《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Quasi-dynamic coupling method between CFD and building energy simulations for studying PCM-based radiant floor cooling systems
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辐射冷却系统优化与数值模拟方法研究。通过结合建筑能耗模拟与计算流体动力学，开发了准动态耦合方法以优化相变材料（PCMs）地板冷却系统，在印度尼西亚实测中验证了该方法对热滞后效应和近地板空气流动的精确模拟，其中SST k?ω湍流模型在热通量预测上表现最佳，RMSE达0.4℃。
张天星|北川春香|浅泽隆|安当·拉克马特·特里哈姆达尼
东京理科大学环境与社会学院，日本神奈川县横滨市绿区长津田町4259，邮编226-8501
摘要
尽管已经证实，将相变材料（PCMs）的高热储存性能与地板下的夜间通风相结合的室内辐射地板冷却系统在热带地区是有效的，但其最佳设置条件在自然通风条件下的具体参数尚未明确。本研究开发了一种准动态耦合方法，将建筑能耗模拟（BES）与计算流体动力学（CFD）相结合，以优化基于PCMs的地板冷却系统在室内热环境中的应用。该方法将PCMs的热滞后特性纳入耦合过程，以模拟其对室内温度的影响。通过将传统的基于BES的解耦方法与CFD中三种流行的湍流模型进行比较，并在印度尼西亚的一栋实验建筑中验证了其准确性。结果表明，准动态耦合方法的预测结果与实际测量数据非常吻合（决定系数：0.98；均方根误差：0.4°C）。其中，SST（剪切应力传输）湍流模型在模拟地板表面热通量方面最为准确（决定系数：0.92；均方根误差：3.9 W/m2）。这证明了准动态耦合方法在再现PCMs的相变过程及其对热储存和热滞后的影响方面优于传统的解耦方法。在各种RANS方程中的湍流模型中，SST模型在模拟近地面热对流方面表现最佳。
引言
随着全球变暖和城市热岛效应的加剧，建筑空间冷却的电力消耗正在急剧增加[1]。热带地区人口增长和城市化进程也进一步推动了冷却需求的增长[2]。在多种室内冷却方案中，通过冷却建筑表面来吸收热量的辐射冷却方法得到了广泛应用[3]。例如，一种水力辐射冷却系统通过降低介质温度有效提高了室内热舒适度[4]。在干燥季节，一栋位于炎热气候区的建筑安装了夜间运行的屋顶散热器，从而在白天降低了室内空气温度[5]。虽然这些机械辐射系统能够以相对较低的能耗提供稳定的冷却效果，但它们不适用于隔热性能较差的建筑，因为强烈的冷却可能会导致噪音问题和辐射表面的结露风险[6]。另一种常见的策略是使用具有高热储存能力的材料来实现被动辐射冷却，而相变材料（PCMs）被广泛用于此目的[7][8][9]。由于PCMs在相变过程中能够增强辐射冷却效果，因此应进一步探索基于PCMs的被动辐射冷却系统，以替代机械辐射冷却系统，从而在实现热舒适度的同时降低能耗。
本研究开发了一种结合PCMs和强制夜间通风的被动辐射地板冷却系统，并在印度尼西亚炎热潮湿的气候条件下进行了实验测试[10]。结果表明，这种系统的地板表面温度低于传统的抬高地板系统，且结露风险更低。因此，这种基于PCMs的被动辐射冷却方式适用于炎热潮湿气候地区。先前在炎热潮湿地区的研究也支持了基于PCMs的被动辐射冷却的有效性。例如，Al-Obaidi等人[11]在类似的气候条件下模拟了带有PCMs的屋顶和墙壁的建筑围护结构，发现室内墙面峰值温度降低了多达4.0°C。根据在马来西亚进行的调查，较冷的墙面温度使热舒适时间延长了高达98%[12]。以往的研究还将夜间通风（类似于印度尼西亚开发的基于PCMs的被动辐射地板冷却系统[10]）与PCMs结合，以提高其在不同气候条件下的热性能[13]。尽管PCMs对室内热环境有益，但以往的研究主要集中在材料特性和室内表面温度上，较少关注气流场和室内空气温度分布对PCMs相变过程的影响。PCMs的相变过程也会影响室内空气温度的分布，这是一个动态过程，需要进一步探索基于PCMs的辐射地板冷却系统中的动态机制。
室内空气温度和气流分布对于评估热舒适度和PCMs的影响具有重要意义[10]。因此，先前的大量研究通过多点实地测量对此进行了深入探讨[14,15]。计算模拟逐渐成为主流方法，因为它们可以使用高分辨率网格增加观测点数量，且不受测量仪器的限制。此外，还可以灵活修改案例设置场景以进行对比分析[16]。计算流体动力学（CFD）比建筑能耗模拟（BES）更适用于室内气流和温度分布的模拟[17][18][19]。因此，即使安装在建筑结构内部的PCMs的热储存效应会影响空气温度，CFD也有潜力详细模拟室内空气温度分布。
CFD的缺点包括需要大量的参数输入，这在高分辨率建筑结构中通常会导致更长的计算时间[20]。此外，CFD在模拟固体和流体之间的热传递时效果不佳，因为它们之间的响应时间差异会导致固体热储存能力的误差不可忽略[21,22]。因此，不建议单独使用CFD来模拟涉及PCMs的热环境，因为PCMs具有更复杂的热特性，包括热滞后[23]和相变过程，这些特性会受到环境温度的影响。
为了弥补这两种模拟方法的不足，提出了将BES和CFD相结合的方法[24]，因为BES可以模拟PCMs的动态热传递，而CFD可以模拟室内气流分布[25][26][27]。尽管明确CFD应从BES获取固体的热边界条件，但尚未建立一种最佳方法来设置和解决PCMs与周围空气之间的热传递。先前的一项研究在印度尼西亚使用基于PCMs的辐射地板系统验证了这种耦合方法[10]；然而，仍存在一些研究空白。首先，需要明确准动态耦合过程，以解决固体与PCMs之间的热传递问题，这在CFD中较为困难。其次，CFD中没有考虑PCMs的热滞后效应，这意味着热滞后如何影响耦合模拟结果的具体机制尚不清楚。第三，耦合方法没有考虑地板系统对室内空气温度分布的热影响，因此需要更细致的空间描述。第四，基于CFD的耦合方法尚未理解湍流模型对温度场的敏感性。因此，本研究旨在回答以下问题：
准动态耦合如何处理集成PCMs的建筑与室内空气场之间的热交互作用？准动态耦合是否能够在CFD分析中考虑PCMs的热滞后效应，从而准确模拟室内气流和温度？因此，本研究开发了一种准动态耦合方法，将CFD和BES相结合，用于模拟自然通风建筑中基于PCMs的辐射地板冷却系统的室内热环境。该方法揭示了气流模式与PCMs热储存之间的双向作用，并同时预测了涉及PCMs的室内热环境的整体和局部热状态。为了将这种耦合方法广泛应用于建筑设计和建筑工程，本研究结合了EnergyPlus（用于BES）和ANSYS Fluent（用于CFD）通用工具。为了评估准确性，将基于BES的解耦方法与CFD中三种流行的湍流模型的准动态耦合方法进行了比较，并在印度尼西亚丹戎的实验建筑中进行了验证。使用经过验证的耦合方法，比较了包括原始系统和两种改进系统在内的三种地板系统，以展示PCMs面板和地板下通风对室内空气温度分布的热影响。通过详细的空间CFD模拟对空气温度分布进行了定量分析。这些结果为使用PCMs的建筑的室内热环境模拟提供了先进的技术支持，为未来的辐射冷却系统设计提供了指导。
目标辐射地板冷却系统
在之前的研究中，提出了一种结合PCMs和强制夜间通风的辐射地板冷却系统用于被动室内冷却[10]。选择石蜡作为PCMs材料，是因为它具有较大的潜热储存能力和在多次热循环中的可重复相变特性[28]。此外，其相变温度范围与人体热舒适范围紧密匹配[29]。石蜡还具有无毒、不腐蚀且经济等优点。
验证
每个模拟案例的验证结果如图8所示，并与测量结果进行了对比。由于基于BES的解耦方法（EnergyPlus）无法计算空气流速（AS），图8(a)和(b)仅显示了耦合结果。耦合方法的结果总体上再现了两个测量点（FL+ 0.1米和1.1米）处的AS变化趋势。具体而言，白天的AS高于夜间。
准动态耦合中的PCM滞后效应
由于相变引起的PCMs热滞后问题是准动态耦合方法面临的关键挑战[74,75]，因为之前的耦合方法无法考虑PCMs的热滞后[10]。在热流体模拟中，基于普通固体材料输入来恢复PCMs的复杂热特性是困难的。本研究假设，如果BES模拟的表面温度和表面热通量能够考虑PCMs的热滞后效应，
结论
本研究开发了一种结合BES（EnergyPlus）和CFD（Ansys Fluent）的准动态耦合模拟方法，用于研究自然通风建筑中基于PCMs的辐射地板冷却系统。该方法不仅具有高精度，还能解决室内气流与PCMs之间的相互作用，以及涉及PCMs的室内热环境中的整体和局部热状态。
耦合方法带来的改进包括：
避免了热作者贡献声明
张天星：撰写原始草稿、审稿与编辑、调查、方法论、验证、数据分析、可视化；北川春香：调查、数据整理、审稿与编辑；浅泽隆：资金筹集、审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思；安当·拉克马特·特里哈姆达尼：调查、审稿与编辑。
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张天星：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、数据分析；北川春香：撰写 - 审稿与编辑、调查、数据整理；浅泽隆：撰写 - 审稿与编辑、监督、项目管理、资金筹集、概念构思；安当·拉克马特·特里哈姆达尼：撰写 - 审稿与编辑、调查。
