能源对当今社会和人类未来的发展至关重要，因此可再生能源的投入使用对于缓解能源危机起到了不可或缺的作用^［1］。当前建筑能耗已成为建筑领域的研究热点^［2-3］，将太阳能应用技术和高能耗的建筑相结合是建筑节能的有效途径之一^［4-5］。光伏建筑一体化Trombe（PV−Trombe）墙就是一种利用太阳能的建筑外墙^［6–7］，它可以将太阳能转化为电能供建筑使用，同时还可以利用太阳能板产生的热量加热流道内的空气，最终通过空气将热量传递到室内，从而起到供暖的作用^［8］。竖壁贴附通风是利用送风机将处理好的空气沿着墙壁送出，使空气能够竖直往下流动，在到达水平面后能够扩散得更远，从而有效利用热空气，避免出现因热浮力的作用使热风气流较难到达房间下部的问题，改善大量热空气聚集在房间上部的情况^［9］。但是竖壁通风对于送风速度的要求较高，要使纵深较深的房间舒适性良好且满足房间温度需求就必须增大送风速度，但是无限增大送风速度不仅会造成能源消耗，而且会使得房间的舒适性下降，因此需要对送风温度和送风速度进行合理的选择并考虑将竖壁贴附通风与PV−Trombe墙相结合。对于PV−Trombe墙系统的研究已从理论研究发展到实际应用，再到现在的智能化控制阶段，这为其与竖壁贴附通风的耦合提供了坚实的基础。传统的Trombe墙仅利用太阳能辐射热来强化自然通风实现对建筑室内的供暖^［10］，而未实现光伏光热一体化，不能同时达到发电、供暖的目的。PV−Trombe墙将太阳电池与Trombe墙相结合，能同时产生热能和电能。季杰等^［11］提出了将太阳能光伏电池贴附在Trombe墙系统的玻璃盖板背面的结构，即外置式光伏Trombe墙系统，一种结合了光伏技术和Trombe墙原理的建筑外墙^［11］，并对其做了很多试验研究和理论分析，分析了其在不同电池覆盖率、流动起因、南墙有无外窗及光斑对系统的热电性能的影响^［12］。

综上可知，很少有研究人员将太阳能光伏板和竖壁贴附通风设备放在一起研究。鉴于此，本文提出了一种新型竖壁贴附通风与PV−Trombe墙相结合的办公室建筑系统，旨在探讨两者的耦合关系，通过分析系统的建筑节能效果对其结合形式进行优化，为建筑节能提供新的思路和方法。

以某办公室为原型，按1∶1进行建模。图1为办公室房间模型。房间内部几何尺寸为6.19 m × 2.8 m × 3.44 m。将PV−Trombe墙放置在南墙外立面^［13］，将竖壁贴附通风系统放置在北面的内墙顶部，从而构建PV−Trombe墙和竖壁贴附通风耦合的办公室房间模型。竖壁贴附射流送风口紧贴墙面布置，尺寸为0.05 m × 0.64 m，排风口尺寸为0.2 m × 0.7 m^［14］。PV−Trombe墙系统从室外侧到室内侧依次包括玻璃盖板、光伏电池、吸热板、空气流道和墙，其中空气流道宽度为0.120 m，墙厚度为0.400 m，PV−Trombe墙外形尺寸（高度 × 宽度）为2 m × 1.08 m，光伏电池板表面能产生的热流密度为300 W/m^2[15］。为了便于计算将房间沿x轴正向均分为5个区域，从左至右编号依次为① ～ ⑤，以y轴正向1.8 m处为分界线将每个区域又分为上、下部区域，如图2所示。

图 1

Figure 1

图 1 办公室房间模型 Fig.1 Office room model

图 2

Figure 2

图 2 房间区域划分 Fig.2 Room zoning diagram

利用GAMBIT软件对办公室房间进行物理模型建立和网格划分，如图3所示。为了保证模拟计算的准确性，对送回风口、竖壁通风区域、PV−Trombe墙附近等存在较大温度和速度梯度的区域进行局部网格加密处理，而其他区域网格则较为稀疏。经网格独立性验证后最终确定网格数量为234 110个。

图 3

Figure 3

图 3 办公室房间模型网格划分 Fig.3 Mesh of the office room model

本文模拟时考虑到房间内空气属于不可压缩流体，因此可将其视为理想气体，其密度仅随温度变化，以此确定采用湍流控制方程。采用Boussinesq假设，湍流计算模型采用Standard k−ε模型和增强壁面函数的处理方法，数值计算时采用有限体积法对物理模型进行离散，选择分离隐式求解器并使用SIMPLEC算法。计算时采用稳态求解，收敛的判定条件是房间整体的体积、温度保持不变，以及连续性方程，x、y和z方向的速度，k和ε方程残差均小于10⁻³，能量方程残差小于10⁻⁶。

本文竖壁通风系统的送风口设定为速度入口，回风口设置为压力出口。房间墙的围护结构相关参数分别为内墙温度18.5 ℃、外墙温度16 ℃、天花板温度18 ℃以及地板热流密度21.29 W/m²。在PV−Trombe墙系统中设置光伏电池板背面的热流密度为300 W/m²。

在竖壁贴附通风系统中因射流惯性力与热浮力方向相反，为了阻止热风气流过早、过快上升至房间上部，以保证热风与室内下部空间混合均匀，送风口的送风速度以及温度成为影响房间整体热环境的重要因素。根据文献[16]可知，竖壁贴附通风房间的冬季送风速度宜控制在3.5 ～ 6.0 m/s之间。根据此速度范围通过数值模拟计算出若要使房间下部区域温度达到20 ℃，那么3.5 m/s的送风速度所对应的送风温度应为31.0 ℃，6.0 m/s的送风速度所对应的送风温度应为27.0 ℃。选取模拟工况的送风温度分别为27.0、28.0、29.0、30.0、31.0、32.0 ℃，对应的送风速度分别为 6.0、5.2、4.6、3.9、3.5、3.0 m/s，以分析竖壁贴附通风对室内热环境的影响。模拟后所得结果列于表1中。

表 1 Table 1

表 1 竖壁贴附通风工况及房间平均温度 Table 1 Vertical wall-attached ventilation conditions and average temperatures of the room 工况 送风 温度/℃ 送风速度/ （m·s−1） 上部区域 平均温度/℃ 下部区域 平均温度/℃ 上下部 区域温差 工况一 27.0 6.0 20.40 20.02 0.38 工况二 28.0 5.2 20.51 20.03 0.49 工况三 29.0 4.6 20.61 20.03 0.58 工况四 30.0 3.9 20.69 20.00 0.69 工况五 31.0 3.5 21.53 20.50 1.03 工况六 32.0 3.0 21.72 20.26 1.46

表 1 竖壁贴附通风工况及房间平均温度 Table 1 Vertical wall-attached ventilation conditions and average temperatures of the room

由表1可知，在适当的送风温度与送风速度下，6种工况下下部区域平均温度均达到（20.0±0.5） ℃，满足设计要求。但随着送风温度的提高，上部区域平均温度逐渐升高，同时上下部区域温差也增大，而上部区域平均温度均高于下部区域平均温度。为实现节能，应使房间上下部区域平均温差更小。由表1可以看出，工况一上下部区域温差最小为0.38 ℃，温度均匀性最优；工况四至工况六上下部区域温差均大于 0.68 ℃，其中工况六的温差最大为 1.46 ℃，温度均匀性明显较差。图4为房间下部区域平均温度。从图中可看出：工况一下部区域③的温度相较于其他工况的高，且更接近20 ℃；工况二、三、四、五、六下部区域①、②的温度整体高于工况一的，这使得邻近区域的温差较大从而导致温度分布不均匀；6种工况下部区域④、⑤的温度变化均较小。综上所述，工况一的送风温度和送风速度是竖壁贴附通风较为合理的送风参数。较低风速（3.0 ～ 4.0 m/s）虽可使下部区域达到设计温度，但温度均匀性变差，能耗更高。

图 4

Figure 4

图 4 房间下部区域平均温度 Fig.4 Average temperature in the lower area of the room

耦合系统中竖壁贴附通风系统采用工况一的送风温度及送风速度，PV−Trombe墙系统产生的热量采用热流密度来衡量，将此时的耦合系统定义为工况七。通过模拟确定当竖壁通风系统送风温度由27.0 ℃降为24.5 ℃时下部区域平均温度可达到20.0 ℃，将此时定义为工况八。通过模拟得出每个区域的平均温度，结果如图5所示。从图中可知：工况七下部各区域的平均温度均相对工况一的提高了0.5 ℃，对于上部区域，越靠近PV−Trombe墙区域，温度提高得越多，最高提高了2.3 ℃；工况七上部区域平均温度为21.4 ℃，下部区域平均温度为20.9 ℃，相较于工况一的分别提高了1.0、0.9 ℃；工况七房间整体温度由20.5 ℃提高到21.5 ℃。可见，该耦合系统可使房间整体温度提高，但也会使局部区域温度过高且高于所需要的20.0 ℃，因此可通过降低耦合系统中竖壁通风系统的送风温度降低能源消耗。

图 5

Figure 5

图 5 房间上、下部区域平均温度 Fig.5 Average temperature in the upper and lower areas of the room

由图5可知：工况八上部各区域温度相较于工况七的整体下降约1 ℃，但仍维持在20.0 ℃以上，且下部区域也存在相似情况；工况一与工况八下部区域温度变化趋势基本一致；工况八下部区域①、②的温度更接近设定所需温度20.0 ℃，下部区域③温度未出现骤降，且相比于工况一的高出0.5 ℃；工况一与工况八下部区域④和⑤的温度基本保持不变，工况八区域⑤的温度比工况一的高1.2 ℃。由此说明，增加PV−Trombe墙可使竖壁贴附通风送风温度由原来的27.0 ℃降为24.5 ℃。这不仅可以使室内温度达到所需设定温度，而且根据《实用供热空调设计手册》^［17］可知，供热工况下，室内温度每降低1 ℃，供热能耗降低10％ ～ 15％。该耦合系统可增加室内气流扰动，减少温度不均匀现象的出现，从而降低能耗。

（1）竖壁贴附通风系统的送风参数对办公室热环境影响显著。在送风速度 6.0 m/s、送风温度 27.0 ℃时，房间下部区域平均温度可达到设计值 20.0 ℃，上下部区域温差最小（0.38 ℃），温度分布最均匀；3.0 ～ 4.0 m/s 送风速度工况虽能满足下部区域温度要求，但上下部区域温差均大于 0.68 ℃，温度均匀性较差，能耗更高。

（2）竖壁贴附通风与 PV−Trombe 墙耦合后，房间整体平均温度由 20.5 ℃提升至 21.5 ℃，下部区域平均温度达 20.9 ℃，室内热环境整体得到改善。

（3）将耦合系统中竖壁贴附通风送风温度由 27.0 ℃降至 24.5 ℃，可使下部区域平均温度维持在 20.0 ℃，从而降低电能消耗，实现太阳能高效利用。该耦合系统可增强室内气流扰动，优化温度分布均匀性，为建筑节能提供了新的技术路径。