能源效率的复杂燃烧系统

Eurac Research的科学家正在使用仿真来提高建筑物的能源效率,并增强人们的视觉和热舒适度。


詹妮弗·汉德(Jennifer Hand)
2019年7月

能源效率可以为运营商节省资金,改善乘员的舒适度并减少环境影响,因此,这是任何建筑物和窗帘的关键考虑因素,该术语适用于建筑物信封中的任何开口。窗户,门和天窗的框架,玻璃和阴影附件等组件为能源效率做出了重大贡献。通过控制阳光直射和热量增益,它们可以最大程度地减少眩光。舒适地分发日光;并减少对加热,冷却和人造光的需求。

然而,Fenestration组件的相互作用可能会产生意想不到的影响,并且ISO 15099:2003尚未完全覆盖,该过程提供了确定窗口和门系统的热传输特性的计算过程。该标准不能说明特征,例如阴影系统的复杂几何形状或特定类型的应用涂层,例如高反射性涂料。

“主要问题是,计算的标准方法将任何阴影系统(例如,位于两个玻璃窗格之间的盲人)视为平行层,而不是3D结构,” Bolzano Eurac研究人员Ingrid DeManega解释说。,意大利北部。“盲人的板条被认为是简单的1D开口,即使板条在威尼斯盲人中弯曲,并且仅根据压降来测量对流传热。板条也被认为是理想的弥漫表面。这种方法影响光学建模和热建模的准确性。”(图1)

标准Fenestration系统的示意图。
复杂的Fenestration系统的示意图。
图1.标准(左)和复杂(右)燃烧系统。

由Eurac Research的团队DeManega领导,与研究小组合作在Bozen-Bolzano大学建设物理学方面,着手确定当前建模方法中的限制,并通过比较模拟结果与新方法进行比较在布赞布尔扎诺大学的生活实验室安装的商业宫遗画系统的物理测试(图2)。

生活实验室的照片。
图2.在免费大学布尔扎诺大学的生活实验室设置,包括两个热量板,一个原位由因斯布鲁克大学设计的设备,用于测量整体热通量,以及几个热电偶,用于表面和空气温度测量。

创建新的光学模型

该团队开始模拟的现场燃烧装置是一个三层玻璃系统,该系统结合了两个密封腔,外部腔中有一个集成的盲腔。该盲人具有弯曲的板条,具有高度反射的涂层,旨在阻止太阳辐射,并为建筑物内的人们提供舒适感。第一步是采用光学建模来计算安装吸收的太阳辐射量。

主要的Fenestration仿真工具(例如Window7)基于ISO 15099和放射线方法。但是,可以通过添加更详细的建模数据来修改此问题。与Radiance合作,欧洲小组使用了基于双向散射分布函数的数据。该函数描述了太阳射线的分裂方式以及其强度如何通过表面变化,从而可以将其应用于复杂的几何形状和高度反射表面。通过射线跟踪加每个玻璃和每个阴影组件的分析,团队计算了玻璃系统吸收的太阳辐射的总量。

建模热通量和流体流动

然后将吸收的太阳辐照度分数转移到ComsolMultiphysics®中,以进行全面的热建模。Demanega通过对安装本地安装的Fenestration系统进行建模(图3)进行了网格灵敏度分析(图3)。在临界分析中,她使用了Boussinesq近似值,并认为与Boussinesq近似和可压缩流的不可压缩流。她解释说:“我注意到可压缩流体的仿真时间更长,但结果相似,因此我决定使用不可压缩的液体。”

图像显示Fenestration System模型的正常结构网格。
更粗糙的非结构化网格
Fenestration System模型的正常非结构化网格的图像。
图3.没有百叶窗的标准Fenestration系统的网格类型:正常结构(左),更粗糙的非结构化(中心)和正常的非结构化(右)。

为了计算辐射交换,Demanega使用了地表到表面(放射线)方法进行长波辐射。她还创建了两个辐射组:一个用于第一个腔的内壁和百叶窗,另一个用于第二腔的所有内壁。

“在考虑了不同的方法之后,我选择了使用雷诺数低的K-Epsilon湍流模型来解决流体流问题。这导致了坚固的模拟,并获得了准确的结果。”

Demanega使用中心中的三角形网格和矩形的映射网格,最终确定了设置。“我改变了大小,直到找不到进一步的改进。最后,网格或多或少是20,000个元素”(图4)。

显示Fenrestration系统模型不同腔的网格结果的图像。
Fenestration系统模型的腔边缘附近的网格的特写视图。
图4.从左到右:玻璃窗格,包含盲玻璃的腔,第二玻璃窗格,仅包含氩气和空气的第二腔以及第三玻璃窗格。在这种情况下,两个空腔被密封,未通风。盲人周围和腔边缘附近网格的特写图像。

模拟固定条件

遵循标准的国家室外评级委员会(NFRC)夏季的固定边界条件,将外部温度设置为32°C/89.6°F,内部为24°C/75.2°F,太阳能辐射为783 W/m2。综合盲人以三个单独的位置进行建模:完全闭合(75°角),几乎完全打开(18°),以及(37°)之间的一半(图5)。

标准室内系统中的温度图。
标准窗帘系统中的气流图。
仿真结果显示了复杂的Fenestration系统中的温度。
复杂的Fenestration系统模型的气流图。
图5. CFD的结果显示了对流如何影响标准(左)和复杂(右)的窗口系统中的窗口温度。

团队成员进行了两种类型的模拟。他们使用辐射来进行光学建模来计算太阳辐照度的吸收分数,然后计算出用于传热和流体流量的Comsol多物理学。他们还遵循使用窗口7和ISO 15099计算的标准方法。

作为对照,该团队还使用固定条件进行了有或没有盲目的标准Fenestration系统建模。模拟结果显示,该系统的两种方法之间的对应关系明确,而没有盲目的标准系统,而没有盲目且几乎完美的对应关系。

时间依赖性条件

为了模拟动态行为,团队使用了当地气象站的数据输入光学模拟,并测量了内部和外玻璃的表面温度作为CFD模拟的边界条件。这些边界条件是通过导入具有离散温度值和时间步长为300秒的数据集来实现的。然后将这些值用多项式函数插值,并分配给适当的玻璃面。将窗户系统内表面上热通量的模拟与同一表面上测得的热通量进行了比较(图6)。

比较时间依赖的仿真结果与物理测量结果的图。
使用对称性与物理测量结果比较模拟结果的图。
图6. Bozen-Bolzano大学商业系统的时间依赖性模拟与窗户总高度上内侧的热通量的物理测量之间的对应关系。

Demanega评论说:“我们很高兴在完全封闭的位置找到我们的仿真结果和对百叶窗的物理测量之间的对应关系,尤其是因为在两个不同的环境中进行仿真意味着有可能失败一个或另一个。”

一个非常有用的工具

使用Radiance和Comsol®进行技术的验证意味着,EURAC研究团队现在拥有一种非常有用的工具,可以准确评估组件温度和通过复杂的Fenestration System的热流量。

根据Demanega的说法,结果表明,在热建模之前,详细的光学建模的值是了解原代太阳辐射,以测量由辐射的吸收和重新排放引起的二次热增益。

“特别是,标准方法不能解释温度的垂直分布。重要的是要了解更多有关温度从腔,玻璃窗格和盲人的分布,因为组件温度会影响建筑物外墙的结构完整性和内部舒适的舒适性。”

随着知识的增加,该团队现在正在验证不同盲目位置的方法,并期待将方法应用于包含综合百叶窗的自然通风腔,通常在双层外墙中发现。该团队还在研究如何在建筑行业中传播这些信息,并正在考虑模拟应用程序的可行性,该应用程序可以使复杂的Fenestration Systems对专业人员更广泛地使用。

致谢

这项研究是在该项目FaceCamp n的研究活动框架内开发的。ITAT1039由欧洲区域发展基金和InterReg ITA AUT计划以及“ IBAS - 智能建筑自动化系统优化能源消费和室内环境质量”的项目资助。

Eurac Research的Ingrid Demanega的照片。

EURAC研究初级研究员Ingrid DeManega



Radiance是通过劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)获得加利福尼亚大学摄政的第三方工具。

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