建筑屋顶近壁面湍流动能与太阳辐射温差关系的分析

申慧渊，杜芳莉，罗晓杰，何文博，王巧宁

(西安航空学院能源与建筑学院，西安 710077)

0 引言

随着我国经济的迅速发展，一次能源的消费量呈现持续大幅增长的态势，而能源消费结构向低碳化、绿色化转变的趋势保持不变[1]。随着“一带一路”政策的实施，预计2020～2030年“一带一路”沿线中38个国家的可再生能源装机容量将达到644 GW，风能和太阳能的总投资可能达到6440亿美元[2]。

在这样的社会背景下，建筑与光伏发电技术相结合的方式凸显出了可再生能源的绿色、环保优势。将光伏发电技术与建筑相结合形成的光电建筑可直接为其自身供热及供电，有效缓解了能源供应压力，实现了对煤炭等化石能源的替代，减少了污染源的排放。而且国际能源署(IEA) 也曾启动光伏发电系统(PVPS) Task-10计划[3]，以期通过光电建筑提升居民的生活品质。光电建筑行业将是21世纪全球范围内最重要的新兴产业之一。

目前，建筑屋顶是光伏组件与建筑物相结合的主要场所。光伏组件的工作温度过高容易导致组件性能的下降[4]，在光电建筑中，对于置于建筑屋顶的光伏组件(如图1所示)而言，光伏组件工作温度的高低取决于其接收太阳辐射的多少、建筑屋顶近壁面的太阳辐射温差(是指因接收太阳辐射后形成的屋顶壁面温度与因接收太阳辐射后形成的近壁面空气温度之差)，以及建筑屋顶湍流产生的对流换热。光伏组件工作温度的影响原理图如图2所示。

图1 光伏组件与倾斜屋顶相结合的图例Fig. 1 PV modules combined with sloping roof

图2 光伏组件工作温度的影响原理图Fig. 2 Schematic diagram of influence of PV modules working temperature

由于建筑周围的气体流动产生的湍流会与建筑屋顶之间产生相互作用，影响屋顶接收太阳辐射后的得热量及近壁面的空气温升分布，因此，寻找建筑屋顶近壁面的湍流状态与太阳辐射分布之间的关系十分必要。本文仅以西安市某未安装光伏组件的建筑屋顶为例进行分析，利用计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)技术，基于ANSYS平台，对夏季时该建筑屋顶接收太阳辐射后的近壁面空气温度和建筑屋顶近壁面湍流动能进行模拟，并且对建筑屋顶近壁面的湍流动能与其太阳辐射温差之间的关系进行了对比研究，以便于在此研究结论的基础上合理调整光电建筑中光伏组件的安装方式，最终提高光伏组件的性能。

1 计算模型

1.1 湍流模型

针对湍流运动，采用重整化群k-ε湍流模型[5]进行分析。该模型的湍流动能方程可表示为[5]：

式中，ρ为空气密度；k为湍流动能；ui为流速分量；xi为笛卡尔坐标的张量；ε为湍流动能耗散率；μeff为湍流粘性系数；αk为湍流动能k的有效湍流普朗特数的倒数；Gk、Gb分别为湍流动能生成项和热浮力项。

该模型的湍流动能耗散率方程可表示为[5]：

式中，αε为湍流动能耗散率ε的有效湍流普朗特数的倒数；Gε为湍流动能耗散率生成项；Cε为与湍流动能耗散率相关的常数；R为重整化群k-ε湍流模型的附加项。

1.2 太阳辐射模型

针对太阳辐射，采用DO模型[5]进行分析。太阳辐射的能量强度传播方程为：

式中，I为太阳辐射强度；为位置向量；为方向向量；n为折射系数；a为吸收系数；σ为玻尔兹曼常数；T为环境温度；σs为散射系数；A为替代式。

式中，为散射方向的矢量；为立体角；为d 相位函数。

2 模拟结果与分析

2.1 建筑屋顶近壁面的湍流动能与其太阳辐射温差的关系

以夏季时西安市某未安装光伏组件的建筑屋顶为例进行分析。在考虑存在较强对流换热的情况下，采用CFD技术，基于ANSYS平台对该建筑屋顶夏季中午(12:00)时屋顶近壁面的物理场分布进行了模拟，模拟结果如图3所示。其中，X轴代表水平来流方向；Y轴代表屋顶高度处垂直来流方向。

从图3中可以看出，建筑屋顶近壁面的空气温度分布与屋顶近壁面的湍流动能分布之间存在一定相关性。从图3a中可以看出，近壁面沿着水平来流方向，在X=-20 m处存在温度较高的区域；尤其是在X=-20 m、Y=±30 m的位置附近，存在明显的温度较高的中心区域。与图3a的空间位置相对应，在图3b中，近壁面沿着水平来流方向在X=-20 m处也存在湍流动能较大的区域；尤其是在X=-20 m、Y=±30 m的位置附近，同样存在明显的强湍流动能中心。

图3 夏季中午时建筑屋顶近壁面的物理场分布Fig. 3 Physical field distribution of near wall of building roof at noon in summer

综上可知，在建筑屋顶近壁面的绝大部分区域中，空气温度较高的位置，其湍流动能也相对较大，二者存在一定的正相关性。同时，从图3中还可以看出，屋顶近壁面的空气温度分布呈现以较高温度区域为中心逐步向四周递减的趋势，且变化较为平稳；而湍流动能的分布呈现以高湍流动能区域为中心，先向四周递减然后又略微升高的趋势，在空间上的波动较为明显。

为了进一步发掘在空间上波动较大的建筑屋顶近壁面的湍流动能分布与其太阳辐射温差分布之间的关系，提取了屋顶中心线上的壁面温度、近壁面空气温度和湍流动能数据，从而得到太阳辐射温差，并绘制曲线进行比较。

沿水平来流方向，建筑屋顶近壁面的太阳辐射温差ΔT与湍流动能k的分布曲线如图4所示。由图4可知，在屋顶近壁面，太阳辐射温差与湍流动能之间存在正相关性，二者的变化趋势一致，均呈现沿水平来流方向逐步下降的趋势。虽然，湍流动能的空间分布出现轻微的起伏，但起伏幅度小于2.5%，不会影响湍流动能的整体下降趋势。

图4 建筑屋顶近壁面的太阳辐射温差与湍流动能分布曲线Fig. 4 Distribution curve of solar radiation temperature difference and turbulent kinetic energy near wall of building roof

2.2 小结

通过模拟分析得出建筑屋顶近壁面的湍流动能与其太阳辐射温差之间存在正相关性。由于安装于建筑屋顶的光伏组件的工作温度受这2个因素的影响，过高的工作温度会对光伏组件性能产生不利影响。因此，基于基本的对流换热原理，可利用通风流道的对流散热将光伏组件周围温度降低，从而降低光伏组件的工作温度，进而提高光伏组件性能。而且BRINKWORTH等[6]的研究表明，通风流道的对流散热可以将光伏组件的工作温度降低近25%，可有效提升光伏组件的各项性能。因此对于光电建筑而言，明确建筑屋顶近壁面的太阳辐射温差与其湍流动能之间的关系，可以通过重新组织屋顶气流来改变屋顶壁面温度及光伏组件的工作温度，进而提高光伏组件的性能，推动光伏组件与建筑屋顶更好的结合。

3 结论

本文利用CFD技术，基于ANSYS平台对夏季时西安市某未安装光伏组件的建筑屋顶接收太阳辐射后的壁面温度和建筑屋顶近壁面湍流动能进行了模拟，并且对建筑屋顶近壁面的湍流动能与其太阳辐射温差之间的关系进行了对比研究，得出了建筑屋顶近壁面的湍流动能与其太阳辐射温差之间呈正相关性的结论。由于这二者会对光伏组件工作温度产生影响并影响光伏组件性能，因此可以通过重新组织屋顶气流来改变屋顶壁面温度及光伏组件工作温度，进而提高光伏组件性能。需要说明的是，本文仅局限于定性分析相应的特性，其定量分析需要之后进行进一步的研究与扩充。