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輻射的多少、建筑屋頂近壁面的太陽輻射溫差(是指因接收太陽輻射后形成的屋頂壁面溫度與因接收太陽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 太陽輻射模型

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

式中，I為太陽輻射強(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軸代表水平來流方向；Y軸代表屋頂高度處垂直來流方向。

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?，先向四周遞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)，從而得到太陽輻射溫差，并繪制曲線進(jìn)行比較。

沿水平來流方向，建筑屋頂近壁面的太陽輻射溫差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)

通過模擬分析得出建筑屋頂近壁面的湍流動(dòng)能與其太陽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輻射溫差與其湍流動(dòng)能之間的關(guān)系，可以通過重新組織屋頂氣流來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，因此可以通過重新組織屋頂氣流來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。