太阳能主动采暖室内热环境数值仿真

2021-11-17王利霞

计算机仿真 2021年2期

王利霞

(山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西大同 037000)

1 引言

在现有的化石能源不断消减甚至枯竭的威胁下，面对常规能源的缺失，太阳能作为一种清洁型、环保型的可再生能源，开始逐渐发挥其作用，在未来能源组成中占据了重要地位。相对于传统的化石能源来说，太阳能具有污染小、能量大等得天独厚的优势。相对来说，太阳能普及性广且资源十分丰富，据统计平均每日太阳辐射量可以到到4kW每平方米。全年日照时间超过2000小时，是未来能源发展的重要基础。

目前我国对太阳能的运用主要在建筑室内采暖上且已经获取了巨大收益。太阳能采暖主要是指利用太阳能集热区将外部无污染的阳光辐射进行吸收，并将其转化为热能，根据获取的热量进行多质地加工，形成局部高温供给室内[1]。太阳能主动采暖室的具体设计包括了多个复杂的应用模块，一般包括太阳能集热模块、热能控制模块、末端供暖模块、热能储蓄模块、连接模块等等[2]。为了实现系统间的有序性配合，需要在系统搭配和设计中，明确当前采暖室内的环境数值，具体做法就是进行数值模拟。例如运用CFD软件中欧拉朗格模型进行温室内外气流场数据模拟，通过确立当前气流的热工状态，进行室内热环境模拟，或者利用分解炉法根据多项流模型进行数据模拟[3]。此外国外的部分科学家也尝试过利用室内太阳生料的反应机理进行数据模拟，上述多种实验方法虽然均可以进行环境数值模拟，但是因为采暖热环境的多变性，温度场环境场数据映射较长，导致存在流场数值模拟延时，对此设计从基本能量守恒入手，建立计算模型，提出新型太阳能主动采暖室内热环境数值模拟方法。

2 太阳能采暖室热环境数值模拟技术设计

2.1 耦合计算过程

当前太阳能主动采暖室内热环境数值会受到外部空气的实际影响以及太阳辐射源照射的面积影响，想要完成采暖室内热环境的模拟，就需要充分了解室内热能气固耦合过程，包括流动、传热组织与实际温室内复杂流场结果。能够充分反映上述问题及关系的数据关系式即质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程。为此，基于上述方程设计耦合计算过程[4]。同时，为了简化计算耦合过程，设计做出以下假设：

首先，在目前的太阳能主动采暖室中，填充物为不可压缩性空气；其次，主动采暖室中的空气为稳态流动素流特征，再次，此次研究忽略了固体墙壁之间的热辐射；最后，设计采暖室没有明显的空气泄漏。根据以上假设，耦合模型除了上述三种守恒公式外，还添加了紊流流动方程[5]。

在设计的耦合模型中，对于当前太阳能室内多项流运行，需要引入对应积分函数概念，表示不同暖流项之间的空间概念，并对应满足质量、动量、能量、紊流方程。在太阳能主动采暖室内，其核心点在于分布的气相和颗粒相，所以在后续公式中，p代表了各项体积分数，q代表项数。以q项对比温室内颗粒相为例，令其满足质量守恒方程为

(1)

以q项对比温室内颗粒相为例，令其满足动量守恒方程为

(2)

在上述公式中，μq和λq分别代表了当前太阳能温室内，颗粒相实际剪切最高粘度和平均卷曲容积粘度；Fq表示室内空气颗粒相外部体积应力；Flift，q表示颗粒相的最高提升应力，τq表示当前环境温室内应力应变的实际扩张量，其具体计算公式为

(3)

以q项对比温室内颗粒相为例，令其满足能量守恒方程为

(4)

在公式中，hpq代表当前颗粒相的最高比热焓，Sq表示当前太阳能主环境室内，因为阳光照射因素产生的热气源[7]。Qpq表示当前环境室内气相和颗粒相之间的强度转换，hqp代表了当前气相和颗粒相之间的最高焓值[8]。

将上述不同能量方程引入紊流通用公式中，求取关系变量，其通用形式如下

div(ρvφ)=div(Fφgradφ)+Sφ

(5)

在上述公式中：div(Fφgradφ)为当前紊流扩散项，Sφ表示广义源项[9]。

对于耦合计算的边界条件，应该在当前室内对流边界的实际耦合点添加项值。因为太阳光透室内阻隔会带入辐射热源，所以模型利用恒热流代表当前辐射。在室内送风口处，添加实际风速条件和送风温度条件，同时将回风口处的压力调整为0。另外，在模型的边界处，不在流体与非流体间的交界面处添加额外的边界条件，因为此时的室内环境模型截面参数处于未知状态。因此，需要在室内采暖空气与交界面之间补充边界条件，基于此再展开耦合计算[10]。

2.2 离散相轨道模拟

通过耦合计算过程能够判断颗粒相和气相之间的关系。颗粒相和气相在太阳能辐射的作用下，会发生辐射离散现象，因此，本研究还模拟了采暖离散相轨道。

对当前温室流场进行如下理想设定：在耦合作用下，气相气流为完全理想化气流[11]；室内粒子为离散相球体状态，由于表面没有粒子间聚合、碰撞等多类效应，则此时温控室内的颗粒相的运动方程和轨道方程如下

p(t)=div(ρvφ)+Qpq×τq

(6)

(7)

式(6)为当前温室颗粒相运动方程，式(7)为颗粒相轨道方程。

在模拟离散相轨道的过程中，可将温室结构看作为一种旋转轴对称结构，对其的计算控制同样采用二维对称的方式进行。设计采用N-S方程完成离散相轨道模拟，其公式形式为

(8)

在上述公式中，t代表时间；μ代表当前粘性系数；γ代表当前环境下的热能比；k代表当前室内的导热系数；r为当前径向坐标；ρ为环境热像密度；v代表在t时刻的径向速度；P代表环境压强；E为作用下内能。

2.3 室内热负荷计算

由于在太阳能采暖建筑中室内的被动太阳能量同样是环境数值重要的组成成分，且此部分热量不受当前温室流体结构和围护结构传热的衰减影响，因此，需要掌握太阳能采暖室内的热负荷动态规律，进行热量续调，才能最终确定环境数值。

对于采暖室维护结构来说，设计提出的当前温室内热负荷定义表达式如下

HLt=KF(t-tw)ε

(9)

在式(9)中，F为围护结构的面积单位以平方米为基准，K为当前围护结构的热量传导系数；tw为当前供暖室外实际设计温度，ε为当前热负荷系数比[12]。

基于此，设定室内温度为18℃，并判断在此环境中，室内围护结构的热负荷与温度控制稳态负荷的比值为

(10)

此时的HL特指采暖室内温度为18摄氏度时的逐时热负荷。

由此可见，在计算当前室内的离散热负荷之前，还需计算18℃环境下的逐时热负荷。首先计算当前采暖室内屋顶墙体等边缘壁体产生的散热量

(11)

基于此，根据散热量计算逐时热负荷。为满足逐时热负荷的要求，将当前时刻室内负荷的计算过程简化为如下形式

HLt=V0Qt+V1Qt-1-W1HLt-1

(12)

式中，HLτ和HLτ-1为t时刻和t-1时刻的热负荷，Qτ和Qτ-1分别为t时刻和t-1时刻的热度失散量。V0，V1，W1分别为传递函数的系数。对于当前采暖室所使用的喘息函数，与系数W1与当前房间结构和表面特征的实际放热性系数有直接关系，V0和V1还与放热种类有关。

2.4 实现环境数值模拟

上述设计过程设定了太阳能主采暖室的耦合计算模型，对于当前太阳能室内多项流运行，引入对应积分函数概念，并对采暖离散相轨道进行模拟，基于模拟结果换算出室内热负荷情况。根据上述数据，在Matlab仿真平台中完成数据模拟编程，并计算不同典型性特征下空气环境综合温度特征以及热负荷对采暖室影响情况，获取热负荷系数，最终实现太阳能主动采暖室内热环境数值模拟仿真。

在计算当前采暖室结构损失热量时，p值选定为6；q值选定为5。以24小时为模拟周期，连续进行8到9个周期的换算运动。使最终的数据结果趋于稳定。

设定的模拟条件如下：当前太阳能主动采暖室内的太阳辐射吸收率为0.55，采暖室墙壁面黑度取值为0.9，墙壁面换热系数选值为9.25 W/m2·°C。传热函数系数b，c，d的具体取值需要按照上述规则进行，W1取值为-0.94，V1取值为-0.62，V0取值为0.675。为了方便对数据进行分析，表1给出了当前模拟环境的实际外温(℃)。

表1 模拟环境中外温条件图

根据采温定性可以肯定，采温室墙体的热容量和墙体朝向会直接影响当前采暖室内的环境模拟热负荷。所以设计采用多次类比法，将墙体设计成为多项结构，各项容量分别设置为322，480，545，660，875kJ(m2·°C)。

根据仿真结果可以确定不同容量下，室内热负荷变化结果，如图1所示。

图1 热负荷系数

根据图1可以看出，5种不同的墙体中，墙体1的热负荷系数波动范围最大反之墙体5的波动范围最小。核心原因在于墙体的实际传热衰减和滞后，此时墙体热容和蓄能越大，波幅衰减也就越大。

根据图1数据，以1∶4∶2.75∶1.15∶1的比例，设置以上五种墙体，然后将流场数据引入到墙体负荷中，再利用公式(9)、(10)、(11)进行离散计算，由此可得到离散负荷结果。在此基础上，代入表1中的数值结果，从而得到具体的模拟数值。关系式如下

(13)

式中，σ为当前模拟外温，因为已经将热负荷进行离散，所以不需要额外计算。

3 仿真与结果分析

3.1 仿真目的

设计仿真的目的主要为对比当前太阳能主动采暖室内热环境数值模拟方案的综合性能，为后续太阳能采暖室热环境影响因素判别和采暖策略的设计获取可行性报告。

3.2 测量参数及测点布置

为了确保仿真的顺利进行，需要进行测量的核心参数主要包括当前采暖室内空气温度、空气流速、散热装备特征，内蓄热体特征，壁面辐射因素等。此外对室内热环境的核心影响因素如室外气温条件、围护结构、保温蓄能特性，供暖设备等因素也需要进行测量。参数测点以品字形排列，通过围护结构、窗玻璃等进行热交换测量。具体测点布置如表2所示。