[论文解读] New approach for Finite Difference Method for Thermal Analysis of Passive Solar Systems

Stanko Vl. Shtrakov, Anton Stoilov|ArXiv.org|Feb 13, 2005

Radiative Heat Transfer Studies参考文献 6被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于带大质量墙体的被动式太阳能系统的热分析新有限差分方法，采用改进的数值算法求解瞬态传热方程。该模型整合了气象条件与建筑特定边界条件，通过实验数据验证其准确性，并展示了在保加利亚气候条件下对热性能预测的改进。

ABSTRACT

Mathematical treatment of massive wall systems is a useful tool for investigation of these solar applications. The objectives of this work are to develop (and validate) a numerical solution model for predication the thermal behaviour of passive solar systems with massive wall, to improve knowledge of using indirect passive solar systems and assess its energy efficiency according to climatic conditions in Bulgaria. The problem of passive solar systems with massive walls is modelled by thermal and mass transfer equations. As a boundary conditions for the mathematical problem are used equations, which describe influence of weather data and constructive parameters of building on the thermal performance of the passive system. The mathematical model is solved by means of finite differences method and improved solution procedure. In article are presented results of theoretical and experimental study for developing and validating a numerical solution model for predication the thermal behaviour of passive solar systems with massive wall.

研究动机与目标

• 开发一种用于预测带大质量墙体的被动式太阳能系统热行为的数值模型。
• 改善对间接式被动式太阳能系统在保加利亚不同气候条件下能效的理解。
• 利用理论和实验数据验证该模型。
• 通过改进的求解方法提升有限差分法的精度，以实现更准确的瞬态传热模拟。

提出的方法

• 建立热传导与质量传递方程，以模拟大质量墙体系统中的传热过程。
• 边界条件结合了气象数据（如太阳辐射、环境温度）和建筑参数（如材料特性、厚度）。
• 应用有限差分法对控制偏微分方程在空间和时间上进行离散化。
• 实施改进的求解算法，以增强数值稳定性和收敛性。
• 通过迭代求解模型，模拟每日和季节性循环下的瞬态热性能。
• 通过将模拟的温度分布与真实被动式太阳能建筑的实验测量结果对比，完成模型验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限差分模型在多大程度上能准确预测带大质量墙体的被动式太阳能系统的热行为？
• RQ2 保加利亚的气候条件对间接式被动式太阳能系统的热性能有何影响？
• RQ3 改进的有限差分求解方法如何提升数值稳定性和预测精度？
• RQ4 该模型与真实被动式太阳能建筑的实验数据在多大程度上吻合？

主要发现

• 所提出的有限差分模型能够以高精度成功预测大质量墙体内部的瞬态温度分布。
• 改进的求解方法减少了数值振荡，并提高了模拟过程中的收敛速度。
• 模型验证显示，模拟温度数据与实验测量数据高度一致，证实了其可靠性。
• 该模型有效捕捉了大质量热惰性材料典型的热滞后和蓄热效应。
• 能效评估表明，合理配置热质量的间接式被动式太阳能系统可显著降低保加利亚气候条件下的供暖需求。
• 本研究证明，气候条件和建筑参数对热性能具有可测量且可预测的影响。