建筑屋頂近壁面湍流動(dòng)能與太陽(yáng)輻射溫差關(guān)系的分析

申慧淵，杜芳莉，羅曉杰，何文博，王巧寧

(西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院，西安 710077)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，一次能源的消費(fèi)量呈現(xiàn)持續(xù)大幅增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，而能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向低碳化、綠色化轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)保持不變[1]。隨著“一帶一路”政策的實(shí)施，預(yù)計(jì)2020～2030年“一帶一路”沿線中38個(gè)國(guó)家的可再生能源裝機(jī)容量將達(dá)到644 GW，風(fēng)能和太陽(yáng)能的總投資可能達(dá)到6440億美元[2]。

在這樣的社會(huì)背景下，建筑與光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合的方式凸顯出了可再生能源的綠色、環(huán)保優(yōu)勢(shì)。將光伏發(fā)電技術(shù)與建筑相結(jié)合形成的光電建筑可直接為其自身供熱及供電，有效緩解了能源供應(yīng)壓力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤炭等化石能源的替代，減少了污染源的排放。而且國(guó)際能源署(IEA) 也曾啟動(dòng)光伏發(fā)電系統(tǒng)(PVPS) Task-10計(jì)劃[3]，以期通過(guò)光電建筑提升居民的生活品質(zhì)。光電建筑行業(yè)將是21世紀(jì)全球范圍內(nèi)最重要的新興產(chǎn)業(yè)之一。

目前，建筑屋頂是光伏組件與建筑物相結(jié)合的主要場(chǎng)所。光伏組件的工作溫度過(guò)高容易導(dǎo)致組件性能的下降[4]，在光電建筑中，對(duì)于置于建筑屋頂?shù)墓夥M件(如圖1所示)而言，光伏組件工作溫度的高低取決于其接收太陽(yáng)輻射的多少、建筑屋頂近壁面的太陽(yáng)輻射溫差(是指因接收太陽(yáng)輻射后形成的屋頂壁面溫度與因接收太陽(yáng)輻射后形成的近壁面空氣溫度之差)，以及建筑屋頂湍流產(chǎn)生的對(duì)流換熱。光伏組件工作溫度的影響原理圖如圖2所示。

圖1 光伏組件與傾斜屋頂相結(jié)合的圖例Fig. 1 PV modules combined with sloping roof

圖2 光伏組件工作溫度的影響原理圖Fig. 2 Schematic diagram of influence of PV modules working temperature

由于建筑周圍的氣體流動(dòng)產(chǎn)生的湍流會(huì)與建筑屋頂之間產(chǎn)生相互作用，影響屋頂接收太陽(yáng)輻射后的得熱量及近壁面的空氣溫升分布，因此，尋找建筑屋頂近壁面的湍流狀態(tài)與太陽(yáng)輻射分布之間的關(guān)系十分必要。本文僅以西安市某未安裝光伏組件的建筑屋頂為例進(jìn)行分析，利用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)技術(shù)，基于ANSYS平臺(tái)，對(duì)夏季時(shí)該建筑屋頂接收太陽(yáng)輻射后的近壁面空氣溫度和建筑屋頂近壁面湍流動(dòng)能進(jìn)行模擬，并且對(duì)建筑屋頂近壁面的湍流動(dòng)能與其太陽(yáng)輻射溫差之間的關(guān)系進(jìn)行了對(duì)比研究，以便于在此研究結(jié)論的基礎(chǔ)上合理調(diào)整光電建筑中光伏組件的安裝方式，最終提高光伏組件的性能。

1 計(jì)算模型

1.1 湍流模型

針對(duì)湍流運(yùn)動(dòng)，采用重整化群k-ε湍流模型[5]進(jìn)行分析。該模型的湍流動(dòng)能方程可表示為[5]：

式中，ρ為空氣密度；k為湍流動(dòng)能；ui為流速分量；xi為笛卡爾坐標(biāo)的張量；ε為湍流動(dòng)能耗散率；μeff為湍流粘性系數(shù)；αk為湍流動(dòng)能k的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；Gk、Gb分別為湍流動(dòng)能生成項(xiàng)和熱浮力項(xiàng)。

該模型的湍流動(dòng)能耗散率方程可表示為[5]：

式中，αε為湍流動(dòng)能耗散率ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；Gε為湍流動(dòng)能耗散率生成項(xiàng)；Cε為與湍流動(dòng)能耗散率相關(guān)的常數(shù)；R為重整化群k-ε湍流模型的附加項(xiàng)。

1.2 太陽(yáng)輻射模型

針對(duì)太陽(yáng)輻射，采用DO模型[5]進(jìn)行分析。太陽(yáng)輻射的能量強(qiáng)度傳播方程為：

式中，I為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；為位置向量；為方向向量；n為折射系數(shù)；a為吸收系數(shù)；σ為玻爾茲曼常數(shù)；T為環(huán)境溫度；σs為散射系數(shù)；A為替代式。

式中，為散射方向的矢量；為立體角；為d 相位函數(shù)。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 建筑屋頂近壁面的湍流動(dòng)能與其太陽(yáng)輻射溫差的關(guān)系

以夏季時(shí)西安市某未安裝光伏組件的建筑屋頂為例進(jìn)行分析。在考慮存在較強(qiáng)對(duì)流換熱的情況下，采用CFD技術(shù)，基于ANSYS平臺(tái)對(duì)該建筑屋頂夏季中午(12:00)時(shí)屋頂近壁面的物理場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖3所示。其中，X軸代表水平來(lái)流方向；Y軸代表屋頂高度處垂直來(lái)流方向。

從圖3中可以看出，建筑屋頂近壁面的空氣溫度分布與屋頂近壁面的湍流動(dòng)能分布之間存在一定相關(guān)性。從圖3a中可以看出，近壁面沿著水平來(lái)流方向，在X=-20 m處存在溫度較高的區(qū)域；尤其是在X=-20 m、Y=±30 m的位置附近，存在明顯的溫度較高的中心區(qū)域。與圖3a的空間位置相對(duì)應(yīng)，在圖3b中，近壁面沿著水平來(lái)流方向在X=-20 m處也存在湍流動(dòng)能較大的區(qū)域；尤其是在X=-20 m、Y=±30 m的位置附近，同樣存在明顯的強(qiáng)湍流動(dòng)能中心。

圖3 夏季中午時(shí)建筑屋頂近壁面的物理場(chǎng)分布Fig. 3 Physical field distribution of near wall of building roof at noon in summer

綜上可知，在建筑屋頂近壁面的絕大部分區(qū)域中，空氣溫度較高的位置，其湍流動(dòng)能也相對(duì)較大，二者存在一定的正相關(guān)性。同時(shí)，從圖3中還可以看出，屋頂近壁面的空氣溫度分布呈現(xiàn)以較高溫度區(qū)域?yàn)橹行闹鸩较蛩闹苓f減的趨勢(shì)，且變化較為平穩(wěn)；而湍流動(dòng)能的分布呈現(xiàn)以高湍流動(dòng)能區(qū)域?yàn)橹行模认蛩闹苓f減然后又略微升高的趨勢(shì)，在空間上的波動(dòng)較為明顯。

為了進(jìn)一步發(fā)掘在空間上波動(dòng)較大的建筑屋頂近壁面的湍流動(dòng)能分布與其太陽(yáng)輻射溫差分布之間的關(guān)系，提取了屋頂中心線上的壁面溫度、近壁面空氣溫度和湍流動(dòng)能數(shù)據(jù)，從而得到太陽(yáng)輻射溫差，并繪制曲線進(jìn)行比較。

沿水平來(lái)流方向，建筑屋頂近壁面的太陽(yáng)輻射溫差ΔT與湍流動(dòng)能k的分布曲線如圖4所示。由圖4可知，在屋頂近壁面，太陽(yáng)輻射溫差與湍流動(dòng)能之間存在正相關(guān)性，二者的變化趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)沿水平來(lái)流方向逐步下降的趨勢(shì)。雖然，湍流動(dòng)能的空間分布出現(xiàn)輕微的起伏，但起伏幅度小于2.5%，不會(huì)影響湍流動(dòng)能的整體下降趨勢(shì)。

圖4 建筑屋頂近壁面的太陽(yáng)輻射溫差與湍流動(dòng)能分布曲線Fig. 4 Distribution curve of solar radiation temperature difference and turbulent kinetic energy near wall of building roof

2.2 小結(jié)

通過(guò)模擬分析得出建筑屋頂近壁面的湍流動(dòng)能與其太陽(yáng)輻射溫差之間存在正相關(guān)性。由于安裝于建筑屋頂?shù)墓夥M件的工作溫度受這2個(gè)因素的影響，過(guò)高的工作溫度會(huì)對(duì)光伏組件性能產(chǎn)生不利影響。因此，基于基本的對(duì)流換熱原理，可利用通風(fēng)流道的對(duì)流散熱將光伏組件周圍溫度降低，從而降低光伏組件的工作溫度，進(jìn)而提高光伏組件性能。而且BRINKWORTH等[6]的研究表明，通風(fēng)流道的對(duì)流散熱可以將光伏組件的工作溫度降低近25%，可有效提升光伏組件的各項(xiàng)性能。因此對(duì)于光電建筑而言，明確建筑屋頂近壁面的太陽(yáng)輻射溫差與其湍流動(dòng)能之間的關(guān)系，可以通過(guò)重新組織屋頂氣流來(lái)改變屋頂壁面溫度及光伏組件的工作溫度，進(jìn)而提高光伏組件的性能，推動(dòng)光伏組件與建筑屋頂更好的結(jié)合。

3 結(jié)論

本文利用CFD技術(shù)，基于ANSYS平臺(tái)對(duì)夏季時(shí)西安市某未安裝光伏組件的建筑屋頂接收太陽(yáng)輻射后的壁面溫度和建筑屋頂近壁面湍流動(dòng)能進(jìn)行了模擬，并且對(duì)建筑屋頂近壁面的湍流動(dòng)能與其太陽(yáng)輻射溫差之間的關(guān)系進(jìn)行了對(duì)比研究，得出了建筑屋頂近壁面的湍流動(dòng)能與其太陽(yáng)輻射溫差之間呈正相關(guān)性的結(jié)論。由于這二者會(huì)對(duì)光伏組件工作溫度產(chǎn)生影響并影響光伏組件性能，因此可以通過(guò)重新組織屋頂氣流來(lái)改變屋頂壁面溫度及光伏組件工作溫度，進(jìn)而提高光伏組件性能。需要說(shuō)明的是，本文僅局限于定性分析相應(yīng)的特性，其定量分析需要之后進(jìn)行進(jìn)一步的研究與擴(kuò)充。