AEC-Solarwärme

In vielen AEC-Anwendungen hat die Sonneneinstrahlung auf Außenwände und durch Fenster erhebliche Auswirkungen auf den Komfort der Bewohner und die Energieeffizienz des Gebäudes oder Raums.

AEC-Solarwärme in Autodesk® CFD simuliert die Auswirkungen von Sonneneinstrahlung durch Fenster und Wände im Gebäude. Es berechnet den optischen Pfad der Sonnenstrahlung durch Fenster zur Ermittlung des Wärmegewinns durch Sonnenlicht, das in einen besetzten Raum einfällt. Im Gegensatz zur äußeren Solarwärme ist keine Kuppel um das Gebäude erforderlich, da die Innenflächen in Kontakt mit einem Fluid (normalerweise Luft) stehen.

Im folgenden Ergebnisbild sehen Sie die Auswirkungen der Sonneneinstrahlung, die durch ein dem Bewohner gegenüberliegendes Fenster einfällt. Die höheren Temperaturbereiche auf dem Boden resultieren aus der Sonneneinstrahlung, die in den Raum eintritt. Die niedrigere Temperatur hinter dem Stuhl entsteht durch den Schatten des Schreibtischs und des Bewohners:

In dieser Abbildung wurde außen am Gebäude eine Markise angebracht, um teilweise zu verhindern, dass das Sonnenlicht durch die Fenster fällt. Beachten Sie den Unterschied bei der Bodentemperatur, verursacht durch die Reduzierung der Solarenergie, die in den Raum einfallen kann:

Um den Unterschied aufzuzeigen, haben wir in der folgenden Abbildung die Sonneneinstrahlung in der Simulation deaktiviert. Das Fenster wurde durch eine undurchsichtige Wand ersetzt und ein konstanter Wärmeübergangskoeffizient auf alle Wandflächen angewendet. Da es keinen Schattierungseffekt aufgrund der Sonneneinstrahlung durch das Fenster gibt, ist die Temperatur auf dem ganzen Boden gleich:

Modellierungsrichtlinien

Befolgen Sie die standardmäßigen Modellierungspraktiken bei der Simulation der Sonneneinstrahlung in besetzten Räumen.

1. In einer AEC-Sonnensimulation bedeutet dies, dass ein Luftvolumen vorhanden sein muss.
2. In der Regel gibt es auch interne Objekte (Bewohner, Möbel usw.).
3. Modellieren Sie Wände als 3D-Volumen.
4. Modellieren Sie Fenster als 3D-Volumen.

Um eine Markise zur Abweisung des Sonnenlichts anzubringen, fügen Sie an der Außenseite des Gebäudes ein Volumen oder ein Bauteil hinzu. Es hat keinen Kontakt mit einem Fluid, weist jedoch die Sonneneinstrahlung ab und wirft daher einen Schatten.

Anmerkung: Das Sonneneinstrahlungsmodell bietet keine Unterstützung für Flächenbauteile.

Simulationseinstellungen

Materialien

Zur Berücksichtigung der Sonneneinstrahlung auf Außenflächen weisen Sie ein Festkörpermaterial zu externen Bauteilen zu und ändern die Eigenschaft Transmissionsgrad.

• Für undurchsichtige Wände, Türen und Markisen wählen Sie Solar-Wand als Variationsmethode für den Transmissionsgrad.
• Für Fenster und andere transparente Oberflächen, wie z. B. Dachfenster, wählen Sie Solar-Fenster als Variationsmethode für den Transmissionsgrad.

Geben Sie die Werte für SHGC und U-Faktor ein. Diese Mengen sind wie folgt definiert:

• SHGC: Das ist der Energiedurchlassgrad, d. h. der Anteil der Sonnenstrahlung, die durch ein Fenster, eine Tür oder ein Dachfenster durchgelassen wird. Sie kann direkt übertragen werden, aber auch absorbiert und als Wärme in den besetzten Raum freigegeben werden. Niedrigere SHGC-Werte weisen auf geringere Sonnenwärmeübertragung und bessere Schattierung hin. Ein Produkt mit einem niedrigen SGHC-Wert ist effektiver bei der Reduktion der Kühllasten im Sommer durch Unterbindung des Wärmegewinns durch die Sonne. Höhere SHGC-Werte sind im Winter besser bei der Sammlung von Solarwärme. Klima, Ausrichtung und Schatten von außen bestimmen den optimalen SHGC-Wert für einzelne Fenster, Türen oder Dachfenster.
• U-Faktor: Die Rate des nichtsolaren Wärmestroms durch Fenster, Türen oder Dachfenster. Bei Fenstern, Dachfenstern und Glastüren kann sich der U-Faktor allein auf das Glas oder die Verglasung beziehen. Die NFRC-U-Faktor-Werte beziehen sich jedoch auf die gesamte Fensterleistung, einschließlich Rahmen- und Halterungsmaterial. Je geringer der U-Faktor, desto energieeffizienter das Element.

Quelle: http://energy.gov/energysaver/articles/energy-performance-ratings-windows-doors-and-skylights

Für Solar-Wände wird nur ein U-Faktor benötigt. Für Solar-Fenster sollten Sie sowohl den U-Faktor als auch den SHGC-Wert festlegen.

U-Faktor und Temperaturdifferenz, die bei der Berechnung ermittelt wurden, werden verwendet, um die effektive Leitfähigkeit des Volumenkörpers zu berechnen und die Wärmeleitfähigkeitseigenschaft, die dem Material zugewiesen ist, automatisch zu überschreiben.

Es gibt zwei Solarmaterialien in der Materialbibliothek, die Sie für Ihre Simulationen oder als Vorlagen für Ihre eigenen Solarmaterialien verwenden können. Beide weisen geeignete SHGC- und U-Faktor-Werte für den Transmissionsgrad auf:

• Fenster (Solar): Das ist eine modifizierte Version des Festkörpermaterials Glas. SHGC = 0.3 und U-Faktor = 0.35 BTU/hr-ft2-F. Das sind typische Werte für doppelverglaste Fenster in Wohngebäuden in gemischten/südlichen Klimazonen (Zonen 6 bis 8).
• Wand (Solar): Das ist eine modifizierte Version des Festkörpermaterials Dämmung (Glasfaser). SHGC = 0 und U-Faktor = 0.1 BTU/hr-ft2-F. Das sind typische Werte für glasfaserisolierte Wände in Wohngebäuden in Klimazonen 6 bis 8.

Die Dialogfelder Start und Solarwärme

Aktivieren Sie die folgenden Optionen im Dialogfeld Start:

• Wärmeübertragung
• Wärmestrahlung:
• Wenn Sie natürliche Konvektionseffekte erwarten und im Dialogfeld Umgebung die Option Variabel aktiviert haben, geben Sie eine Schwerkraftrichtung ein.

Klicken Sie auf die Schaltfläche Solarwärme. Aktivieren Sie die folgenden Optionen im Dialogfeld Solarwärme:

• Die Position, die Sie simulieren. Wenn die Position nicht in den Feldern Land und Ort vorhanden ist, aktivieren Sie das Kontrollkästchen Manuell und geben den Breitengrad und den Längengrad ein.
• Datum und Uhrzeit, die Sie simulieren.
• Die Ausrichtung des Modells. Definieren Sie diese Richtungen mithilfe der Achsen im Simulationsmodell.
• Die Umgebungsreferenz. Diese Temperatur wird auf alle Außenflächen von Solar-Wänden und -Fenstern angewendet. Beachten Sie, dass auf die Außerflächen der Solar-Wände und -Fenster angewendete thermische Randbedingungen wie Wärmeübergangskoeffizient, Temperatur, Wärmestrom und Gesamtwärmestrom wie vorgeschrieben funktionieren und die Umgebungsreferenztemperatur überschreiben.
• Die zeitliche Variation der Umgebungsreferenz. Wenn Sie Stationär wählen, geben Sie einen Einzelwert an. Wenn Sie Transient wählen, geben Sie die Beziehung zwischen Zeit und Temperatur mithilfe der Zeitkurve an.

Anzeigen der Ergebnisse der AEC-Solarwärme

Die beiden Ergebnisgrößen mit der größten Aussagekraft für Solarwärmesimulationen sind Temperatur und Solarwärmestrom. Autodesk® CFD aktiviert bei Solarwärmesimulationen den Solarwärmestrom automatisch. Der Solarwärmestrom wird am besten als globale Menge betrachtet, wie sie auf Flächen des Modells erscheint. Die folgenden Beispiele zeigen den Solarwärmestrom in Modellen mit und ohne Markise. In beiden Fällen ist die simulierte Uhrzeit 12 Uhr mittags und das simulierte Datum Anfang Dezember. Die Position befindet sich in den Mittelatlantikstaaten der USA:

In beiden Fällen steht die Sonne niedrig und leuchtet lange Bereiche des Bodens aus. Mit der Markise wird ein Großteil des Sonnenlichts zurückgeworfen und erreicht nur die Vorderseite des Schreibtischs. Ohne Markise erstreckt sich das Sonnenlicht durch den ganzen Raum und wirft einen Schatten hinter dem Bewohner.