引言随着世界经济发展和人民生活水平的提高，能耗特别是建筑能耗日益增加。据住建部测算，2030年左右，我国建筑能耗将达到3.24亿~4.78亿吨标准煤，超过工业能耗成为最大能耗[1-2]。在建筑能耗中，采暖能耗约占建筑能耗的36%，为了减少采暖能耗，采用太阳能等清洁能源进行建筑采暖逐渐受到人们青睐[3]。由法国太阳能实验室Felix·Trombe教授及其合作团队设计的特朗勃墙（Trombe Wall）具有成本低、功耗小、可以改善室内环境等诸多优点，是目前使用最为广泛的太阳能与建筑一体化的设备之一[4-5]。受限于空气的热物理性质，特朗勃墙内空气与集热板的对流换热能力较低，导致特朗勃墙对太阳能的利用效率偏低[6]。因此，诸多学者开始通过流体力学与传热学的基本原理强化特朗勃墙中空气与集热板的对流换热能力提高集热效率[7]。欧阳莉[8]等设计了一种多孔特朗勃，利用多孔介质取代了传统特朗勃墙内的集热板，在增强空气与多孔板换热面积的同时，有效提高特朗勃墙的蓄热能力；之后其对多孔介质的孔隙率与材料进行研究，指出增加多孔介质的孔隙率可以提高固体骨架的温度，提高出风温度；还指出以金属材料作为多孔介质骨架可以提高集热效率，而以非金属材料作为多孔介质骨架可以增加特朗勃墙的蓄热能力[9]。贾斌广[10]等对传统的单风道特朗勃墙进行了结构改进，设计了一种双风道特朗勃墙，通过CFD模拟得到：双风道特朗勃墙的集热效率相比普通特朗勃墙提高了14.12%。张大鹏[11-12]等利用扰流板提高特朗勃墙内空气与集热板的传热能力，集热效率高32.59%，热损系数降低0.9 W/(m2·K)。上述对特朗勃墙的研究多是基于“主动模式”，即通对外界冷空气或室内空气加热提供冷风降低室内的热负荷[13-15]。采用“主动模式”会受外界环境影响造成出风温度的波动，从而影响室内环境的舒适性。因此，本文通过数值模拟的方法对封闭方腔特朗勃墙在典型冬季工况下的运行情况进行分析，并与普通墙体进行比较，从而确定采用“被动模式”的特朗勃墙的运行效果。1模型的建立1.1物理模型利用Gambit 2.4软件建立普通墙体与封闭方腔特朗勃墙体的二维物理模型。普通墙体由20 mm内侧水泥砂浆、180 mm混凝土以及20 mm外侧水泥砂浆组成[16]；特朗勃墙体在普通墙体的外侧水泥砂浆外侧设置集热板与透明盖板等结构。其中集热板为涂抹了太阳能吸收材料的厚度1 mm铝板，吸收率为0.94，透明盖板为厚度为3.2 mm的玻璃，透过率为0.92。物理模型的具体情况如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.012.F001图1物体模型（单位：mm）1.2数学模型封闭方腔特朗勃墙在工作时需要考虑方墙内的空气由温差引起的自然对流。进行普通墙与特朗勃墙的数值模拟时，需要计算连续性方程、动量方程与能量方程[11]。∂ρ∂t+div(ρu⃗)=0 (1)∂(ρui)∂t+div(ρu⃗ui)=div(μgradui)-∂p∂xi+ρ0βT-T0g (2)∂(ρT)∂t+div(ρu⃗T)=div(λcgradT) (3)式中：ρ——空气密度，kg/m3；ρ0——空气参考密度，kg/m3；u⃑——空气的速度矢量；ui——空气沿直角坐标的速度分量，m/s；p——空气的压力，Pa；T——空气温度，K；T0——空气参考温度，K；λ——空气导热系数，W/(m·K)；μ——空气动力黏度，(N·s)/m2；c——空气的比热容，J/(kg·K)；β——空气热膨胀系数，1/K。特朗勃墙集热板与透明盖板之间的温差较大，因此在“被动模式”下，特朗勃墙方腔内空气瑞利数超过临界值，为湍流自然对流。模拟时还需要求解湍流方程。∂∂t(ρk)+∂∂xi(ρkui)=∂∂xi[(μ+μtσk)∂k∂xi]+Gk-ρε (4)∂∂t(ρε)+∂∂xi(ρεuj)=∂∂xi[(μ+μtσε)∂ε∂xi]+ρC1Sε-ρC2ε2k+vε (5)式中：xi——坐标系的方向向量；ε——空气湍动能，J；k——空气耗散率；v——空气黏度，m2/s；C1——计算常数，为湍流时间尺度与应变率的比值；C2、σε——计算常数，分别取1.9、1.2；μt——空气模化黏性系数。1.3定解条件模型的边界条件设置为：（1）特朗勃墙的透明盖板与普通墙的外侧面为对流换热边界条件，对流换热系数为15 W/(m2·K)，外界的温度随时间变化。（2）特朗勃墙与普通墙的内侧为对流换热边界条件，对流换热系数为8 W/(m2·K)，温度为20 ℃。（3）集热板为流固耦合边界条件，其热流密度参考南向太阳辐射。环境温度与太阳辐射强度关系如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.012.F002图2环境温度与太阳辐射强度关系模型的初始温度为0.72 ℃，特朗勃墙与普通墙各组成结构的物性参数如表1所示[16]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.012.T001表1特朗勃墙与普通墙各组成结构的物性参数材料密度/（kg/m3）比热容/［J/（kg·K）］导热系数/［W/（m·K）］黏度/（Pa·s）热膨胀系数/（1/K）空气1.2251 006.430.024 21.79×10-50.003 67水泥砂浆1 807.000840.001.960 0——混凝土600.0001 050.000.497 0——铝2 719.000871.00202.400 0——玻璃2 500.000840.000.760 0——1.4求解设置在确定物理模型与数学模型之后，还需要确定模拟计算的算法、差分格式。模拟的压力与速度耦合方法采用隐式分割算法；压力插值采用交错压力格式；动量、能量、湍动能、扩散率的离散格式为二阶迎风格式。2结果与讨论2.1特朗勃墙的运行情况特朗勃墙内各个结构温度的变化情况如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.012.F003图3特朗勃墙吸热体温度变化由图3可知，在特朗勃墙内，温度从高到低依次为：集热板、空气集热层、透明盖板。特朗勃墙运行的72 h内，集热板、空气集热层、透明盖板温度的变化并不与环境温度、太阳辐射量的变化相同步，其峰值出现在环境温度与太阳辐射的峰值之间。其原因在于特朗勃墙体内侧紧贴由水泥砂浆与混凝土组成的墙体，增加了特朗勃墙体的蓄热能力。此外，环境温度与太阳辐射量的变化并不同步，太阳辐射量与环境温度的峰值出现在12：00与15：00，使集热板、空气集热层、透明盖板温度峰出现的时间值滞后于太阳辐射量的峰值出现的时间。由于特朗勃墙采用“被动模式”，不存在冷风的进入与热风的排出，因此不能采用计算被加热空气吸收热量的方法计算集热效率。由于特朗勃墙紧贴建筑墙体，使特朗勃墙存在一定的蓄热性能，会使特朗勃墙在没有太阳辐射时仍有热效益，因此也不能计算特朗勃墙的瞬时效率而仅能计算平均效率。特朗勃墙太阳辐射量与透明盖板散热通量的关系如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.012.F004图4特朗勃墙太阳辐射量与透明盖板散热通量太阳辐射量为0时，透明盖板仍存在一定的散热通量，即表明特朗勃墙存在蓄热能力，可以将白天吸收的太阳辐射储存在夜间缓慢释放。根据上文所述，直接计算特朗勃墙的辐射吸收量较为困难，特朗勃墙的热散失量可以通过监测集热板的温度得到。因此，特朗勃墙吸收的能量即为图4中太阳辐射量曲线与透明盖板散热通量之间的部分。根据图4中的数值，可以得到72 h的太阳辐射量与透明盖板散热量分别为31.97 MJ与22.23 MJ，运行期间综合效率为30.46%。2.2特朗勃墙与普通墙体的对比分析相同的外界环境条件下特朗勃墙与普通墙的内侧温度变化情况如图5、图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.012.F005图5两种墙体的内侧温度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.012.F006图6普通墙与特朗勃墙热通量由图5可知，特朗勃墙可以通过集热板吸收太阳辐射，其内侧温度远高于普通墙体内侧的温度。此外，特朗勃墙的内侧温度会随着时间的变化而存在较大的周期波动，其温度极差最高达到10 ℃，远高于普通墙体的1.2 ℃。虽然特朗勃墙体的内侧温度波动较大，但当特朗勃墙达到相对稳定的状态后，在整个工作期内其内侧的温度均高于20 ℃。由图6可知，普通墙的热通量为负值，而特朗勃墙为正值，即普通墙会造成室内热量的损失，而特朗勃墙会向室内释放热量。特朗勃墙温度最高时，其热通量最高可以达到77.26 W/m2。结果表明：特朗勃墙不仅可以通过吸收太阳辐射抵消相应区域建筑围护结构的能耗，还可以通过向室内释放热量来进一步减少室内采暖负荷。此外，由于本次研究的特朗勃墙为封闭方腔结构，因此不存在室内输送被加热的新风与室内回风，不会给室内人体造成由送风温度变化而产生的不舒适感。QE=hn(TT,n-Tn)-hnTT,w-Tn=hn(TT,n-TT,w) (6)n=-hn(TT,n-Tn)hnTT,w-Tn=-(TT,n-Tn)TT,w-Tn (7)式中：QE——朗勃墙热效益，W/m2；hn——室内空气与墙壁内侧对流换热系数，W/(m2·K)；n——特朗勃墙的增强因子；TT，n——封闭方腔特朗勃墙内侧温度，℃；TT，w——普通墙体内侧温度，℃；Tn——室内温度，℃。特朗勃墙热效益的定义为特朗勃墙相与普通墙热通量的差值。特朗勃墙的增强因子的定义为单位面积特朗勃墙可以抵消普通墙围护结构热负荷的面积。特朗勃墙的热效益与增强因子随时间的变化情况如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.012.F007图7特朗勃墙热效益与增强因子随时间变化情况由图7可知，72 h内，特朗勃墙的热效益与增强因子随着时间的增加呈周期性变化，其最高值出现在每天的16 h附近。其原因在于特朗勃墙的集热板紧贴水泥砂浆与混凝土组成的墙体，对特朗勃墙起到一定的蓄热作用，使特朗勃墙的热效率的峰值向后延迟，没有与太阳辐射量的变化完全匹配。72 h内，特朗勃墙的平均热通量与增强因子分别为53.91 W/m2与1.91。由此可知，在建筑南侧采用特朗勃墙时，单位面积的特朗勃墙可以抵消1.91 m2普通墙体的建筑围护结构热负荷，能够有效减少建筑采暖的能量损耗。3结语本研究建立了封闭方腔特朗勃墙与普通墙的二维数学模型，并通过72 h的计算，了解特朗勃墙在“被动模式”的运行特性与有益效果。结果表明：（1）特朗勃墙与建筑外墙相结合，其蓄热性能得到加强，导致墙体内温度变化与太阳辐射量与环境温度变化不同步。（2）采用“被动模式”，特朗勃墙体内空气的自然对流使特朗勃墙的热量散失增加，在72 h内特朗勃墙的综合集热效率仅为30.46%。（3）特朗勃墙体在72 h内温度一直高于室内温度，其在抵消围护结构热负荷的同时还会向室内输送热量，从而减少室内采暖负荷。（4）通过对比普通墙体与特朗勃墙体，72 h内，特朗勃墙的平均热通量为53.91 W/m2，单位面积的特朗勃墙可以抵消1.91倍普通墙体的围护结构散热。