光伏光热墙体结构优化模拟研究.pdf

1、书书书?基金项目?国家自然科学基金青年基金?第一作者简介?李佳琪?女?硕士生?研究方向为光伏?光热综合利用?建筑节能?通信作者简介?刘芳?女?副教授?博士?研究方向为建筑节能?多孔介质传热传质?收稿日期?修回日期?可再生能源?分布式能源?冷热电联供?光伏光热墙体结构优化模拟研究李佳琪?刘?芳?蔡庆峰?王晓梦?王泽林?山东建筑大学 热能工程学院?山东 济南?摘?要?提出?种光伏光热墙体?针对夏季工况?对?种光伏光热墙体的出口温度?空气得热量?光伏板表面温度进行模拟?各模型均由玻璃盖板?光伏板?空气通道?砖墙组成?模型?的光伏板紧贴玻璃盖板内侧?模型?的光伏板置于空气通道中间?模型?在砖墙一侧增设

2、相变材料层?在较小的进口风速下?模型?能得到较高的空气出口温度及较高的空气得热量?模型?光伏板表面温度低于模型?仅高于模型?有利于提高光电转换效率?模型?的综合性能最佳?关键词?光伏光热墙体?相变材料?结构优化中图分类号?文献标志码?文章编号?概述随着经济发展和城市建设不断推进?化石能源消耗持续增加?在全球范围内?建筑能耗约占能耗总量的?左右?为减少建筑能耗?众多学者对太阳能利用进行了广泛研究?太阳能空气集热器是太阳能利用的主要装置之一?太阳能光伏光热系统能够将接收的太阳能同时转化为电和热?特朗伯墙是一种依靠墙体独特的构造设计?无机械动力?无传统能源消耗?仅依靠被动式收集太阳能为建筑供暖的集热

3、墙体?特朗伯墙由法国太阳能实验室主任?教授及其合作者首先提出并实验成功?因此称为?特朗伯墙?众多学者基于特朗伯墙原理进行了实验和模拟研究?等人?研究了不同通风模式下的通风光伏立面墙的电热性能?并针对不同天气条件提出了适当的运行策略?实验结果表明?通风模式可降低光伏组件的工作温度?从而提高系统的发电效率?虞丽丹?对光伏光热墙体系统流道内空气流动的传热特性进行分析?结果表明?可以在允许的范围内尽量增加流道的高度?但流道的宽度一般不宜大于?当高宽比大于?时?更有利于流道内的流动传热?等人?认为对双层幕墙效率影响最大的是气流路径?双层立面结构能够最大限度降低气隙内部空气温度?等人?发现合理的空气流道和

4、风速组合可显著提高光伏系统的电功率输出?等人?提出了一种设置双层相变材料板的特朗伯墙?结果表明?相变材料板可改善建筑围护结构的全年热性能?等人?和?等人?证明了相变材料能够降低建筑能耗?提高用能效率?等人?分析指出?将相变材料与光伏光热系统结合可提高发电效率和热效率?研究表明?光伏板温度上升?光电转换效率下降?而风道与光伏板的结合既有利于光伏板降温?也可以拓宽光伏光热系统在建筑中的应用?本文提出?种光伏光热墙体?针对夏季工况?对?种光伏光热墙体的出口温度?空气得热量?光伏板表面温度进行模拟?物理模型光伏光热墙体高?宽?厚为?第?卷?第?期?年?月煤 气 与 热 力?由室外到室内依次为?玻璃盖板

5、?光伏板?空气通道?砖墙?玻璃盖板高?宽?厚为?光伏板长?宽?厚为?安装在墙体高度中间部分?空气通道进?出口截面尺寸均为?砖墙高?宽?厚为?当设置相变材料时砖墙厚度含相变材料厚度?种光伏光热墙体物理模型见图?各模型均由玻璃盖板?光伏板?空气通道?砖墙组成?模型?的光伏板紧贴玻璃盖板内侧?模型?的光伏板置于空气通道中间?模型?在砖墙一侧增设相变材料层?相变材料选用石蜡?光伏光热墙体各种材料的热物性参数见表?空气密度由数学模型计算得到?图?种光伏光热墙体物理模型表?光伏光热墙体各种材料的热物性参数材料密度?比热容?相变潜热?热导率?玻璃?空气?光伏板?砖墙?固态石蜡?液态石蜡?数学模型?主要数学方

6、程光伏墙体的热量传递主要是沿着墙体厚度方向?为简化计算?进行以下设定?光伏墙体内各层材料均为各向同性?相变过程中?相变材料除了密度发生变化外?比热容?热导率均不变?不考虑相变材料固液两相之间的对流?忽略光伏墙体各层材料之间的接触热阻?空气层连续性方程?式中?散度?空气密度?空气速度矢量?动量方程?()?()?()?()?式中?空气速度分量?空气压力?空气动力黏度?梯度?湍流动能?湍流黏性系数?模型常数?取?湍流动能生成项?湍流耗散率?模型常数?取?模型常数?取?模型常数?取?砖墙传热方程砖墙接收太阳能?热量的传递过程主要为导热?传热方程为?()?式中?墙体材料密度?墙体材料比热容?墙体材料温度?时间?李佳琪?等?光伏光热墙体结构优化模拟研究第?卷?第?期?墙体材料热导率?热源项?指吸收的太阳辐射热?光伏板吸收太阳辐射后?与空气层内空气对流传热?玻璃盖板外表面与室外空气对流传热?玻璃盖板内表面与空气层内空气对流传热?玻璃盖板视为通过大平壁的一维导热?相变材料的能量方程为?式中?相变材料比焓?相变材料显热比焓?相变材料潜热比焓?相变材料温度?相变材料初始温度?相变材料比热容?液相率?相变潜