הקדמה: השמש Chimneys ו-Power of Computational Fluid Dynamics

בעוד תעשיית המיקום של הבניין נעה לכיוון יותר ויותר עיצובים יעילים ויעילים באנרגיה, אסטרטגיות אוורור טבעיות מקבלות תשומת לב מחודשת.בין אסטרטגיות אלה, ניתוחי כימונים סולאריים עומדים כטכנולוגיה פסיבית שיכולה להפחית באופן משמעותי את ההסתמכות על חימום מכני, אוורור, ומיזוג אוויר (HVAC) מערכות הדמיה חיונית כדי להניע את זרימת השמש, כימטיים מציעים נתיב לשיפור איכות אווירית ונוחות מינימלית עם טיפול אווירית.

הבנה של השמש צ'ימאניס: עקרונות ותפקוד

שימני שמש הוא למעשה מכשיר אוורור פסיבי המשתמש באנרגיה סולארית כדי לגרום לזרימת אוויר דרך בניין.עיקרון הליבה הוא אפקט FLT:0stack EffectFLT:1 - התנועה הטבעית של האוויר הנגרמת על ידי הבדלים בצפיפות עקב וריאציות טמפרטורה.במבנה סולארי, פיר אנכי או חלליות חשופים לשמש.

יעילותו של שימטני סולארי תלויה במספר פרמטרים הקשורים: עוצמת הקרינה הסולארית, הגיאומטריה של השימטני (height, שטח חוצה-שטח, ויחס היבט), התכונות התרמיות של חומרי הקלט והזוהר, ותנאי הרוח החיצוניים.בעיצובים רבים, השיאני משולב בחזית הבניין או גג, עם פני השטח הקולטיים המוכוון למקסימום את התצורה של חום מסוים, בעוד שבתוך כך הוא דורש שינוי חום עמוק בתוך מלכודת, הוא משקף, כלומר, כלומר, כלומר, הוא צורך במלכודת, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, הוא משקף את ההשפעה של חומר עמוק בתוך מערכת העצבים של חומר משקף את ההשפעה של חום עמוק בתוך מלכודת חום עמוק יותר, כלומר, באמצעות מלכודת, הוא צורך במלכודת חום עמוק בתוך מערכת העצבים.

אפקט ה- Stack בפירוט

אפקט הערימה הוא כוח הנהיגה מאחורי כל הווידוי המונע על ידי הצפה, ואת גודלו נשלט על ידי ההבדל בדחיסות האוויר בין הפנימי ומחוץ לקוויני.הלחץ השונה שמניע זרימת האוויר הוא פרופורציונלי לגובה של צ'ימאני ואת ההבדל הטמפרטורה בין האוויר המחמם בתוך האוויר החשבונאות החיצוני לבין האוויר המתפתל בחוץ.

מדוע CFD הוא חיוני עבור ניתוח צ'ימאני השמש

CFD הוא הכלי החזק ביותר זמין לניתוח ביצועי שימני השמש כי זה יכול במקביל לפתור עבור זרימת נוזל, העברה חום וקרינה בתוך גיאוגרפיה מורכבת גיאמטריה, שלא כמו בדיקות ניסיוניות, אשר יקר, זמן רב, מוגבל על ידי מגבלות כלי שיט, CFD מאפשר לחוקרים לחקור מגוון רחב של וריאציות עיצוב ותנאים תפעוליים בסביבה וירטואלית יקר ערך, מודל CFD יכול לחזות את רמות האוויר, במיוחד עבור רמות תאורה קלה יותר, במיוחד עבור מודלים של טמפרטורה נקייה טמפרטורה, עם רמות תאורה מהירה יותר.

תוכנת CFD מודרנית - כגון ANSYS Fluent, OpenFOAM ו COMSOL Multiphysics - מציעה מגוון של מודלים של הפרעות וקרנות כי ניתן להתאים למשטר הזרימה הספציפי של צ'ימיני השמש. רוב זרמי כיני השמש הם מעבר או זעזוע, עם מספרים מצופים בין 103 ל 105 בהתאם ל-105 בהתאם לגיאוגרפיה ולשינוי הטמפרטורה.

פרדוקסים מרכזיים משקיעים באמצעות CFD

  • (FLT:0) התפלגות Temperature: FLT:1 CFD מגלה כיצד הטמפרטורה משתנה לאורך הגובה ומעבר לסעיף הצלב של כימטי, זיהוי כתמים חמים ודפוסי stratification תרמי המשפיעים על זרימה מונחת buoyancy.
  • (FLT:0) זרימת האוויר Velocity ו- Flow Patterns:BuildFLT:1 , Simulated מהירות שדות מראים את אזורי השיקום, פיתוח שכבת הגבולות, והפרדה פוטנציאלית של זרימה שיכולה להפחית את יעילות האוורור.
  • (FLT:0) Pressure Differential: FLT:1 ההבדל בלחץ המניע בין אינסטלציה צ'ימית לבין Outlet הוא מגובש ישירות, ומאפשר למהנדסים לכמת את קצב זרימת האוורור בתנאים סולאריים שונים.
  • (FLT:0)Impact of חיצונית Wind:FLT:1 Wind יכול לשפר או להפיג ביצועים שרימטיים סולאריים בהתאם לכיוון ולמהירות.CD יכול לעצב את האינטראקציה בין זרמים מונעים רוח ובטיחות כדי לקבוע את שיעורי האוורור הנקי.
  • (FLT:0) חומרים ו- Surface Properties:BuildFLT:1) אימפולסיבית השמש, מוליכות תרמית, ושאילות של פני השטח הספוגים משפיעים על כמות החום מועבר לאוויר.
  • (FLT:0) צ'ימי גובה ו- Aspect Ratio:cioFLT ( 1:1 ⁇ ) , 1 גבוה יותר צ'ימונים לייצר אפקטים חזקים יותר ערימה, אבל גובה הוא לעתים קרובות מוגבל על ידי עיצוב בניין.

בניית מודל CFD עבור השמש Chimney Simulation

יצירת מודל CFD מדויק של כימטי סולארי דורש תשומת לב זהירה גיאומטריה, תנאי גבול, מודלים פיזיים.הצעד הראשון הוא לבנות ייצוג תלת-ממדי של כימטי ואת המעטפת הבניין שמסביב. במחקרים רבים, התחום כולל לא רק את צ'ימאני עצמו אלא גם חלק של בניין הפנים והסביבה החיצונית כדי ללכוד בתוך מכלול ולהוביל תנאים ריאליים.

תנאים חמורים הם קריטיים להשגת תוצאות מציאותיות.שטף הקרינה הסולארית מוחל בדרך כלל כתנאי גבול חום פלוקס על פני השטח סופג, עם גודל הנגזר מהנתונים הסולאריים המקומיים או תנאי בדיקה סטנדרטיים.הקירות החיצוניים של צ'ימי לאבד חום לסביבה באמצעות סימולציה וקרינה, כך גם משככי חום מתאימים וטמפרטורה מחממת חייב להיות הlet in thelet of the Sea of the air (מכאן נכנס לחץ אווירי) ויציאה אל תוך כדי לחץ אווירי (מטווח) ואוויר רגיל).

תוצאות CFD

אימות מודלים של CFD נגד נתונים ניסיוניים הוא צעד מכריע כי לעתים קרובות להתעלם בפועל.ללא אימות, אין ערובה כי תוצאות הסימולציה לשקף מציאות.מחקרים אימות חזקים ביותר להשוות תחזיות CFD של קצב זרימת האוויר, עלייה טמפרטורה ופרופילים מהירים עם מדידות ממעבדה בקנה מידה או ניסויים סולריים בקנה מידה מלא מצופה.

אופטימיזציה באמצעות Parametric CFD מחקרים

אחת האפליקציות החזקות ביותר של CFD בעיצוב צ'יליאני סולארי היא אופטימיזציה קצבית.על ידי שינוי שיטתי של הפרמטרים עיצוב מפתח וניהול סדרה של סימולציות, מהנדסים יכולים לזהות את התצורה הממקסימה את קצב זרימת האוורור, מצמצם את עלויות הבנייה, או להשיג שיעור שינוי אוויר יעד גבוה יותר מ- 1D2 מעלות אופטימיזציה הנפוצים ביותר כוללים גובה צ'ימאני, ב-outtttttigital, שטח, ו-iFrelowigating 4D2Dgine:

הכללה היא גורם קריטי נוסף. a אנכית היא התצורה האינטואיטיבית ביותר, אבל כימאים מוטה יכולים ללכוד יותר קרינה סולארית בהתאם לקווי הרוח והכיוון של הבנייה.CD מחקרים הראו כי עבור מיקומים באמצע-la, זווית הטיה של 30-45 מעלות ספציפיות מן האנכי יכול להגדיל את זרימת האוויר על ידי 15-25% לעומת כיפת אנכית אנכית של אותה גובה.

אופטימיזציה Multi-Objective

(בפועל, עיצוב שימני השמש כרוך לעתים קרובות במסחר בין מטרות מתחרות.לדוגמה, הגדלת גובה השיאניני משפר את האוורור אך מוסיף עלות מבנית וניתן להיות מוגבל על ידי בניית קודים או שיקולים אסתטיים.

שילוב של השמש Chimneys עם בניית מערכות וידוי

שרימונים סולאריים משמשים לעתים רחוקות בבידוד.הם בדרך כלל חלק מאסטרטגיה טבעית או היברידית רחבה יותר הכוללת איונים ברמה נמוכה, נתיבי פיתוח צלב, ואולי מערכות גיבוי מכניות. CFD הוא בלתי חוקי לתכנון מערכות משולבות אלה כי זה יכול מודל זרימת האוויר דרך הבניין כולו, לא רק את שימט עצמו.

לדוגמה, אם השימטני גורם זרימה חזקה למעלה אבל אבני הבניין הם בגודל, הירידה בלחץ על פני השטח תגביל את זרימת האוויר הכוללת. CFD יכול לזהות את הגודל והמיקום האופטימלי של inlets כדי להתאים את יכולתה של צ'ימאני באופן דומה, מבנים עם מספר קומות, כינית עשויה להתאים אוויר מקומה נמוכה יותר אלא אם המערכת מיועדת בקפידה סימולציה טכנית כגון: 5.

מחקר: CFD Applied to Real Sun Chimney Project

כמה פרויקטים מחקריים בולטים ויישום בנייה השתמשו ב-CDCD כדי לעצב ולחדד את שימונים סולאריים. מקרה אחד היטב הוא בית שימני השמש הניסויי ב- Yazd, איראן, שבו החוקרים השתמשו ב-CFD כדי לייעל כימי המשולב עם רוח ⁇ .הסימולציות הראו כי שילוב של כיפוף השמש עם רוח מוגברת את שיעור האוורור הכולל על ידי יותר מ -50% לעומת תצורה נאותה של תאים, אפילו אם זה היה צורך בדגימים סטנדרטיים, אז, אז, אז, הוא עדיין נשמר על ידי עיצובים סטנדרטיים סטנדרטיים, אפילו על ידי עיצובים עם מזג האוויר היה צורך ב-CD.

בדוגמה נוספת, בניין משרדים מסחרי באוסטרליה השתמש ב-CDCD כדי לעצב כימאי שמש כי חימום אוויר אוורור בחורף תוך מתן אוורור קירור בקיץ.הסימולציה שנקבעה לריאציות עונתיות בזווית השמש ובעוצמה, כמו גם את דרישות הנוחות התרמית המשתנה.העיצוב צ'ימאני וכתוצאה מכך - עם שכבת אחסון תרמיל משתנה - מושגת של 35%, תוך כדי שמירה על מצב רוח רפאים גבוהה.

שיקולים מעשיים עבור מתרגלי CFD

עבור מהנדסים וחוקרים שרוצים לשלב CFD לתוך זרימת העבודה עיצוב השמש שלהם, כמה שיקולים מעשיים יכולים לשפר את האמינות ושימושיות של הסימולציות. ראשית, התחום חישובי צריך להרחיב הרבה מעבר לשימאני ולבנייה כדי למנוע מגבלות מלאכותיות על זרימת הדם. כלל משותף של אצבע הוא להרחיב את התחום לפחות חמש פעמים את גובה הבניין בכל הכיוונים האופקיים ולפחות שלוש פעמים מעל הגובה מעל פני השטח העליון, אם כי הוא לספוג פונקציונליות נמוכה יותר עם ⁇ .

שלישית, מודל העברת חום רדיואקטיבי צריך להיות שנבחר בקפידה.מודל תואמים דיסקרטי (DO) או מודל פני השטח-קרקע (S2S) משמש בדרך כלל עבור יישומים סולריים, עם מודל DO להיות מדויק יותר עבור השתתפות מדיה אבל גם יותר חישובית משאבים כדי לספוג ביעילות סימולציה כירי השמש היא שקוף לקרינה תרמית, מודל S2S מספק דיוק מספיק עלות גבוהה יותר עבור מחזור זמן מדויק יותר, אבל בדרך כלל צריך להיות יעיל יותר של זמן חישובי לחץ דם קבוע יותר.

גבולות ואתגרים של CFD עבור השמש Chimneys

בעוד CFD הוא כלי חזק מאוד, זה לא ללא מגבלות.אתגר גדול אחד הוא אי הוודאות הטבוע בתנאים גבול, במיוחד סביבת הרוח המקומית ועוצמת הקרינה הסולארית.בניינים הם אף פעם לא במסגרות אחידות לחלוטין, ואפקטים מיקרוקלימיים של מבנים, עצים וטופוגרפיה יכולים לשנות באופן משמעותי את הרוח ואת תנאי השמש שמניעים את דגמי ה-CFD כי מניחים תנאים אידיאליים או פשוטים עשויים לייצר תוצאות מטווח מדויק יותר של תפקודים של חוסר רגישות.

אתגר נוסף הוא העלות החישובית של סימולציות נאמנות גבוהה.דמיית תוספת גדולה (שכבות) או סימולציה eddy סימולציה מנותקת (DES) יכולה ללכוד מבנים סוערים יותר מדויק מאשר דגמי RANS, אבל הם דורשים meshes עם עשרות מיליוני תאים וימים של סימולציה על גבי ערכות ביצועים גבוהים של מערכות ניהול אנרגיה.

ראשי התיבות של Advanced CFD and Smart Sun Chimneys

העתיד של עיצוב שימני השמש יהיה כנראה כרוך אפילו יותר גישות CFD מתוחכמות, כולל סימולציה בזמן אמת ואופטימיזציה המונעת נתונים. כמו טכניקות למידה מכונות בוגר, מודלים חלופיים מאומן על נתונים גדולים של CFD יכול לספק תחזיות מיידיות של ביצועי צ'ימי לכל שילוב של פרמטרים עיצוב - המאפשרים כלים עיצוב אינטראקטיביים כי אדריכלים יכולים להשתמש ללא להיות מומחים CFD.

כיוון מתפתח נוסף הוא השילוב של חומרים של שינוי בשלב (PCMs) לתוך שימאניים סולאריים להרחיב את הניתוח שלהם לתוך שעות הערב. CFD משמש כדי מודל ההמיסה וההרסה של PCMs בתוך קולטן צ'ימי, ללכוד את כלי החום הטרנסנדנטלי ושחרור כי חלק את מחזור האוורור וההתמדהים יותר ויותר.

מסקנה

שימונים סולאריים מציעים מסלול משכנע לאוורור טבעי המפחית את צריכת האנרגיה, משפר את איכות האוויר הפנימית, ומשפר את הנוחות של הדיירים.עם זאת, הביצועים שלהם תלויים בהתנגשות מורכבת של קרינה סולארית, זרימה מונעת על ידי החייאה, העברה חום, ושילוב של ציוד שיהים הכרחיים, תוך כדי הפעלת כוח אנליטי של מודלים של בקרת מחלות אוויריות.