駐人月球科研站圍護結構傳熱性能分析

阮昌運,沈 朝,張春曉,潘文特,孟治國,葉罕霖

(1.哈爾濱工業大學 建筑學院,哈爾濱 150090; 2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室(哈爾濱工業大學),哈爾濱 150090;3.吉林大學 地球探測科學與技術學院,長春 130026;4.中國空間技術研究院 錢學森空間技術實驗室,北京 100094)

駐人月球科研站是人類推動深空探測和資源開發的必經之路[1]。中、美等航天大國均推出月球科研站建設計劃,將其作為航天事業發展的空間戰略項目。然而,月球存在高強度熱震、超高真空、低重力、強輻射等客觀環境,給月球科研站的建造和運維帶來嚴峻的挑戰。為保障月球科研站中人員的基本生活需求和設備的高效運行,極端條件下的熱環境營造成為了重中之重。目前,對于月球科研站的研究主要集中在總體研究方案、科研站選址、結構設計、能源利用等方面,多以提出設想并輔以論述為主,而對月球科研站的冷熱負荷計算和圍護結構的材料設計等實質性研究較為有限[2-3]。

本研究基于月球表面超常規的太陽輻射和溫度波動,結合有限差分法模擬月球科研站圍護結構的動態傳熱過程,并從導熱系數、密度、比熱容、厚度、表面發射率、室內對流換熱系數、朝向等因素探究了駐人月球科研站圍護結構的保溫隔熱性能,為明晰月球科研站圍護結構的傳熱特性以及材料設計提供理論指導。

1 駐人月球科研站選址分析

Staehle等[4]提出了駐人月球科研站選址需優先考慮的四要素分別是戰略目標、科學目標、操作約束和資源開發。月球極區區域可獲得持續日照,為科研站的能源需求提供保障[5],并且有利于開展永久陰影區的內部勘察和月巖垂直分層研究[6]。但極區有效太陽輻射低,且存在長時間的黑夜情況,不利于月球科研站的長期發展。

月球正面赤道擁有豐富的鈦鐵,可以用于制氧,從礦產資源利用的角度出發該區域更適合建設月球科研站[7]。Taylor等[8]用克萊門汀數據和月球勘探號數據進行分析,發現在史密斯海處建設月球科研站可以很好地滿足科學目標和資源開發。因此,綜合考慮選取赤道附近85.8°E、1.7°N地區為科研站選址進行傳熱性能分析。

2 駐人月球科研站圍護結構傳熱模型

2.1 月表太陽輻射模型

月表太陽輻射研究是建立月球科研站的必經之路,也是深入研究月表溫度分布以及能源利用等方面的基礎。采用行星/月球精密星歷DE430獲取日月空間位置信息和天平動的轉換角序列,并利用美國海軍天文臺推薦的NOVAS源代碼庫,調用歷表等文件信息獲取各坐標軸下的瞬時天球位置。在不考慮地形的條件下,通過幾何方法建立月面太陽輻射模型,如圖1所示,計算出的太陽輻射值與角度如圖2所示。

圖2 月表太陽輻射情況與溫度數值Fig.2 Values of solar radiation and temperature on the lunar surface

月球單位表面的穩態溫度可表示為[9]

(1)

式中:S為月表有效太陽輻射值;Q為內部熱流,取18 mW/m2;σ為玻爾茲曼常數;ε和α分別為月球表面的發射率和反射率,取0.92和0.127[10]。當太陽輻射為零時,月表溫度的取值為日出與日落時溫度的極小值,計算出全年月表溫度,如圖2(b)所示。

2.2 圍護結構傳熱模型

2.2.1 圍護結構外表面凈輻射換熱量計算

如圖3所示,圍護結構外表面受到太陽直接輻射、太陽散射輻射、地球輻射以及月面長波輻射的作用,其凈輻射換熱量計算公式為

圖3 圍護結構外表面換熱示意Fig.3 Schematic representation of heat transfer on the outer surface of the envelope

q0=(1-α1)(qs+qe+qref+qg)-qra

(2)

式中:α1為圍護結構外表面反射率,qs為有效太陽輻射熱,qe為有效地球輻射熱,qref為太陽輻射散射熱,qg為地面長波輻射熱,q0為圍護結構外表面向室內側傳導的熱量,qra為圍護結構外表面熱輻射量。

有關地球輻射對月面的影響,Song等[11]建立了一維非定常模型,定量計算太陽輻射、地球表面輻射和月球內部熱流這3個因素引起的月表溫度變化,結果表明,太陽輻射對月表溫度變化具有顯著的影響,而地球表面輻射引起的變化相對太陽輻射作用較小,因此,在分析月球科研站圍護結構的傳熱時,可忽略地球輻射的影響,即qe=0。

關于月面長波輻射熱qg,設其溫度值為Tg,月球表面發射率為εg,根據角系數相對性有

φg,1Ag=φ1,gA1

(3)

月球表面對月球科研站外表面的總輻射能量為

(4)

(5)

月球表面的漫反射能量主要包括太陽直射的二次反射和熱紅外輻射,在計算月球表面的太陽散射熱qref時,采用朗伯散射原理[12],可得

qref=αIφ1,g

(6)

式中:α為月球表面半球反射率,I為月球表面太陽輻射熱量。

圍護結構外表面輻射量遵循斯蒂芬-波蘭茲曼定律,取圍護結構外表面溫度為T1,發射率為ε1,可得

(7)

有效太陽輻射量qs的計算涉及太陽高度角、太陽方位角以及太陽輻射量。為方便計算,建立空間直角坐標系,以所選月球科研站所在位置為原點,正東方向為x軸,正北方向為y軸,科研站所在位置切面外法向方向為z軸(見圖4)。

圖4 太陽輻射角度關系示意Fig.4 Schematic representation of solar radiation angle

太陽輻射方向向量為

m=(cosαsinβ,cosαcosβ,sinα)

(8)

式中:α為太陽高度角,β為方位角,圍護結構的外法向向量n=(a,b,c)。

則向量n和m夾角為

(9)

qs=Icosθ

(10)

當cosθ≤0時,圍護結構有效太陽輻射qs=0。

2.2.2 差分法計算模型

建立單一圍護結構的基本傳熱方程,首先需要對圍護結構進行空間差分,建立各個溫度節點的熱平衡方程組。由于差分法與DeST所應用的狀態空間法在空間上都具有差分的特點,本文計算模型的單一圍護結構離散溫度節點設置方法與謝曉娜等[13]在DeST計算中所使用的一致,如圖5所示。在空間上將多層材料組成的單一圍護結構劃分為n層,從而確保每層物性均勻,共有n+1個溫度節點,其中,t1和tn+1分別為內外表面溫度節點。圖中虛線將每層平均分為兩個半層,分屬于不同的溫度節點控制。

圖5 圍護結構離散溫度節點示意Fig.5 Schematic representation of discrete temperature nodes of the envelope

于是內表面溫度節點、內部溫度節點、外表面溫度節點的熱平衡方程為

(11)

(12)

(13)

2.2.3 模型驗證

EnergyPlus是一款基于BLAST和DOE-2基礎上開發的建筑能耗模擬軟件,在集成原有優勢的基礎上開發許多新的功能,廣泛運用于建筑能源消耗的全面模擬和經濟分析。

為驗證差分法計算模型的準確性,在哈爾濱市針對六邊形建筑模型,使用EnergyPlus進行對比驗證[14]。該模型上下平面由正六邊形組成(見圖6),邊長分別為1.5、5 m,立面高2.5 m,斜面傾角為30°,在間隔的3個立面分別設有1.5 m×2.5 m的門,結構參數如圖7所示,地面采用40 mm XPS板鋪設。內部邊界條件設置時,將室內空氣溫度設置為20 ℃,人員密度、照明密度、設備密度等內擾量均設置為0,并不考慮新風量帶來的影響;外部邊界條件使用EnergyPlus官方網站提供的典型氣象參數。使用差分法的地面傳熱計算采用鄒平華等[15]推薦的地面當量傳熱系數。

圖6 EnergyPlus負荷計算模型Fig.6 Heating/cooling load calculation model (used in EnergyPlus)

圖7 圍護結構材料示意Fig.7 Schematic representation of envelope material

計算2005年(典型氣象年)1月1日1點—4月30日24點的逐時熱負荷,負荷結果對比表明,兩種計算方法在1月和4月負荷的平均相對誤差為2.9%,2月和3月EnergyPlus計算結果略大于差分法計算結果。EnergyPlus在負荷計算時采用房間熱平衡法,假定各個房間空氣和圍護結構溫度分別一致,列出包括室內熱擾換熱量、圍護結構對流換熱量、新風滲透換熱量、空氣混合換熱量與空氣蓄熱量之間的平衡關系式,從而計算分析整個房間的熱特性。其次,EnergyPlus在圍護結構的熱平衡中使用的是CFT模塊,其計算最基本的方法是狀態空間法,特點是可直接求積分形式的解,且解的穩定性與誤差和時間步長無關。不同的是,差分法將墻體傳熱簡化成一維問題,視室內溫度為單一節點,對圍護結構進行時間與空間尺度的差分,從而保持各節點溫度在時間上的連續,進而分析各節點傳熱特性。如圖8所示,兩種計算方法在趨勢上大致相同,數值上由于計算方法的差異存在微小偏差,因此,差分法可用于月球科研站圍護結構的傳熱特性分析。

圖8 負荷計算結果對比Fig.8 Chart for comparing load calculation results

3 計算結果與分析

對于駐人月球科研站圍護結構的熱防護設計,可以分為防熱層、隔熱層和阻氣層,如圖9所示。根據美國航空航天局PAIDAE項目的實驗結果[16],選取表1所示的材料作為圍護結構研究對象。

表1 材料參數Tab.1 Material parameters

圖9 熱防護結構示意Fig.9 Schematic representation of thermal protection structure

在計算月球科研站的輻射換熱時,計算步長取0.5 h,計算總時長為月球兩天(約地球兩個月),以水平屋頂為基礎研究對象。為保障人體的基本熱舒適要求,圍護結構內表面溫度與室內空氣溫度的差值應小于3 ℃[17],因此,在營造室內20 ℃的默認溫度條件下,將表征基本熱舒適的內表面溫度作為主要研究參數。

3.1 材料物性參數對內表面溫度的影響

內表面對流換熱系數h取5 W/(m2·K)時,各離散節點溫度變化如圖10所示。內表面溫度t1與外表面溫度t6變化存在一定的延遲與衰減,極大值由122 ℃衰減為22.4 ℃,而極小值由-114.6 ℃增加到16.8 ℃,時間均延遲13.5 h,且出現溫度衰減的部位主要在隔熱層,說明隔熱層的材料性能占主導地位。

圖10 圍護結構各層溫度變化Fig.10 Changes in the temperature of different layers of the envelope

由于該結構基本可滿足人體熱舒適要求,以圖9中結構為基礎,對各層厚度、導熱系數等值進行倍率縮放,進而明晰各參數對內表面溫度的影響。

增加圍護結構的厚度是提高保溫隔熱性能最常用的方式之一,為增強月球科研站抵御外界環境變化的能力,對防熱層、隔熱層和阻氣層厚度分別為20、240、20 mm的圍護結構進行倍率放大,圖11為厚度不同時圍護結構的隔熱情況。隨著厚度的增加,內表面溫度的波幅逐漸減小,延遲效果更加明顯,且變化趨勢逐漸變為正弦波動形式。當厚度增加到5倍時,內表面溫度的極值分別為20.1、19.5 ℃,較1.0倍厚度時延遲217.5 h,所以,增加厚度可強化保溫隔熱效果。隨著厚度的增加,科研站圍護結構的重量也不斷增加,導致其發射成本與建造成本直線上升。

圖11 不同厚度時內表面溫度變化Fig.11 Changes in the temperature of inner surface with different thicknesses

圖12為改變P(P=cρ)時內表面溫度變化。隨著P的增大,圍護結構的熱惰性變強,溫度波幅也逐漸減小,延遲時間增大,但其與圖11相比變化效果較弱。另外如圖中陰影區所示,隨著P的不斷增大,內表面溫度的變化率也逐漸減小,對室溫的影響逐漸削弱。上述結果表明,P的增大提高了圍護結構的隔熱效果,但是材料密度的增大提高建造的經濟成本,因此,月球科研站的圍護結構可選擇低密度、高比熱的材料。

圖12 不同P時內表面溫度變化Fig.12 Changes in the temperature of inner surface with different P values

圖13為導熱系數λ影響下表面溫度的變化。隨著導熱系數的降低,對溫度削減的效果越明顯,同時存在一定的延遲效果。當導熱系數降低到0.10λ時,溫度峰值由22.4 ℃降低為20.2 ℃,且峰值時間延遲了105 h,夜間的內表面溫度提升到19.6 ℃,說明圍護結構的隔熱性能顯著提升。因此,降低圍護結構各層導熱系數,有利于提高月球科研站的保溫性能。

圖13 不同λ時內表面溫度變化Fig.13 Changes in the temperature of inner surface with different λ values

月球的特殊環境導致月球科研站的內外表面具有不同的傳熱方式。室內側以對流換熱為主導,因此,探究對流換熱系數的影響尤為重要。如圖14所示,隨著室內側對流換熱系數的增加,內表面溫度的波幅逐漸降低,室內溫度對于圍護結構的傳熱影響加劇。但是對流換熱系數的增加和表面溫差的降低對換熱量有著相反的影響,理論上存在一個最優對流換熱系數,使得內表面與室內之間的換熱量最小。

圖14 不同對流換熱系數時內表面溫度變化Fig.14 Changes in the temperature of inner surface with different convective heat transfer coefficients

由于月球環境幾乎不存在大氣層,科研站外表面主要以輻射的形式參與換熱,其反射率與發射率對于月球科研站的能耗具有顯著影響。如圖15所示,發射率的改變主要影響月球科研站夜間的能量發射,而月晝期間影響很小,主要是受太陽輻射的影響;當發射率降低到0.050時,月晝期間的內表面溫度有較明顯的延遲與降低。因此,為減少夜間月球科研站的能量損失,應盡量降低外表面的發射率。

圖15 不同發射率時內表面溫度變化Fig.15 Changes in the temperature of inner surface with different emissivity

3.2 不同朝向對內表面溫度的影響

為探究不同朝向帶來的輻射差異影響,固定圍護結構的材料參數,分別以水平面屋頂、東西南北立面作為研究對象。如圖16所示,各朝向內表面溫度在夜間大致相同,受月面熱輻射的影響較小。由于位于赤道附近,南北立面所受輻射情況大致相同,且在月球日上午時,東立面受到太陽輻射最強,內表面溫度快速升高到22.7 ℃;由于月球表面熱輻射與地表反射的耦合作用,表面溫度峰值大于屋頂峰值22.4 ℃。在月球日下午時,太陽輻射主要位于西立面,因此,西立面溫度升高,其余朝向接收的太陽輻射量降低,內表面溫度也相應降低。在設計圍護結構時,應增加屋頂與東西立面的保溫措施,達到“降峰”的效果,并減少夜間的熱量散失;而南北立面應主要考慮夜間的輻射散熱,可通過調整發射率降低圍護結構的建造成本。

圖16 不同朝向時內表面溫度變化Fig.16 Changes in the temperature of inner surface with different orientations

3.3 不同材料組合的內表面溫度變化

為綜合探究材料參數與外表面發射率對內表面溫度的影響,選取如表2所示的5個組合。熱惰性指標(D)表示受到波動熱作用時,材料層抵抗溫度波動的能力,其數值越大,表明保溫隔熱性能越強。計算公式為

表2 圍護結構材料組合Tab.2 Combination of building envelope materials

(14)

式中:R為材料層熱阻,S為材料層蓄熱系數,λ為導熱系數,T為溫度波動周期(h),δ為材料層厚度。

由圖17可知,當外表面發射率一致時,熱惰性指標越大,內表面溫度的波幅越小,延遲時間越長,即抵抗溫度波動能力越強。可知外表面發射率在一定條件下幾乎不影響溫度的延遲,熱惰性指標越大的組合其延遲情況越明顯。組合2的發射率與熱惰性指標均大于組合1,組合2的延遲情況大于組合1,但其波幅比組合1大;而對比組合1,組合3的波幅更低,延遲能力更強。由此可知,對于不同的圍護結構,應綜合考慮圍護結構的熱惰性和發射率,通過個性化定制方案,設計不同朝向圍護結構的最佳性能參數。

圖17 不同材料組合時內表面溫度變化Fig.17 Changes in the temperature of inner surface with different material combinations

4 結 論

1)當防熱層(Nextel BF-20)、隔熱層(Pyrogel 6650)、阻氣層(Kapton)厚度分別取20、240、20 mm時,水平屋頂內表面溫度極值分別為22.4、16.8 ℃,可滿足人體基本熱舒適要求。

2)厚度和導熱系數對圍護結構傳熱性能影響最為顯著。當厚度增加1倍時,極值溫度由22.4 ℃降到21.2 ℃,但其建造成本也加倍,可通過增加密度較小的隔熱層厚度以及降低導熱系數來提高保溫性能。

3)存在一個最佳對流換熱系數,使得其與室內換熱溫差所決定的換熱量最小。當對流換熱系數由0.5倍增加到1.5倍時,極值溫度由24.7 ℃降到21.6 ℃。應充分考慮換熱量和熱舒適要求確定對流換熱系數。

4)圍護結構的外表面發射率主要決定夜間的散熱量,對于白天的內表面溫度影響較小。當發射率由0.95降低到0.2時,白天的峰值變化很小,而夜間的溫度由16.3 ℃增加到17.4 ℃。

5)綜合考慮保溫特性與建造成本,可根據不同朝向的輻射特點個性化定制具有差異化熱惰性和外表面發射率的材料。