太阳房数值模拟结果分析

欧阳焕英

中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600

随着全球经济的快速发展和城镇化水平的提高，城市建筑能耗逐年增长，加上北方地区的供暖能耗占比较大，随之导致的环境污染问题日趋严重，由此近些年国家大力提倡建筑节能和环保，并积极推广绿色建筑在全国范围内的应用。我国幅员辽阔，太阳能资源较为丰富，而充分利用太阳能有效降低建筑供暖能耗正成为主要方向之一。以太阳房为例可有效利用太阳能供暖，节能环保，但其数值研究和成果多基于二维或三维的简化模型，很少对整体房屋实体建模，并进行三维非稳态数值模拟分析。

近些年来，国内外许多学者都对太阳房的数值模拟进行了研究。2013年，Basak Kundakci Koyunbaba和Koray Ulgen等人[1]通过建立太阳房的二维模型，得出模拟结果预测了BIPV型太阳房墙体系统的温度和速度分布。沈娇和李德英[2]等人采用Fluent二维稳态模拟改变太阳房通风口的尺寸大小，分析了太阳房内温度场和速度场的分布，得出结论合理选择太阳房墙体的几何特征参数，有利于提高太阳房墙体的集热性能。2018年，赵志强[3]等人建立了相变材料的太阳房墙体进行二维非稳态传热状态空间模型，模拟数据与实验数据吻合较好。

1 太阳房模型建立与验证

鉴于ANSYS模拟软件诸多的优越性和其他硬件设施的比选，本文拟采用ANSYS16.0进行模型建立和模拟计算。选取基于青藏线试验工程的太阳能房屋的物理模型进行整体建模，进行三维非稳态模拟，并基于青藏线太阳能房屋的测试数据验证本文才用的数值模型和数值方法的有效性，以期得到特朗勃墙建筑研究更加合理有效的数值方法。太阳房物理模型及结构部件如下：

图1 太阳房系统模型示意图

1.1 数值模型

1.1.1 物理模型

青藏线课题组前期对站后试验工程的太阳能房及其性能进行了实验测试和分析，太阳房为对流环路式系统。该试验工程建筑房间正南方向布置。基于此，本文模拟房间简化物理模型如图1所示，目标房间没有与室外相连的墙体，长5.1m，宽3.6m，高3.4m；空气通道宽度为150mm，房间附有窗户，太阳房墙体厚度为240mm。

1.1.2 数学模型

采用的数学模型为三大方程：质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。简化为浮力驱动的自然对流传热问题，自然对流采用标准的Standard κ-ε湍流模型，无其他内热源并且为不可压缩流体，忽略流体中的粘性耗散，同时认为Boussinesq假设成立。

1.2 边界条件

1 ）太阳房的室外温度定义为逐时变化，通过udf简单编写。

2 ）玻璃盖板与窗户：采用第三个边界条件，设置传热系数K和热流都为常量；窗户：采用第三个边界条件，设置对流传热系数K为常数，由太阳辐射通过窗户照射到室内地面的热流边界条件在后面给出。

3 ）集热墙左侧：采用第一个边界条件，定义热流逐时变化，将测试数据编译到udf中。

4 ）集热墙右侧：定义为Couple边界条件。表示此交界面两侧能够导热。

5 ）交界面interface和楼板：太阳房模型中定义的interface接触面均采用绝热边界条件。楼板也使用绝热边界条件。

6 ）其他墙面设置：地面，由于从窗户照进室内地面上的热量一部分被地面吸收，另一部分反射给其他墙面，已知窗户的透射率为0.8，地面吸收率为0.3，反射率为0.7。由窗户的透射率和地面的反射率求得周围墙面的得热量，根据面积比例得出各墙面的热流量，将墙面设置为第一个边界条件，即定热流边界条件。地面定义为绝热边界条件。

7 ）定义其他条件：采用初始测试数据，初始温度设置为268K，初始空气流速为0m/s。为使计算结果尽量接近实际值，残差曲线和能量曲线结果必须在允许的误差范围内，其残差曲线＜10-3，能量曲线＜10-6。为了保证残差曲线在该范围内，经过多次调试，模拟最终采用的时间步长定为0.1s，时步为4000。

2 数值方法验证

为了验证数值模型和方法，选取青藏线测试数据中1月17号的9:35、10:35、12:35、16:00、16:35几个时刻的测试数据进行对比，对比参数有：上通风口温度和风速、下通风口温度和风速和室内温度。

验证结果如图2~6所示。从图中可知，模拟数据基本上符合和实验数据，上下通风口的风速和温度的曲线趋势一致，大部分数据误差在10%左右，最大误差也在20%以内；从图中可以发现模拟结果的上下通风口的风速大于实验风速，分析原因是：在靠近壁面的区域，湍动能被强烈的耗减，而模拟中采用κ-ε为一种高雷诺数模型，对该靠近壁面的区域不再适用，所以导致模拟数据的速度普遍高于测试数据中的速度。由于模拟结果的山下通风口的风速高于实验结果的风速，所以由下通风口带入上通风口的热量在相同时间内就多，所以导致上通风口温度也偏高；从图中可知，下通风口的模拟温度略基本上趋近于测试温度，只有在太阳辐射最高的时刻12:35和早晚时刻两者才有些许误差。模拟的室内温度稍低于测试的室内温度，分析原因为：由窗户照进室内的热量，没有直接施加给室内环境，而是给地面和周围墙壁一个很小的定热流，导致由窗户照进室内的热量经过室内地面反射和吸收之后，热量所剩无几，致使室内温度低于测试值。综上所述，本文模拟与青藏线工程测试数据吻合较好。

图2 上风口风速对比

图3 上风口温度对比

图4 下风口风速对比

图5 下风口温度对比

图6 室内温度对比

3 结论

1 ）本文采用分段函数自定义的方法对逐时室外温度进行定义，将每十分钟的室外温度值用VS软件进行编辑，采用UDF将逐时边界条件导入到ANSYS中，计算特定时刻的模拟结果；玻璃盖板的左侧和窗户设置为第三类边界条件；玻璃盖板右侧设置为第一类边界条件；集热墙的左侧采用热流的分段函数自定义；集热墙的设置为采用Couple边界条件，即考虑墙体的导热；楼板采用第一类边界条件，其他墙体采用定热流的绝热边界条件。

2 ）本文将青藏线工程测试的数据导入特朗勃墙模型中进行计算，并与测试结果进行了对比，完成了对数值模型和方法的有效性验证，为以后太阳房三维模拟提供了方法借鉴。