הבנה של השמש Chimneys: פתרון נטייה עוברית

שימאניים סולאריות הן מכשירים אדריכליים פסיביים המשתמשים בקרינת השמש כדי לגרום לאוורור טבעי בבניינים.על ידי רתום החום של השמש, הם יוצרים הבדל לחץ שמניע את זרימת האוויר ללא צריכת חשמל.זה הופך אותם אבן הפינה של עיצוב בניין אנרגיה נמוכה, במיוחד באקלים חם ומורכב. כיפה סולארית טיפוסית מורכבת מפיר אנכי כהה או מחוספס כי הוא סופג אור השמש הדחוס בתוך האוויר, פחות חם, והוא הופך להיות חם יותר, בתוך החדר האחורי של אוויר חם, הוא פחות חם, הוא חי, או חום פנימי, הוא חיס, הוא חיס, בתוך האוויר, 000, 000, והוא הופך אוויר חם וחום, הוא פחות חם יותר, 000, הוא חיס, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 חם בתוך החדר האחורי של אוויר חם בתוך החדר האחורי של אוויר חם יותר חם בתוך החדר האחורי של אוויר חם בתוך החדר האחורי של אוויר חם בתוך החדר האחורי של אוויר חם בתוך החדר האחורי של אוויר חם בתוך החדר האחורי של אוויר חם, 000, 000, 000, 000, 000, 000,

בניגוד למערכות אוורור מכניות, צ'יליאניות הסולאריות אין חלקים נעים, דורשים תחזוקה מינימלית, ולא לייצר פליטות פחמן מבצעיות.הם יכולים להשתלב בקירות, גגות, או מחוברים למגדלים עומדים.עם זאת, הביצועים שלהם תלויים במידה רבה בגיאומטריה, ברירה חומרית ותנאי אקלים מקומיים.היסטוריים, כירימונים סולאריים שימשו באדריכלות רומית ומזרחית עתיקה, אך כלי חישוביים מודרניים מאפשרים כיום למהנדסים לייעלים לתקני אוויריים לתקני אקלים המתאימים ל- 20:0.

כיצד שמש צ'ימניס עובד: הפיזיקה של זרימת ביו-נהגים

מנגנון הנהיגה מאחורי כימטי השמש הוא כוח החילוף, הידוע גם בשם אפקט הערימה. כאשר קרינה סולארית מכה את הספג של צ'ימאני, טמפרטורת פני השטח עולה, מעביר חום לטור האוויר הסמוך.אוויר חם מתרחב, יורד בצפיפות ועלייה עקב משקל מסוים נמוך יותר בהשוואה לאוויר המתפתל.

מבחינה מתמטית, את ההבדל הלחץ ⁇ p ניתן להשוות על ידי ⁇ p = ⁇ 0gh(Ti-to) / to, שבו ⁇ 0 הוא צפיפות אוויר מסובכת, g הוא הכבידה, h הוא גובה כימטי, Ti הוא ממוצע טמפרטורת אוויר פנימית (K), ו-K) הוא טמפרטורה חיצונית (K) אפילו טמפרטורות צנועות של 5-10 מעלות צלזיוס יכול לייצר ביצועים משמעותיים, יעיל של טמפרטורה סולארית, אך הוא יעיל, אך ורק חומר קרינה, הוא יעיל, הוא יעיל, אך ורק טמפרטורה סולרית, הוא יעיל.

היתרונות והאתגרים של השמש Chimney Ventilation

יתרונות מפתח

  • (FLT:0) חסכון באנרגיה: FLT:1 על ידי הסרת אוורור מכני קירור, כימוני שמש יכולים לקצץ את השימוש בחשמל על ידי 15–50% במבנים פסיביים מעוצבים היטב.
  • (FLT:0) שיפור איכות האוויר הפנימית: ההרחבה האווירית רציפה 1 (Rovern) מקטין את ריכוזי CO2, תרכובות אורגניות נדחות, ומזהמים מקורה.
  • (FLT:0) תחזוקה וארוכותיות: 1FIRLT:1 לא אוהדים, מסננים או דחוסים פירושו עלויות תפעול נמוכות יותר ופחות נקודות כשל.
  • (FLT:0) Cooling: FLT:1 כאשר בשילוב עם אסטרטגיות ערבטיהור, שימונים סולאריים יכולים לבנות מראש מסה בניין, שינוי עומסי קירור הרחק משעות השיא.
  • (ב) אינטגרציה אדריכלית:0) אינטגרציה: עיצובים מודרניים יכולים למזג צ'יליאניות סולאריות לתוך חזיתות, אטריות או מדרגות ללא אסטטיות מגובשות.

אתגרים משותפים

  • (FLT:0) שינוי יכולת: 1) שיעורי וידוי משתנים עם אינטנסיביות סולארית, כיסוי ענן וטמפרטורה חיצונית, עלול לגרום לעומס יתר או מתחת לאוורור.
  • (FLT:0) סיכון Backdraft: 1 בתנאים גבוהים, לחץ חיצוני יכול להפוך את הזרם, למשוך אוויר בחוץ למטה את השימט.
  • דרישות FLT:0 (סעיפים 1:0) דרישות: ⁇ 1 (המיסים היעילים) דורשות לעתים קרובות גובה אנכי משמעותי וחשיפה הדרומית ללא שינוי (חציון הצפוני).
  • (ב) אובדן האברמאל בלילה: 1 ללא בידוד או לחים, צ'ימי יכול לפעול כטביעה חום, איבוד חום מאוחסן במהלך לילות קרים.
  • (FLT:0)Complex Optimization: FLT:1 The interplay of Geo, חומרים ואקלים דורש ניתוח עיצובי רציונטיבי - שבו CFD מצטיין.

Fluid Dynamics (CFD) בעיצוב Sun Chimney

CFD הוא ענף של מכניקת נוזל המשתמש שיטות מספריות לפתרון המשוואות השולטות של זרימה נוזלית (Navier-Stokes משוואות) ומשלוח חום.עבור ניתוח שימטי סולרי, CFD מאפשר למהנדסים מודל buoyancy-oriented זרימה, הגבלת חום (בין סופגן מוצק ואוויר), והחלפת חום בו זמנית.

באמצעות CFD, מעצבים יכולים להעריך אבטיפוס וירטואלי בתנאים גבולות ריאליים - עומסי שמש שונים, פרופילי רוח ובניית לוחות זמנים של דיקור - הרבה לפני שכל בנייה פיזית מתחילה.זה מקטין את העלות והזמן במחזור העיצוב. A טיפוסי FD עבור שימטה סולארית כרוך:

  1. יצירת גאומטריה (באמצעות CAD או Ansys DesignModeler)
  2. דור עם הזיכוך המתאים ליד קירות ובחדרי ה-Chicney Inlet/outlet
  3. הגדרת תנאי גבול (חום שטף, מהירות רוח, טמפרטורה)
  4. בחירת מודלים לפיזיקה (תרגילות: k ⁇ , k ⁇ SST; קרינה: מודל עומס סולארי, מתאמת דיסקרטית)
  5. תצורה Solver (לחץ-Locity הפיכה, קריטריונים של התכנסות)
  6. עיבוד דואר כדי לחלץ קווי מתאר מהירות, שדות טמפרטורה, ושיעורי זרימת ההמונים

מחקר שפורסם בשנת 2021 ב-FLT:0)אנרגיה ו-BuildsFLT ( 1:1) השתמש ב- Ansys Fluent כדי לייעל את זווית הטיה וקליט חומר של כיפת השמש הממוזמנת גג.החוקרים מצאו כי נטייה של 45 מעלות וציפוי סלקטיבי עם אבסורד סולארי גבוה (α 0.95) יכול להגדיל את זרימת האוויר בהשוואה ל-35% מהקוונטים מסורתיים הם תובנות פרקטיות רק באמצעות ציפיות.

ראשי תיבות של Key Parameters Analyzed עם CFD

מהנדסים יכולים לשנות באופן שיטתי עשרות פרמטרים עיצוב במחקר CFD.המשפיעים ביותר הם:

  • (FLT:0) גובה צ'ימי וקוטר: FLT:1) צ'ימינים גבוהים מייצרים יותר מתחי ערימה, אבל גם עלייה במשקל ובעלויות החלל.
  • (FLT:0) חומר וצבע: FIRLT:1 כהה, גבוה-absorptivity משטחים (למשל, מתכת שחורה או בטון מוטען פחמן) להתחמם מהר יותר.
  • (ב) ,0) , זווית של אבולוציה: 1FLT:1ibd Chimneys (למשל, נוטה 30-60 מעלות מאופק) לעתים קרובות לייצר טיוטות חזקות יותר מאשר אנכיים, במיוחד כאשר בשילוב עם תסכול המושרה רוח על המלט.
  • (FLT:0) מכשירים מעצימים ומתגברים: FLT:1; גילוח חלקי של כימיוני במהלך הקיץ יכול להסדיר את החום יתר על המידה, אבל CFD נדרש כדי לכמת את ההחלפה בין זרימה מופחתת לנוחות תרמית.
  • (FLT:0) תופעות רוח אקסטרנטיות: מהירות הרוח והכיוון יכולים לשפר או לעכב את פעולת צ'ימאני.מודלים של CFD יכולים לשלב פרופילי שכבת גבול אטמוספריים כדי להעריך תרחישים חמורים של החזרה.
  • (FLT:0)Glazing type and Location:Falve:1; חיפוי כפול בוהק להפחית את ההפסדים המשתנים מבחוץ תוך העברת קרינה סולארית.
  • (ב) עובי בידוד:0 (בקיצור:0) 1 (מלבד הספיג) מקטין אובדן חום פרסיטי למבנה הבניין, שמירה על אנרגיה רבה יותר בעמודה האוויר.

שיפור עיצוב באמצעות CFD ב Ansys Fluent

הכוח של CFD הוא ביכולתו לחשוף אינטראקציות לא אינטואיטיביות.לדוגמה, עיצוב תמים עשוי להניח כי הפיכת ה- Chimney החוצה כמה גדול ככל האפשר למקסם את זרימת הדם. סימולציות פלונט לעתים קרובות להראות כי שקע רחב מדי מקטין את הלחץ המניע ⁇ , בעוד שהפסדים מתכנסים מעט יכולים להאיץ את האוויר העולה - כמו nozzle., לספוג באופן דומה את כיסוי הרוחי על פני השטח, אך הוא שיפור אפקט ה-Ficupient, אך הוא מסוגל להגביר את אפקט ה-Ficupitated.

אופטימיזציה נפוצה נוספת היא השימוש בחומרי שינוי שלב (PCMs) במגלוט. A סימולציה על ידי חוקרים מאוניברסיטת נוטינגהאם הוכיחו כי הטמעת מחשב מבוסס פרפין מאחורי הספג איפשרה ל-Symney להמשיך לפעול במשך מספר שעות לאחר השקיעה, חלק את מחזור האוורור המלא. Ansys Flugent's Flumelent's מודל מוצק של חיזוי מדויק של אחסון מאוחר וחום של המחשב.

בבניינים גבוהים, ניתן לערערער או לארגן במקביל.CD מחקרים מראים כי חיבור צ'ימונים עם טמפונים אופקיים יכול ליצור תבניות זרימה מורכבות; כמה כימונים עשויים אפילו לזרום לאחור אם המערכת אינה מאוזנת. על ידי הפעלת טאטאים parametrics ב Fluent, מהנדסים יכולים לעצב מערכת רפה או לחבית המונעת זרימות אחוריות ביצועים אחידים על פני כל צ'ים.

מקרה מחקר: אופטימיזציה של השמש Chimney בפיירזונה, אריזונה

פרויקט עיצוב עדכני עבור אנרגיית אפס נטו בפיניקס השתמש ב- Ansys Fluent כדי להשוות תשעה תצורה של כימטי.בסיס היה 4-m-tall, 0.5-m-wide עם בטון שחור-painted.האפקטים המותאמים אישית שילבו חמישה-m-tall Chimney נוטה 40°, עם אלומיניום מדביק עם chrome שחור (Ric) כולל יום רגיל של 0.

  • זרימת האוויר עלתה מ-02 m3/s (בסיס) ל-0.2 m3/s (optimized) - שיפור של 92%.
  • הטמפרטורה הממוצעת של צ'ימney הגיעה ל-58 מעלות צלזיוס (מעבר ל-4 מעלות צלזיוס בסיס), ומספקת טיוטה חזקה יותר.
  • טמפרטורת הבנייה הפנימית בשעות אחר הצהריים השיא הופחתה ב-3.5 מעלות צלזיוס בהשוואה למקבילה מחוסנת מבחינה מכנית.
  • תקופת ההחזר עלות הבנייה הנוספת (ציפוי וזוהר) הוערך ב- 4.2 שנים בחשבונות חשמל ממוזגים מופחתים.

מקרה זה ממחיש כיצד עיצוב CD מונחה יכול להפוך שרימונים סולאריים מאסטרטגיה של אוורור משלים למערכת קירור ראשונית, אפילו באקלים המדברי הקיצוני.

קביעת סימפוזיון CFD ב Ansys Fluent עבור השמש Chimneys

טיפים מעשיים למהנדסים המתחילים מחקר של שימני CFD:

גיאומטריה ומאש

התחל עם מודל 2D או 2D-axiסימטרי עבור גורים ראשוניים, ולאחר מכן לאמת מקרים מפתח עם מודל 3D מלא. השתמש פוליhedral או hex-core meshing in Fluent כדי לאזן דיוק ועלות חישובית.ל לשים לב מיוחד שכבת הגבול ליד הקלט ו בוהק - y + ערכים צריך להיות ⁇ 1 עבור רמות נמוכות של רטימוס, אם הוא נמוך יותר פונקציות סביר יותר של קיר 3.

2.מודלים לפיזיקה

ניתן למשוואה האנרגיה ולבחור מודל להפרעות מתאים לזרימות מונעות על ידי buoyancy: מודל k ⁇ אמיתי עם טיפול בקיר משופר לעתים קרובות עובד טוב, אבל המודל k ⁇ SST הוא מדויק יותר עבור זרימה עם הפרדה (למשל, ב כימיוני bends) עבור קרינה, להשתמש במודל מתואמים דיסקרטי (DO) עם מודל העומס הסולארי מופעל.

3.תנאים קשים

הגדר את אינסטליני כלחץ אינלט עם לחץ אפס (עמ') וטמפרטורה מתאימה (למשל, 35 מעלות צלזיוס לאקלים חם) ה-Outlet צריך להיות שקע לחץ עם טמפרטורת זרימה מסוימת.משטח הספיגה: משטח הספג: יחד עם גלימת חום השמש נספג על פני השטח (שימוש במצב "Heat Flux" הנגזר ממודל עומס השמש).

הגדרות Solver

השתמש בפתרון מבוסס לחץ עם תוכנית SIMPLE עבור הפיכה בלחץ. השני סדר upwind דיסקרטיזציה עבור תנופה ומשוואות אנרגיה לשפר את הדיוק.תחת גורמים רפלקציה עשוי להיות מופחת (למשל, 0.3 עבור לחץ, 0.7 עבור התנופה) עבור התכנסות יציבה.

מגבלות ושיקולים מעשיים של CFD עבור השמש Chimneys

בעוד CFD הוא חזק, זה לא תחליף לבדיקה פיזית בכל המקרים.

  • (FLT:0) אי הוודאות: מודלים של טורבולנס:1, מודלים לקרינה, תנאי גבול כולם מציגים תחזיות.
  • (FLT:0) עלויות חישוביות: FLT:1 סימולציה גבוהה של 3D (עם זמן-varying קרינה סולארית ורוח) יכול לקחת ימים על אשכול.מהנדסים חייבים לאזן פרטים עם הזמן ההפוך.
  • (FLT:0)אפקטי רוח מוגברים: FLT:1 מחקרים רבים משתמשים פרופילי רוח אחידים או להתעלם מרוחות צלב, אשר יכול לשנות באופן משמעותי את ביצועי צ'ימאני.התקדמות בבדיקות מנהרות חד-פעמיות של CFD-wind הן מתמשך.
  • (FLT:0) ביונסיות לעומת זרימה כפויה: ראטאלף:1) במהירויות רוח נמוכות מאוד, זרימה נשלטת על ידי buoyancy; ברוח גבוהה, לחץ רוח עלול לשלוט.

למרות האתגרים הללו, CFD נשאר הדרך היעילה ביותר לחקור חלל עיצוב גדול.ארגונים כמו FLT:0 National Renewable Energy Laboratory (NREL) להשתמש ב-CDCD כדי לפתח הנחיות עיצוב עבור ventilation פסיבית המשולבת כעת בבניית קודי אנרגיה.

מגמות עתידיות: שילוב עם בקרת בנייה חכמה

הגבול הבא עבור שימונים סולאריים הוא שליטה פעילה.על ידי שילוב מפות ביצועים מבוססות CFD עם חיישנים בזמן אמת (טמפרטורה, לחות, מהירות רוח), מערכות ניהול בנייה יכולות לשנות לחות או אלמנטים חימום משניים כדי לשמור על שיעורי האוורור המטרה. Ansys Fluent יכול לדמות אסטרטגיות בקרה אלה על ידי הפיכה עם כלים ברמת המערכת או על ידי תסריט פונקציות מוגדרות למשתמש (UD) אשר מתאמת תנאים משתנים כמו תפקוד משתנה.

התפתחות מרגשת נוספת היא השימוש בעיצוב חדשני ולמידה של מכונות.מהנדסים יכולים לייצר באופן אוטומטי אלפי ג'מאני גיאוגרפיה, להפעיל סימולציות CFD בענן, ול להכשיר מודל חלופי המנבא ביצועים ב- מילימטרים.זה מאפשר לאדריכלים לשלב צורות שיאניות הסולאריות אופטימליות ישירות בבניית מודל מידע (BIM) סימולציה עבודה כבר, מחקר מוקדם בתחום זה מראה כי רשתות עצביות יכולות לחזות בתוך 5% של שפעת מלאה של מתחת ל- 200D.

מסקנה

שימונים סולאריים הם טכנולוגיה מוכחת, פחמן נמוך עבור ventilation טבעי, אבל הביצועים שלהם תלויים ביקורתי על פרטי עיצוב כי הם הטוב ביותר נחקר באמצעות דינמיקת נוזל חישובית. Ansys Fluent מספק מהנדסים עם היכולת לדמות זרמים מונעים על ידי buoyancy, העברה חום קורנטיבית, ואינטראקציות רוח עם נאמנות גבוהה יותר. על ידי חקירת פרמטרים כגון נטימנט גבוה, סופג ציפוי, ציפויים, ציפויים, וספק, כמו פיתוח של תאים סולאריים, כמו פיתוח, שני מצבי חום סטנדרטיים, כמו CD, כדי לשפר את העיצובים, כמו פיתוח יעיל יותר ויותר.

עבור מהנדסים המעוניינים להתחיל פרויקט שימני סולארי, מומלץ להתחיל עם סימולציות 2D מאומת, ולאחר מכן להתקדם למודלים 3D אשר אחראים על הגורמים המשפיעים ביותר בעולם האמיתי, שיתוף פעולה עם חוקרים אקדמיים או חברות ייעוץ מיוחדות - כגון אלה המפורטים ב-FLT:0 בניין בינלאומי של סימגולציה בניין (IPSA)FLT:1 - יכול להאיץ למידה ולהימנע מבולות נפוצות עם ניתוח אנרגיה, אשר יכול לתרום טיפול גמיש יותר, כדי להפחית את פעילות גופנית, 000, 000 עבודה גמישה, 000, 000, יכול להיות יעיל יותר, 000 ביצועים גמישה, 000.