状态空间法模拟集热蓄热墙式太阳房热环境
摘要 被动式太阳房的围护结构对其热性能有重大影响. 本文采用状态空间法对具有典型的集热蓄 热墙(Trombe wall)的太阳能建筑建立了较为通用的数学模型,研究分析了 Trombe 墙的各 项物理参数和物性变化对太阳房热性能的影响, 为集热蓄热墙式太阳房的结构设计和选材提 供了参考,同时也为各太阳房之间的比较和太阳房的优化提供了依据. 关键词 状态空间法 集热蓄热墙 太阳能建筑 一,Trombe Wall 简介 对于一个典型的 Trombe 墙,一般是由以下几部分组成: 窗:分为单层窗或双层窗 空气夹层:包括中空或有 PCM 材料 墙体:分不同建筑材料
另外,对于开孔形式又可分为内开孔(与室内换气)和外开孔(与室外换气)的两种 类型.
Upper Ventilation Hole
Glazing Gap Black Surface
Trombe Wall Lower Ventilation Hole
Room
二,基本传热过程 Trombe 墙是集热蓄热的典型代表,它白天时利用厚墙外表面吸收的太阳能,加热玻璃 盖层和厚墙外表面之间的夹层空气, 通过空气流动给室内供热, 同时墙体本身通过导热直接 向室内传热.具有上,下风口的集热墙吸收的太阳辐射热通过两种方式传入室内:一方面热
量从墙体外表面传往墙体内表面, 再由墙体内表面将热量通过对流和辐射传入室内, 另一方 面由集热墙外表面将热量通过对流方式传给夹层空气, 被加热空气通过和房间空气之间的对 流把热量传给房间.同时,集热墙通过玻璃盖层将热量散失到室外. 其基本的传热过程包括以下几部分: 透过体系的透光 透过体系的导热 Trombe 墙体的导热 各表面之间的长波互辐射 外表面与室外空气的对流换热 内表面与室内空气的对流换热 上下通风孔之间由热压导致的通风 三,数学模型 1, 多层玻璃热平衡方程
图 3.2.1.2-1 窗户传热透光示意图 每一层玻璃视为一个温度节点,n 个温度节点的窗体传热计算的热平衡方程组(1)如 下所示:
t Cp 1 kw tw t1 hrr tr t1 k21 t2 t1 q1 C t2 k t t k t t q 12 1 2 32 3 2 2 p M () 1 t Cp n1 kn2,n1 tn2 tn1 kn,n1 tn tn1 qn1 t Cp n ka ta tn hrwalli twalli tn kn1,n tn1 tn qn qr
其中:
C p 表示玻璃的热容;
表示玻璃的密度;
tw 表示室外空气温度; tr 表示天空背景辐射温度;
ta 表示室内空气温度;
twalli 表示窗户内表面可见墙面 i 的表面温度; kw 表示窗户外表面与室外空气的综合传热系数; ka 表示窗户内表面与室内空气的综合传热系数;
ki, j 表示温度节点 i 与 j 之间的综合传热系数;
hrr 是计算窗户外表面和天空之间辐射换热的一个中间参数; hrwalli 是计算窗户内表面和其室内可见表面之间辐射换热的一个中间参数; qr 表示窗户内表面所接收的室内人员,灯光,设备等热扰的辐射热;
qi 表示透光体系各层介质的消光得热,其值由透光部分的计算给出.
2, 集热墙外表面热平衡方程
图 3.2.1.1-1 是一面外墙,左边是外表面,右边是内表面,在空间上离散成四个节点,时间 上保持连续,则可以得到下列热平衡方程:
C p xt 2 (t1 t 2 ) (t3 t 2 ) x x
x x
1 C p xt1 q0 h(t 0 t1 ) (t 2 t1 ) 2 x
(3.2.1.1-2)
C p xt3 (t 2 t3 ) (t 4 t3 )
1 C p xt 4 qr h(t a t 4 ) (t3 t 4 ) hrj (tinnerj t 4 ) 2 x j
, C p , k -材料的密度,比热和导热系数
hout, hin -外表面对流换热系数和内表面对流换热系数
hrj -与第 j 个表面的辐射换热系数
x -节点的厚度
t1 , t 2 , t3 , t 4 -从左到右各节点的温度
tinnerj -第 j 面墙的内表面温度
将 3.2.1.1-2 写成矩阵形式如下: 3, 集热墙气流热平衡方程

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