内置式PV-Trombe墙空气流动与传热的数值模拟

摘要

绿色建筑技术利用新能源和可再生能源进行供暖通风和空气调节，具有节能环保的优点，是近年来国内外的研究热点课题。Trombe墙是一种利用太阳能进行供暖和通风的建筑节能技术。PV-Trombe墙则通过把太阳能电池贴于 Trombe墙玻璃盖板，从而实现了发电和供暖、通风的联供。然而太阳能电池阻碍了太阳辐射进入Trombe墙流道内部，从得热率的角度看，Trombe墙的太阳能利用效率将降低。为了更好地利用太阳能，本文提出了一种新型内置式 PV-Trombe墙，它将光伏电池贴在 Trombe墙的集热墙表面，太阳辐射完全穿过玻璃盖板进入Trombe墙内，并被集热墙表面的光伏电池和通道内的空气所吸收。其中，一部分太阳能被转换成电能，其余部分则用于加热通道内的空气，实现建筑采暖、通风和发电等功能。
　　本文以水平进口内置式PV-Trombe墙为研究对象，基于计算流体力学原理，运用 FLUENT软件对模型流道内的空气流动情况和对流换热特点进行了模拟研究。采用RNG k–ε湍流模型、DO辐射模型以及SIMPLEC算法对温度场和流场进行计算，得到了流道内空气温度、压力和速度分布的详细结果。文中探讨了太阳辐射和结构尺寸对模型通风和传热性能的影响，分析了流道内部空气的温度、速度、流态、局部换热系数和质量流量以及模型热电性能的变化情况。通过对各变量进行量纲分析，引入无量纲准则数Nu数、Re数、Ra*数和热效率ηth等，基于最小二乘法原理，对各无量纲数进行线性拟合分析，得到了表征内置式PV-Trombe墙通风传热性能的拟合关联式。通过本文研究，得到以下主要结论：
　　（1）流道内部空气沿着宽度方向，温度与速度分布并不是均匀一致。在玻璃盖板和光伏电池的近壁处，存在明显的温度和速度边界层，边界层厚度随着太阳辐射的增强而增大，边界层内温度梯度和速度梯度较大，而远离壁面的主流区，温度和速度变化较为平缓。
　　（2）空气在竖直流道内流动属于有限空间自然对流，其流态可以用以流道宽度b为特征尺寸的Ra*数来判断。通过流线图和理论分析可知，空气的流态随着太阳辐射和高度的增加变化较小，而宽度才是影响流道内空气流动状态的关键参数。
　　（3）流道内空气的局部对流换热系数分布存在入口段和充分发展段两个区段；太阳辐射和模型高度的增加有助于提高模型的通风性能，而空气质量流量随着宽度的增加却出现先增大然后逐渐减小的情况；空气在流道内流动产生的回流会增强局部对流换热系数，却会阻碍空气流动，降低模型通风性能。
　　（4）已经定义出表征模型的平均对流传热系数Nu数、表征模型通风量大小的Re数、表征模型结构尺寸和壁面热流密度变化的Ra*数以及热效率ηth，并通过线性拟合方法得到各无量纲数之间的通用幂函数关联式，为模型计算和工程应用提供参考。

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主要符号表

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 太阳能烟囱强化自然通风技术

1.3 太阳能电池与建筑一体化技术

1.4 本课题的研究内容

第二章 模型的建立及采用的数值方法

2.1 内置式PV-Trombe墙模型的建立

2.2 数值模型

2.3 网格划分

2.4 本章小结

第三章 模型可靠性验证

3.1 CFD模拟数据与本文模拟数据对比

3.2 实验数据与本文模拟数据对比

3.3 本章小结

第四章 内置式PV-Trombe墙自然通风的数值模拟结果分析

4.1 流道内温度场-压力场-速度场分布和流态分析

4.2 流道内温度和速度分布的数值分析

4.3 流道内空气通风传热特性的模拟结果与分析

4.4 本章小结

第五章 内置式PV-Trombe墙通风传热无量纲准则数的线性拟合关联式

5.1 无量纲准则数分析的研究

5.2 线性拟合方法

5.3 结果分析

5.4 本章小结

第六章 全文总结与工作展望

6.1 论文结论

6.2 论文后续工作与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢