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太阳能供暖蓄热墙体数值模拟研究 1 邓月超 过旸 李庆平 王国建 北京市住宅建筑设计研究院有限公司科研中心 摘 要：针对农村地区采暖问题，本文提出了一种基于太阳能空气集热系统的太阳能供暖蓄热墙 体。太阳能空气集热器产生的热空气白天通过墙体送入室内加热室内环境的同时通过蓄热墙体蓄热； 夜晚蓄热墙体逐渐降低温度，为室内供暖。本文通过数值模拟的方法，建立了该供暖蓄热墙体的数学 模型，分析了该墙体的热性能，从而为太阳能供暖蓄热墙体的优化设计提供参考。 关键词：太阳能空气集热，蓄热墙体；数值模拟 1 引言 我国北部、西北部等地区的太阳能资源非常丰富，收集利用潜力巨大。而往往这部分太阳能资源 丰富的偏远地区，特别是农村地区，采暖方式还是主要围以燃烧生物质能、化石能源的火炉采暖为主 [1] ，这样的采暖方式和能源利用形式，存在环境污染严重，能源利用率低，室内热舒适感差等问题。 作为可再生能源中的一种，太阳能具有清洁、安全、可再生的优势。在各种太阳能利用方式中，太阳 能空气集热技术结构简单、成本低，更容易在农村地区推广应用。 因此，本文针对农村地区采暖问题，同时考虑农村地区技术经济条件，提出一种基于太阳能空气 集热系统 [2-4] 的太阳能供热蓄热墙体，以期解决我国农村地区的采暖问题，为我国偏远地区的采暖提 供一种高效、低成本的技术选择。本文在前期实验的基础上，对太阳能供热蓄热墙体的热性能进行模 拟，分析墙体内部温度及蓄热量，为该供暖墙体的优化运行设计及其高效应用提供参考。 2 基于太阳能空气集热系统的供热蓄热墙体 基于太阳能空气集热系统的供暖蓄热墙体运行原理如图1 所示，供暖日白天房间内的空气在风机 的作用下被送入屋顶的太阳能空气集热系统，吸收太阳辐射能后的热空气被送入空心砖内墙的空气通 道内加热空心砖的同时被送入房间内为房间供暖。夜晚风机关闭，被加热的内墙通过对流与辐射的作 用向室内散热，为房间供暖。 本文研究的蓄热砌块墙长1.76m，高1.14m，厚0.19m，横向由4列390mm ×190mm×190mm的砌块 和1列200mm ×190mm×190mm的砌块组成，纵向由6行砌块组成，其中砌块墙体内部有9个140mm× 120mm×1140mm空气通道。为了提高墙体的导热和蓄热能力，文中采用两个空气通道送风，其它空 气通道填满密实的沙子，蓄热砌块墙体实物如图2所示。 基金项目：北京市自然科学基金资助项目（3172041 ） 1邓月超，女，1984 年生，工学博士，E-mail ：dyc613@163.com，电话地址：北京市东城区东总部胡 同5 号，邮编：100005 图1 太阳能蓄热墙体供暖系统 图2 蓄热砌块墙体实物图 3 数值模拟 图3 为热空气以下进上出方式流入砌块墙单元时的流动与传热过程示意图。经太阳能空气集热系 统加温后的热空气，被输送至砌块层内部的空气通道，由于热空气与砌块层温差较大，在空气通道内 表面形成较强的对流换热，通过对流换热的方式将显热传给砌块层内表面；随着砌块层内表面温度的 上升，所获得的热量将由砌块层内表面以热传导的方式进入到砌块层内部，砌块层内部温度升高，蓄 积热量。 为分析砌块墙体热性能，建立如图4所示的砌块墙体模型，蓄热砌块墙体物性参数如表1所示。在 计算域内流体流动及热量传递满足连续性方程、动量方程、能量方程。同时，选用标准k-ε两方程湍流 模型模拟空气在墙体内的流动。对计算区域生成网格，局部加密处理。采用有限容积法对通用控制方 程进行离散。 墙体蓄热量模型如下式所示。 0.4 0.19 0.76 ( ) ( )( )( )( ( ) (0)) Q τ c ρ x x y y z z T τ T ∑∑∑ ijk ijk i =− i−1 j − i−1 k − k −1 ijk − ijk