阮昌運,沈 朝,張春曉,潘文特,孟治國,葉罕霖

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院,哈爾濱 150090; 2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué)),哈爾濱 150090;3.吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長春 130026;4.中國空間技術(shù)研究院 錢學(xué)森空間技術(shù)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(fā)的必經(jīng)之路[1]。中、美等航天大國均推出月球科研站建設(shè)計劃,將其作為航天事業(yè)發(fā)展的空間戰(zhàn)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(huán)境,給月球科研站的建造和運維帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為保障月球科研站中人員的基本生活需求和設(shè)備的高效運行,極端條件下的熱環(huán)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(jié)構(gòu)設(shè)計、能源利用等方面,多以提出設(shè)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(jié)構(gòu)的材料設(shè)計等實質(zhì)性研究較為有限[2-3]。

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

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(yōu)先考慮的四要素分別是戰(zhàn)略目標(biāo)、科學(xué)目標(biāo)、操作約束和資源開發(fā)。月球極區(qū)區(qū)域可獲得持續(xù)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(qū)的內(nèi)部勘察和月巖垂直分層研究[6]。但極區(qū)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(fā)展。

月球正面赤道擁有豐富的鈦鐵,可以用于制氧,從礦產(chǎn)資源利用的角度出發(fā)該區(qū)域更適合建設(shè)月球科研站[7]。Taylor等[8]用克萊門汀數(shù)據(jù)和月球勘探號數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)在史密斯海處建設(shè)月球科研站可以很好地滿足科學(xué)目標(biāo)和資源開發(fā)。因此,綜合考慮選取赤道附近85.8°E、1.7°N地區(qū)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(chǔ)。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(zhuǎn)換角序列,并利用美國海軍天文臺推薦的NOVAS源代碼庫,調(diào)用歷表等文件信息獲取各坐標(biāo)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(shù)值Fig.2 Values of solar radiation and temperature on the lunar surface

月球單位表面的穩(wěn)態(tài)溫度可表示為[9]

(1)

式中:S為月表有效太陽輻射值;Q為內(nèi)部熱流,取18 mW/m2;σ為玻爾茲曼常數(shù);ε和α分別為月球表面的發(fā)射率和反射率,取0.92和0.127[10]。當(dāng)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(jié)構(gòu)傳熱模型

2.2.1 圍護結(jié)構(gòu)外表面凈輻射換熱量計算

如圖3所示,圍護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)外表面向室內(nèi)側(cè)傳導(dǎo)的熱量,qra為圍護結(jié)構(gòu)外表面熱輻射量。

有關(guān)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(nèi)部熱流這3個因素引起的月表溫度變化,結(jié)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(jié)構(gòu)的傳熱時,可忽略地球輻射的影響,即qe=0。

關(guān)于月面長波輻射熱qg,設(shè)其溫度值為Tg,月球表面發(fā)射率為εg,根據(jù)角系數(shù)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(jié)構(gòu)外表面輻射量遵循斯蒂芬-波蘭茲曼定律,取圍護結(jié)構(gòu)外表面溫度為T1,發(fā)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(biāo)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(guān)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(jié)構(gòu)的外法向向量n=(a,b,c)。

則向量n和m夾角為

(9)

qs=Icosθ

(10)

當(dāng)cosθ≤0時,圍護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的基本傳熱方程,首先需要對圍護結(jié)構(gòu)進行空間差分,建立各個溫度節(jié)點的熱平衡方程組。由于差分法與DeST所應(yīng)用的狀態(tài)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(jié)構(gòu)離散溫度節(jié)點設(shè)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(jié)構(gòu)劃分為n層,從而確保每層物性均勻,共有n+1個溫度節(jié)點,其中,t1和tn+1分別為內(nèi)外表面溫度節(jié)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(jié)點控制。

圖5 圍護結(jié)構(gòu)離散溫度節(jié)點示意Fig.5 Schematic representation of discrete temperature nodes of the envelope

于是內(nèi)表面溫度節(jié)點、內(nèi)部溫度節(jié)點、外表面溫度節(jié)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(chǔ)上開發(fā)的建筑能耗模擬軟件,在集成原有優(yōu)勢的基礎(chǔ)上開發(fā)許多新的功能,廣泛運用于建筑能源消耗的全面模擬和經(jīng)濟分析。

為驗證差分法計算模型的準(zhǔn)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(shè)有1.5 m×2.5 m的門,結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖7所示,地面采用40 mm XPS板鋪設(shè)。內(nèi)部邊界條件設(shè)置時,將室內(nèi)空氣溫度設(shè)置為20 ℃,人員密度、照明密度、設(shè)備密度等內(nèi)擾量均設(shè)置為0,并不考慮新風(fēng)量帶來的影響;外部邊界條件使用EnergyPlus官方網(wǎng)站提供的典型氣象參數(shù)。使用差分法的地面?zhèn)鳠嵊嬎悴捎绵u平華等[15]推薦的地面當(dāng)量傳熱系數(shù)。

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

圖7 圍護結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)果略大于差分法計算結(jié)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(jié)構(gòu)溫度分別一致,列出包括室內(nèi)熱擾換熱量、圍護結(jié)構(gòu)對流換熱量、新風(fēng)滲透換熱量、空氣混合換熱量與空氣蓄熱量之間的平衡關(guān)系式,從而計算分析整個房間的熱特性。其次,EnergyPlus在圍護結(jié)構(gòu)的熱平衡中使用的是CFT模塊,其計算最基本的方法是狀態(tài)空間法,特點是可直接求積分形式的解,且解的穩(wěn)定性與誤差和時間步長無關(guān)。不同的是,差分法將墻體傳熱簡化成一維問題,視室內(nèi)溫度為單一節(jié)點,對圍護結(jié)構(gòu)進行時間與空間尺度的差分,從而保持各節(jié)點溫度在時間上的連續(xù),進而分析各節(jié)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(shù)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(jié)構(gòu)的傳熱特性分析。

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

3 計算結(jié)果與分析

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

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

圖9 熱防護結(jié)構(gòu)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(chǔ)研究對象。為保障人體的基本熱舒適要求,圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣溫度的差值應(yīng)小于3 ℃[17],因此,在營造室內(nèi)20 ℃的默認(rèn)溫度條件下,將表征基本熱舒適的內(nèi)表面溫度作為主要研究參數(shù)。

3.1 材料物性參數(shù)對內(nèi)表面溫度的影響

內(nèi)表面對流換熱系數(shù)h取5 W/(m2·K)時,各離散節(jié)點溫度變化如圖10所示。內(nèi)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(xiàn)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(dǎo)地位。

圖10 圍護結(jié)構(gòu)各層溫度變化Fig.10 Changes in the temperature of different layers of the envelope

由于該結(jié)構(gòu)基本可滿足人體熱舒適要求,以圖9中結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),對各層厚度、導(dǎo)熱系數(shù)等值進行倍率縮放,進而明晰各參數(shù)對內(nèi)表面溫度的影響。

增加圍護結(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)構(gòu)進行倍率放大,圖11為厚度不同時圍護結(jié)構(gòu)的隔熱情況。隨著厚度的增加,內(nèi)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?yōu)檎也▌有问?。?dāng)厚度增加到5倍時,內(nèi)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(jié)構(gòu)的重量也不斷增加,導(dǎo)致其發(fā)射成本與建造成本直線上升。

圖11 不同厚度時內(nèi)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(nèi)表面溫度變化。隨著P的增大,圍護結(jié)構(gòu)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(qū)所示,隨著P的不斷增大,內(nèi)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(jié)果表明,P的增大提高了圍護結(jié)構(gòu)的隔熱效果,但是材料密度的增大提高建造的經(jīng)濟成本,因此,月球科研站的圍護結(jié)構(gòu)可選擇低密度、高比熱的材料。

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

圖13為導(dǎo)熱系數(shù)λ影響下表面溫度的變化。隨著導(dǎo)熱系數(shù)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(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)表面溫度提升到19.6 ℃,說明圍護結(jié)構(gòu)的隔熱性能顯著提升。因此,降低圍護結(jié)構(gòu)各層導(dǎo)熱系數(shù),有利于提高月球科研站的保溫性能。

圖13 不同λ時內(nèi)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(huán)境導(dǎo)致月球科研站的內(nèi)外表面具有不同的傳熱方式。室內(nèi)側(cè)以對流換熱為主導(dǎo),因此,探究對流換熱系數(shù)的影響尤為重要。如圖14所示,隨著室內(nèi)側(cè)對流換熱系數(shù)的增加,內(nèi)表面溫度的波幅逐漸降低,室內(nèi)溫度對于圍護結(jié)構(gòu)的傳熱影響加劇。但是對流換熱系數(shù)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(yōu)對流換熱系數(shù),使得內(nèi)表面與室內(nèi)之間的換熱量最小。

圖14 不同對流換熱系數(shù)時內(nèi)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(huán)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(fā)射率對于月球科研站的能耗具有顯著影響。如圖15所示,發(fā)射率的改變主要影響月球科研站夜間的能量發(fā)射,而月晝期間影響很小,主要是受太陽輻射的影響;當(dāng)發(fā)射率降低到0.050時,月晝期間的內(nèi)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(yīng)盡量降低外表面的發(fā)射率。

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

3.2 不同朝向?qū)?nèi)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(jié)構(gòu)的材料參數(shù),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(nèi)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(nèi)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(nèi)表面溫度也相應(yīng)降低。在設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)時,應(yīng)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(yīng)主要考慮夜間的輻射散熱,可通過調(diào)整發(fā)射率降低圍護結(jié)構(gòu)的建造成本。

圖16 不同朝向時內(nèi)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(nèi)表面溫度變化

為綜合探究材料參數(shù)與外表面發(fā)射率對內(nèi)表面溫度的影響,選取如表2所示的5個組合。熱惰性指標(biāo)(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(shù)值越大,表明保溫隔熱性能越強。計算公式為

表2 圍護結(jié)構(gòu)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(shù),λ為導(dǎo)熱系數(shù),T為溫度波動周期(h),δ為材料層厚度。

由圖17可知,當(dāng)外表面發(fā)射率一致時,熱惰性指標(biāo)越大,內(nèi)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(fā)射率在一定條件下幾乎不影響溫度的延遲,熱惰性指標(biāo)越大的組合其延遲情況越明顯。組合2的發(fā)射率與熱惰性指標(biāo)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(jié)構(gòu),應(yīng)綜合考慮圍護結(jié)構(gòu)的熱惰性和發(fā)射率,通過個性化定制方案,設(shè)計不同朝向圍護結(jié)構(gòu)的最佳性能參數(shù)。

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

4 結(jié) 論

1)當(dāng)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(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)對圍護結(jié)構(gòu)傳熱性能影響最為顯著。當(dāng)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(dǎo)熱系數(shù)來提高保溫性能。

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

4)圍護結(jié)構(gòu)的外表面發(fā)射率主要決定夜間的散熱量,對于白天的內(nèi)表面溫度影響較小。當(dāng)發(fā)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(jù)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(fā)射率的材料。