太陽房數(shù)值模擬結(jié)果分析

歐陽煥英

中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提高，城市建筑能耗逐年增長，加上北方地區(qū)的供暖能耗占比較大，隨之導(dǎo)致的環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，由此近些年國家大力提倡建筑節(jié)能和環(huán)保，并積極推廣綠色建筑在全國范圍內(nèi)的應(yīng)用。我國幅員遼闊，太陽能資源較為豐富，而充分利用太陽能有效降低建筑供暖能耗正成為主要方向之一。以太陽房為例可有效利用太陽能供暖，節(jié)能環(huán)保，但其數(shù)值研究和成果多基于二維或三維的簡化模型，很少對整體房屋實(shí)體建模，并進(jìn)行三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬分析。

近些年來，國內(nèi)外許多學(xué)者都對太陽房的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究。2013年，Basak Kundakci Koyunbaba和Koray Ulgen等人[1]通過建立太陽房的二維模型，得出模擬結(jié)果預(yù)測了BIPV型太陽房墻體系統(tǒng)的溫度和速度分布。沈嬌和李德英[2]等人采用Fluent二維穩(wěn)態(tài)模擬改變太陽房通風(fēng)口的尺寸大小，分析了太陽房內(nèi)溫度場和速度場的分布，得出結(jié)論合理選擇太陽房墻體的幾何特征參數(shù)，有利于提高太陽房墻體的集熱性能。2018年，趙志強(qiáng)[3]等人建立了相變材料的太陽房墻體進(jìn)行二維非穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài)空間模型，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

1 太陽房模型建立與驗(yàn)證

鑒于ANSYS模擬軟件諸多的優(yōu)越性和其他硬件設(shè)施的比選，本文擬采用ANSYS16.0進(jìn)行模型建立和模擬計算。選取基于青藏線試驗(yàn)工程的太陽能房屋的物理模型進(jìn)行整體建模，進(jìn)行三維非穩(wěn)態(tài)模擬，并基于青藏線太陽能房屋的測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證本文才用的數(shù)值模型和數(shù)值方法的有效性，以期得到特朗勃墻建筑研究更加合理有效的數(shù)值方法。太陽房物理模型及結(jié)構(gòu)部件如下：

圖1 太陽房系統(tǒng)模型示意圖

1.1 數(shù)值模型

1.1.1 物理模型

青藏線課題組前期對站后試驗(yàn)工程的太陽能房及其性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試和分析，太陽房為對流環(huán)路式系統(tǒng)。該試驗(yàn)工程建筑房間正南方向布置。基于此，本文模擬房間簡化物理模型如圖1所示，目標(biāo)房間沒有與室外相連的墻體，長5.1m，寬3.6m，高3.4m；空氣通道寬度為150mm，房間附有窗戶，太陽房墻體厚度為240mm。

1.1.2 數(shù)學(xué)模型

采用的數(shù)學(xué)模型為三大方程：質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。簡化為浮力驅(qū)動的自然對流傳熱問題，自然對流采用標(biāo)準(zhǔn)的Standard κ-ε湍流模型，無其他內(nèi)熱源并且為不可壓縮流體，忽略流體中的粘性耗散，同時認(rèn)為Boussinesq假設(shè)成立。

1.2 邊界條件

1 ）太陽房的室外溫度定義為逐時變化，通過udf簡單編寫。

2 ）玻璃蓋板與窗戶：采用第三個邊界條件，設(shè)置傳熱系數(shù)K和熱流都為常量；窗戶：采用第三個邊界條件，設(shè)置對流傳熱系數(shù)K為常數(shù)，由太陽輻射通過窗戶照射到室內(nèi)地面的熱流邊界條件在后面給出。

3 ）集熱墻左側(cè)：采用第一個邊界條件，定義熱流逐時變化，將測試數(shù)據(jù)編譯到udf中。

4 ）集熱墻右側(cè)：定義為Couple邊界條件。表示此交界面兩側(cè)能夠?qū)帷?/p>

5 ）交界面interface和樓板：太陽房模型中定義的interface接觸面均采用絕熱邊界條件。樓板也使用絕熱邊界條件。

6 ）其他墻面設(shè)置：地面，由于從窗戶照進(jìn)室內(nèi)地面上的熱量一部分被地面吸收，另一部分反射給其他墻面，已知窗戶的透射率為0.8，地面吸收率為0.3，反射率為0.7。由窗戶的透射率和地面的反射率求得周圍墻面的得熱量，根據(jù)面積比例得出各墻面的熱流量，將墻面設(shè)置為第一個邊界條件，即定熱流邊界條件。地面定義為絕熱邊界條件。

7 ）定義其他條件：采用初始測試數(shù)據(jù)，初始溫度設(shè)置為268K，初始空氣流速為0m/s。為使計算結(jié)果盡量接近實(shí)際值，殘差曲線和能量曲線結(jié)果必須在允許的誤差范圍內(nèi)，其殘差曲線＜10-3，能量曲線＜10-6。為了保證殘差曲線在該范圍內(nèi)，經(jīng)過多次調(diào)試，模擬最終采用的時間步長定為0.1s，時步為4000。

2 數(shù)值方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型和方法，選取青藏線測試數(shù)據(jù)中1月17號的9:35、10:35、12:35、16:00、16:35幾個時刻的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比參數(shù)有：上通風(fēng)口溫度和風(fēng)速、下通風(fēng)口溫度和風(fēng)速和室內(nèi)溫度。

驗(yàn)證結(jié)果如圖2~6所示。從圖中可知，模擬數(shù)據(jù)基本上符合和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，上下通風(fēng)口的風(fēng)速和溫度的曲線趨勢一致，大部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差在10%左右，最大誤差也在20%以內(nèi)；從圖中可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果的上下通風(fēng)口的風(fēng)速大于實(shí)驗(yàn)風(fēng)速，分析原因是：在靠近壁面的區(qū)域，湍動能被強(qiáng)烈的耗減，而模擬中采用κ-ε為一種高雷諾數(shù)模型，對該靠近壁面的區(qū)域不再適用，所以導(dǎo)致模擬數(shù)據(jù)的速度普遍高于測試數(shù)據(jù)中的速度。由于模擬結(jié)果的山下通風(fēng)口的風(fēng)速高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的風(fēng)速，所以由下通風(fēng)口帶入上通風(fēng)口的熱量在相同時間內(nèi)就多，所以導(dǎo)致上通風(fēng)口溫度也偏高；從圖中可知，下通風(fēng)口的模擬溫度略基本上趨近于測試溫度，只有在太陽輻射最高的時刻12:35和早晚時刻兩者才有些許誤差。模擬的室內(nèi)溫度稍低于測試的室內(nèi)溫度，分析原因?yàn)椋河纱皯粽者M(jìn)室內(nèi)的熱量，沒有直接施加給室內(nèi)環(huán)境，而是給地面和周圍墻壁一個很小的定熱流，導(dǎo)致由窗戶照進(jìn)室內(nèi)的熱量經(jīng)過室內(nèi)地面反射和吸收之后，熱量所剩無幾，致使室內(nèi)溫度低于測試值。綜上所述，本文模擬與青藏線工程測試數(shù)據(jù)吻合較好。

圖2 上風(fēng)口風(fēng)速對比

圖3 上風(fēng)口溫度對比

圖4 下風(fēng)口風(fēng)速對比

圖5 下風(fēng)口溫度對比

圖6 室內(nèi)溫度對比

3 結(jié)論

1 ）本文采用分段函數(shù)自定義的方法對逐時室外溫度進(jìn)行定義，將每十分鐘的室外溫度值用VS軟件進(jìn)行編輯，采用UDF將逐時邊界條件導(dǎo)入到ANSYS中，計算特定時刻的模擬結(jié)果；玻璃蓋板的左側(cè)和窗戶設(shè)置為第三類邊界條件；玻璃蓋板右側(cè)設(shè)置為第一類邊界條件；集熱墻的左側(cè)采用熱流的分段函數(shù)自定義；集熱墻的設(shè)置為采用Couple邊界條件，即考慮墻體的導(dǎo)熱；樓板采用第一類邊界條件，其他墻體采用定熱流的絕熱邊界條件。

2 ）本文將青藏線工程測試的數(shù)據(jù)導(dǎo)入特朗勃墻模型中進(jìn)行計算，并與測試結(jié)果進(jìn)行了對比，完成了對數(shù)值模型和方法的有效性驗(yàn)證，為以后太陽房三維模擬提供了方法借鑒。