构化网格，单元数7543，最小正交质量1。 湍流模型采用RNG k-e模型，主要是前人研究这个模型对于太阳能烟囱有不错的适应性，当然也不是确定或唯一的。 为了和参考文献[1]实验值对比，我们将内外壁面均设为恒温壁面，实际情况肯定不合适，而是要依据太阳辐照强度和材料特性用热流密度。其他壁面设为绝热壁面。 空气密度模型我们采用Boussinesq假设，对于开式系统，采用外部环境参数作为Boussinesq模型参数，密度1.225kg/m3，参考温度20℃，热膨胀系数0.0034/K（约为1/T）。 这里，我们需要特别注意一个设置，参考值的深度设为3m，其实很好理解，将我们的二维模型沿着屏幕垂直方向拉伸这个距离就是三维模型。这个参考深度会影响与其有关联的积分报表，比如热功率，质量流量等。 壁面温度为30℃时，烟囱流道的速度和温度分布如下，此时流道的质量流量为0.0979kg/s，按烟囱高度折算成每单位长度的质量流量为0.0489kg/s·m。 我们再看一下能量是否达到平衡，功率偏差很小，可以认为计算守恒，同时我们可以看到这个温度下壁面的传热功率200多W。 不同的壁面温度下，单位长度的质量流量计算值和参考文献[1]值对比如下，可以看出计算误差还是比较小的。[1] A parametric study of Trombe walls for passive cooling of buildings著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-07-10
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