内置翅片型太阳能Trombe墙性能分析与优化

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太阳能作为最主要的清洁能源之一,提高其热利用效率对于实现“双碳”目标具有重大意义。太阳能Trombe墙在降低建筑运行能耗方面存在巨大的技术开发潜力。其中,在Trombe墙吸热面上布置翅片是一种高效的被动式节能技术。本文以寒冷地区的兰州为研究背景,对内置翅片型Trombe墙的翅片参数进行研究,在此基础上对内置翅片型Trombe墙进行性能改进,并对典型办公室使用翅片型Trombe墙的传热性能、热舒适及节能效果进行分析,主要的研究工作如下:(1)研究翅片高度(δ),翅片横向间距(s1)和翅片纵向间距(s2)等参数变化对于顺排布置的矩形翅片型Trombe墙的温度场、速度场、吸热面(?)数、换热量和换热效率等的影响。结果表明:当翅片高度δ=5cm时,吸热面(?)数最大,为140.48,翅片高度的增加对空气通道内的对流换热效果没有明显的提升;翅片横向间距s1=10cm时,吸热面(?)数最大,为165.7,内置矩形翅片型Trombe墙的热性能更好,总换热效率为46.6%,随着翅片横向间距的增加,反而抑制了Trombe墙空气通道内的对流换热;翅片纵向间距的增加有利于增强空气通道内的对流换热,翅片纵向间距s2=10cm时,吸热面(?)数数最大,为161.3,对Trombe墙空气通道的对流换热强化效果最优。(2)研究翅片结构、翅片倾角(θ)以及翅片布置方式的变化对内置翅片型Trombe墙传热性能的影响。结果表明:对于相同翅片表面积的矩形、梯形、三角形、半椭圆形翅片,按照顺排方式布置时,内置半椭圆形翅片的Trombe墙的吸热面(?)数最高,为148.1,说明半椭圆形翅片可以有效改善内置翅片型Trombe墙的热性能,提高换热效率;相比于垂直布置的翅片,带倾角的翅片对空气通道内的对流换热作用更明显,翅片倾角θ=60°时,内置翅片型Trombe墙的吸热面(?)数最大,为158.8;不同的翅片布置形式对Trombe墙内的对流换热也有一定的促进作用,其中错排布置方式对Trombe墙的热性能提升效果更为明显,吸热面(?)数最大,为170,总换热量最高为210.5W,比顺排方式提高了48%。(3)综合考虑吸热面(?)数和总换热量以及换热效率,将强化传热效果最优的半椭圆形翅片交错布置在Trombe墙的吸热面上,研究办公房间在10:00~17:00时间段内,半椭圆形错排布置的翅片型Trombe墙与地板主动供暖方式相结合,对室内气流组织和室内热环境的影响以及热舒适评价。结果表明:与无Trombe墙地板供暖工况相比,本文所设计的翅片型Trombe墙结构在满足室内热舒适性的前提下,可产生53%的节能率。
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