带有肋片的太阳能催化型Trombe墙性能的数值研究

作     者：严融融 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴双应

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：Trombe墙 自然对流 肋片 光催化氧化 热催化氧化 

摘      要：Trombe墙是一种实现建筑节能的被动式太阳能技术,肋片可有效提升其性能。然而目前对于带有肋片的Trombe墙的研究是以实验方法为主,缺乏通过数值模拟方法从微观角度对墙体内部自然对流与传热机理的探究,并且对肋片几何结构和布置方式等因素的影响分析还存在不足,同时对具有室内通风采暖和空气净化双重功能的催化型Trombe墙的研究尚存在空白。因此,本文采用计算流体力学建立了传统Trombe墙、光催化型Trombe墙以及热催化型Trombe墙的三维数值模型,耦合了RNG k-ε湍流模型、S2S辐射模型、对流扩散方程以及催化反应动力学模型。基于建立并验证的数值模型,首先对肋片几何结构与布置方式对传统Trombe墙的热性能的影响展开研究;然后对不同太阳辐射条件下带有竖直肋片的光催化型Trombe墙进行分析和讨论,探究肋片高度和间距对热性能、空气净化性能的影响;最后在热催化型Trombe墙上布置覆盖了热催化层的竖直肋片,研究热性能、空气净化性能以及综合性能随肋片几何结构和环境参数的变化规律。本文的主要研究结论如下:对于带有肋片的传统Trombe墙,出口温度和热效率随竖直肋片高度的增加而增加,热效率随肋片间距的增大先升后降。在所有情况下,布置了竖直肋片的Trombe墙的出口温度和热效率均高于无肋片Trombe墙,通风量则相反。随着水平肋片高度的增加,通风量和热效率先升至峰值然后急剧下降,且不同于对出口温度的影响,较高的肋片对通风量与热效率有显著的负面影响。不同肋片布置方式下热效率均出现了最大值,其中垂直肋片式最大热效率明显较高,其值为59.41%,较无肋片Trombe墙的热效率相对提高了23.7%。对于布置了竖直肋片的光催化型Trombe墙,随着肋片高度增加,出口温度、热效率、甲醛降解率、洁净空气量与净化效率均先上升后降低,总效率在肋片高度为40mm时出现峰值。而随着肋片间距的增大,热效率出现了峰值,而净化效率先降后升,总效率在h=40mm,s=25mm时取得最佳值,不同太阳辐射条件下其总效率相对于无肋片墙体相对提升均超过9%。对于带有竖直肋片的热催化型Trombe墙,随着肋片高度的增加,热性能的变化较小,而净化性能和总效率的变化较显著且均呈单调递增趋势。随肋片间距的增大,热效率出现了峰值,甲醛降解率下降,洁净空气量和净化效率则先增后减。净化效率的最大值相较于无肋片相对提升超1.5倍。总效率在h=40mm,s=16.67mm时出现了最佳值,且在太阳辐射强度为200、400、600、800W/m,总效率分别为64.96%、65.11%、65.49%和65.946%,比没有肋片的热催化型Trombe墙相对提升了42.59%、31.9%、29%和28.48%。此外,随着太阳辐射强度的增强,热性能提高,但空气净化性能下降。随环境温度升高,热效率和净化效率均上升。