CFD моделирование теплотехнического расчета

Разбираем как правильно настроить CFD модель для расчета тепловой нагрузки зданий. Проводим тестовые расчеты на модели CFD. Сравниваем результаты и делаем выводы.

Тузовский Михаил 9 февраля 2021

Расчет тепловой нагрузки дома на CFD симуляторе

Почему это важно?

Современные программы CFD моделирования позволяют расчитывать схемы движения воздуха, распределение температуры и влажности, определять параметры комфорта в помещениях, домах и зданиях. Это помогает более точно проектировать и оптимизировать оборудование для отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВиК).

Что бы с уверенностью пользоваться CFD моделированием при проектировании, необходимо убедиться, что численные расчеты воспроизводят результаты стандартных теплотехнических расчетов.

Как будем решать задачу

Возьмем каркасный дом "коробка" с размерами 10х10м, с высотой потолков 3м, без окон и без дверей. Утепление - минеральная вата 150мм. Климат: -35С.

На примере симулятора Solidworks проведем ряд тестовых расчетов с заранее изветным результатом для валидации симулятора.

Рассчитаем тепловую нагрузку стандартным теплотехническим расчетом.

Рассчитаем тепловую нагрузку с использованием CFD моделирования.

Как работает симулятор CFD

Решается уравнение теплопроводности и определяются значения температуры во всех точках модели [1]. Гидродинамический расчет описывает движение воздуха. Дополнительно рассчитывается тепловое излучение от поверхностей и от солнечных лучей.

Для расчета необходимо задать размеры помещения, теплопроводность и отражающие свойства материалов и краевые условия: температура на начало расчета и условия на границах модели. Настроить сетку и параметры сходимости расчета.

Начальные условия CFD моделирования

В начальный момент времени, t=0:

- температура воздуха в помещении, Твнутр=+21.1С,

- температура ограждающих конструкций (стен, потолков, полов) , Тогр=+21.1С.

Граничные условия CFD моделирования

Выделяют три основных вида [1]:

Температура на внешней поверхности стены: Твнеш=-35С,
Коэффициент теплопередачи и температура окружающей среды: hвнеш = 23 Вт/м2/С, Тулица=-35С [2],
Тепловой поток сквозь стену: q = 4548 Вт/ч.

Тест 1. Валидация начальных условий

Что будет если мы оставим дом без отопления при уличной температуре воздуха -35С? Понятно, что температура воздуха в доме, как и температура дома, опустятся до -35С. Что покажет модель?

CFD initial conditions test - Heat Transfer Coefficient BC

Тест 1 CFD симулятора - валидация начальных условий - результаты расчета 2

Результаты расчета

Расчет проведен для одинаковых начальных условий и 2ух вариантов граничных условий.

1. Начальные условия: Ткомната=Твнутр=21.1С | Граничные условия 1: Твнеш=-35С

2. Начальные условия: Ткомната=Твнутр=21.1С | Граничные условия 2: hвнеш = 23 Вт/м2/С и Тулица=-35С

Погрешность определения температуры воздуха внутри помещения составила менее 1% (-34.72C вместо -35C).

Настройки модели

Сетка: автоматическая, размер 3 + минимальный размер 0.15м (толщина стены).

Настойки сходимости расчета: Сходимость по целям. Цель - средняя температура воздуха.

Настройки сетки

Настройки расчета

Выводы по тесту 1

Результаты расчетов по вариантам почти одинаковы. Точность расчетов высокая. Считаем, что тест на начальные условия пройден, поэтому можно продолжать.

Теплотехнический расчет

Проведем упрощенный расчет и расчет на калькуляторе smartcalc.ru:

1. Упрощенный расчет

Тепловой поток проходящий через поверхность дома:

q = 0.038/0.150 х 320 х (21.1 + 35) = 4548 Вт/ч

где:

R = 0.150 / 0.038 = 3.95 - сопротивление теплопредаче, м2 С/Вт
Авнеш = 320 = 2x10x10 + 4x3x10 - площадь внешней поверхности дома, м2
dT = (21.1 + 35) = 56.1 - разница температуры воздуха внутри и снаружи, С

Поэлементный расчет с использованием нашей таблицы:

Теплотехнический расчет дом 100м2

2. Расчет smartcalc.ru

В данном случае учитывается теплоотдача внешней и внутренней поверхности за счет конвекции. Коэффициенты теплоотдачи внутренней поверхности 8.7 Вт/м2/С, внешней поверхности 23 Вт/м2/С [2].

Теплотехнический расчет smartcalc.ru

Рассчитываются температура внутренней поверхности, Твнутр=19.4С и температура внешней поверхности, Твнеш = -34.4С.

Сопротивление теплопредаче

R = 0.11 + 3.95 + 0.04 = 4.11 м2 С/Вт.

Тепловой поток проходящий через поверхность дома:

q = 1 / 4.11 х 320 х (21.1 + 35) = 4368 Вт/ч

Запоминаем данное значение для сравнения с результатами моделирования.

Выводы по теплотехническому расчету:

Тепловой поток по упрощенному расчету больше теплового потока по стандартному методу на 4% (4548 Вт/ч вместо 4368 Вт/ч).

Упрощенный расчет дает максимальную оценку тепловой нагрузки дома.

Примечание

Стоит обратить внимание, что коэффициент теплоотдачи за счет конвекции зачастую определяется экспериментально. Его значение зависит от физических свойств воздуха, геометрии и свойств поверхности, скорости движения воздуха, влажности воздуха. Данный коэффициент определяет температуру внешней и внутренней поверхностей при теплопередаче.

Граничные условия теплотехнический расчет

Значения температуры на внутренней и внешней сторонах стены зависят от их коэффициента теплоотдачи

Тест 2. CFD расчет тепловой нагрузки

Зададим значение температуры воздуха в комнате +21.1С, а на улице -35C и запустим расчет. Начальные условия: Ткомната=Твнутр=21.1С.

Тепловой поток известен заранее = 4368 Вт/ч (смотри стандартный теплотехнический расчет выше).

Результаты расчета

Для двух вариантов граничных условий.

1. Граничные условия 1: Твнеш=-35С, Твнутр=21.1С

Это на 2% меньше, чем стандартный расчет.

Тест 2 CFD симулятора - теплотехнический расчет - результаты расчета 1

2. Граничные условия 2: hвнеш = 23 Вт/м2/С и Тулица=-35С, hвнутр = 8.7 Вт/м2/С, Ткомната=21.1С

Это на 6% меньше, чем стандартный расчет.

Тест 2 CFD симулятора - теплотехнический расчет - результаты расчета 2

Примечание

Отметим, что численный расчет теплового потока учитывает толщину стенки, а так же площадь внутренней поверхности дома, Авнутр = 292.94 м2, которая на 8.5% меньше чем площадь внешней поверхности, Авнеш = 320 м2.