熱分布系數結構分析

暖通空調HV&AC計熱分布系數結構分析西安建筑科技大學(xué)趙鴻佐☆趙蕾西北電力設計院王修川提要熱分布系數作為評價(jià)通風(fēng)系統效率的重要指標之一,迄今除試驗外尚無(wú)其他定值方法。應用作者的溫度預測方法,證實(shí)了熱分布系數是熱分層高度及房間輻射傳遞因子的函數。得出的熱分布系數數學(xué)表達式與試驗結果吻合良好關(guān)鍵詞熱分布系數熱分層高度房間輻射傳遞因子Analysis of the structure of the heat distribution factorBy Zhao Hongzuo*, Zhao Lei and Wang XiuchuanAbstract Until recently there was no means but experiment to determinethe heat distribution factor, an important indicator of ventllationeffectiveness. Using the method of room temperature prediction by the authorsproves that the heat distribution factor(m)is a functlon of the thermalstratification height and the room radiation transfer factor and themathematical representation obtained of m agrees well with experiment results.Keywords heat distribution factor, thermal stratification height, roomradiation transfer factorXi an Uhiversity of Architecture Technology熱分布系數以及它的倒數溫度效率或通風(fēng)系近年E.O. shilkrot'6提出室內氣流紊流擴散傳輸統能量利用效率是評價(jià)通風(fēng)效率的重要指標之一。的熱量在數值上相當有限,因此建議采用分區熱平雖然對它的研究可以迫溯到近半個(gè)世紀以前,但迄衡近似計算熱分布系數的方法。由此可見(jiàn)認識正今為止除試驗之外尚無(wú)其他有效的定值方法。自在不斷提高、充實(shí)和發(fā)展,因而最終的預測熱分布從1953年B.B.巴圖林指出了熱分布系數與熱源系數的目標是可以預期的及建筑面積比之間具有某種定量關(guān)系1之后,1熱分布系數的函數結構H.A.弗努赫特2繼續在此基礎上做過(guò)一些工作,由于熱分布系數本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)受限空間內并對BB巴圖林的認識有所補充與修正;隨后Ⅱ.的熱對流擴散問(wèn)題,因此它與一切建筑、熱源和通H安德烈夫認為熱分布研究應以里查遜數R風(fēng)條件有關(guān)擇甚要者它首先是以下多個(gè)工程物(或阿基米德數Ar)作為非等溫流動(dòng)分析的特征參中國煤化工數;實(shí)踐中∏A.阿伊皮多夫4及馬仁民5先后應CNMH☆用Ar來(lái)統一歸納不同送風(fēng)方式效果的試驗數據;10055西安建筑科技大學(xué)環(huán)境工程系029)5524305收稿日期:1998-05國家自然科學(xué)基金資助項目(編號59608003)犒件修回日期:1999-06-182·專(zhuān)題研討1999年第29卷第4期理因素及幾何因素的函數,即表1基本熱源模式特征1.1僅有熱tw.zo熱源模式溫度分布F對流擴散時(shí)Fm(Q,G,V,F,h,n,…)(1)A空均布等斜率0H0熱分布系數的函數結構其中m為熱分布系數;tw,z為工作區平均溫B.底平面均布零梯度由圖1度,℃;to為進(jìn)風(fēng)溫度,℃;tr為排風(fēng)溫度,℃;Q為C.底部集中二段斜率10~H0中,A,B,C室內排熱量,W;G為通風(fēng)量,m3/s;V為建筑容注:表中W為室內輻射傳遞因子溫度分布線(xiàn)積m3;F為建筑地板面積,m2;f為熱源面積,m2;可知h為熱源高度,m;ns為熱源個(gè)數。m=f(Z,△)然而,室內動(dòng)量及熱量平衡的微分方程組又無(wú)式中Z為熱分層高度,m;△為室內頂棚處與熱分法解出表示熱分布系數與各物理量間的關(guān)系,也就層高度處的溫差,℃。若已知Z及△則m可以確使得在不同條件下得到的試驗結果無(wú)法科學(xué)地歸定,式中熱分層高度Z可以通過(guò)熱源上浮力羽流納統一,從而形成當前研究與應用上局限于經(jīng)驗性的解并使用下送風(fēng)時(shí)的雙室模型而得出,而且它與認識的原因。式(1)有相同的變元,由于一般書(shū)刊中只有點(diǎn)熱源作者在文獻7,8]中指出:在有余熱的下部送或線(xiàn)熱源的解,而最重要、最實(shí)用的應是面熱源的風(fēng)房間,室內溫度分布是一個(gè)增函數。而決定室溫解,為此筆者最近求得它的兩個(gè)近似解9為垂直分布的主要因素是氣流平均流速及流向和熱接近正方形的矩形面熱源源分布條件及散熱方式。工程中熱源分布條件可zn=1/2m1以歸納成3種基本模式,即A.空間均布熱源,B.底(3)平面均布熱源,C.底部集中熱源。如果對典型熱源分布條件在流向限定的前提下對室溫分布逐寬帶狀面熱源加以研究,則凡是由典型熱源分布的不同組合構成6 2mP的實(shí)際問(wèn)題都是可以定量解決的。由于熱分布系數既是一些工程因素的函數同時(shí)又是以3個(gè)溫度其中zF為面熱源時(shí)的熱分層高度,m;Ar為房值來(lái)定義的,因此只要知道溫度變化的物理根據,也就有可能得到式(1)的解了。間的阿基米德數,A=EQV5;m為速度分布因討論圖1中A及B所包圍的三角形內的所有子,試驗常數;P為溫度分布因子,試驗常數;b為溫度變化圖式,即5熱源的半寬,m。種基本變化,其中從本義上說(shuō)熱分層高度Z實(shí)際上是對無(wú)限空1忙A,B,C是3種基本間中熱源上的自然對流熱運動(dòng)所作限化熱源模式所對應的近似處理,因而面源的解中同時(shí)顯示了Ar,V溫度模式,而AB及f/F這3個(gè)重要變量的關(guān)系。如果再加上半經(jīng)驗BC則是由A+B及處理及流量修正還可以將離地面源或體熱源的熱B+C復合而成的源高度h3及均勻散布的熱源個(gè)數n引人到ZF的圖1基本熱源模式下的溫度分布溫度分布,再從表1表達式中。圖中△為地板表面上空氣溫度的特征參數及圖1是一個(gè)變化不大的值,因為在受限空間內與送風(fēng)溫度之差,△tE為頂棚與地板溫度之差可見(jiàn),A及B不僅熱源上的熱氣流上升后橫向擴展而形成一個(gè)溫度是C的,也是AB及的小梯度區間,在理論上說(shuō)假如混合充分則得到它BC的兩個(gè)極限狀況因此研究這5種分布基本上的中國煤化工也就概括了下部送風(fēng)條件下的室溫實(shí)際可能分布。CNMHG(5)為了使討論能逐步深化,下面將問(wèn)題分成兩類(lèi)依次雖然文獻[8]給出了進(jìn)行分析。Δ=P2(tE-to)(6)暖通空調Iv&AC專(zhuān)題研討·3式中P為熱源的輻射百分比。但因式(2)中的它的經(jīng)驗表達式為Z及△的函數組成仍是未知的,因而只好退而求其次,即因知△=0時(shí)有m的最大值,則由式(2)mmn=3.4(0.05+)(9)可先求解式中S=√V。即在同一建筑內f(wàn)/F愈大mmmT=f(Z)(7)值也隨之增大,按式(9)計算結果與直接試驗結果則m可以稱(chēng)做理論的熱分布系數上限值,因為式的比較列于表3。mm的存在說(shuō)明當Q值一定(7)是以式(5)為條件而存在的,所以在任意Z值時(shí),加大風(fēng)量固然能在一定范圍內降低m值,但當范圍內m值總要比實(shí)際上的m值為大。mr可以m降到mm之后,再增大通風(fēng)量就不能進(jìn)一步改根據圖1及表1條件由m值的定義而直接寫(xiě)出:善通風(fēng)效果了。(8)表3mm計算值與試驗值比較T0.12345678910備注ZE<2, C=0.2201710.1710.1310.0860.0850.0280.0280.0220.014平均差值式中s15.03.7751507.53.77.53.715.03.7=0.048ZF>2,C=1試驗值0.440.760.670.370.300.410.100.230.120.2標準偏差計算值0.460750.540.310.330460190.20.120.22d=0.035可見(jiàn)式(8)是一個(gè)隨ZF值增大而逐漸減小的遞減對于同一建筑內部,在m=1到mm之間,m函數。利用式(8)這個(gè)理論構架就有可能較容易地隨ZF的變化與fF無(wú)關(guān),即不論fF大小如何最終得到實(shí)際的熱分布系數的解,為此需要進(jìn)行有較寬廣的覆蓋范圍的大樣本試驗,這只有采用計算它們的變化軌跡是相同的,區別只是fF愈大就愈早到達mmin而已。對于不同的建筑,則各自有機模擬試驗才能迅速有效地完成。筆者應用以K-ε二方程紊流數學(xué)模型為基礎的三維其對應的軌線(xiàn),即S=√V愈大者,它離理論的mPHONICS程序,對在表2所列的參數條件范圍內值上限曲線(xiàn)愈近,應用式(8)及3種不同大小建筑的107組試驗進(jìn)行了分析,試驗包括了3種不同大的試驗結果,可以歸納得到m=1-mm間的方程小的建筑及10種fF值熱源為中置單個(gè)貼地面為源,通風(fēng)方式為下送上排,試驗結果的全部數據整m=1-C|16(3)045(10)理后歸納在圖2中式中的中括號部分表示用試驗方法得到的式(2)與表2模擬試驗參數跨度式(8)間的差異。應用式(10)計算m值時(shí),對于已Q/W G/m/s Ar V/m F/m2 f/m2知的f/F,它的有效值僅在m>mmn部分。即使432~2.5~17.5~0.25900005400095052360036080對于最小的f/F值,計算也僅在m>0.2部分有效,因為當m<0.2時(shí)既無(wú)實(shí)用意義而且計算誤差1.0Af"F,-1,"16°?雜迅速發(fā)散。而在適用范圍內,即m>0.2范圍內使用,則計算與試驗的誤差一般約小于0.05。由于=52.536式(9)及(10)是建立在理論分析與大樣本試驗基礎上的,因而總體上它對于下部送風(fēng)的貼地面源問(wèn)題是有足夠的可靠性的,對于離地面源問(wèn)題因為試驗的覆蓋面不夠大,因而在此暫且不論。1.2有輻射熱轉移時(shí)的熱分布系數平面熱源h:=0=0聽(tīng)墻尸紅熱經(jīng)常同時(shí)存在,即與上中國煤化以對流熱直接加熱CNM則無(wú)異于在室內產(chǎn)生周?chē)?L,.,mx圖2計算機模擬試驗結果了一個(gè)位移的次熱源,而且次熱源的位置愈低,對圖2顯示對于每一個(gè)建筑熱源條件,存在一個(gè)熱分布系數的影響也愈大,因此輻射熱轉移的主要不依Z值大小而改變的最小熱分布系數值mm,影響可以簡(jiǎn)化地歸結到地板表面氣溫的變化上?！?·專(zhuān)題研討1999年第29卷第4期下部進(jìn)風(fēng)的房間如果不是由于輻射的原因,除了地的溫度分布,根據熱分布系數定義可以直接寫(xiě)出板自身是熱源的情況以外,空氣溫度在地板附近是mT=1-C(1-W)(17)與進(jìn)氣溫度相同的。反之在輻射作用存在時(shí),地板因得到輻射熱并轉而加熱了周?chē)目諝庖虼丝闪钍街衵<2,C=2FW=tFo- toZF>2,C=1-式中tPo為地板表面上的空氣溫度,℃。及當W=0時(shí)式(17)退化成式(8),圖1中的AB及含義同式(1)。W表示地板及天棚處氣溫與進(jìn)氣BC線(xiàn)亦退化成A及C線(xiàn)。當W在0-1之間變溫度差之比因為它是一個(gè)反映室內輻射熱轉移的化時(shí),mr曲線(xiàn)的變化略示如圖4。即輻射傳遞使存在對室溫分布或熱分布系數影響的一個(gè)指標,理論的熱分布上W愈大說(shuō)明輻射的影響愈大,在不考慮輻射傳遞時(shí)W=0,所以可以稱(chēng)W為室內輻射傳遞因子。如以式(17)代替它的大小取決于兩種情況:①熱源直接投射到地板式(8)結合圖2的上的輻射熱量QF與室內總散熱量Q。之比,即試驗結果,即可得到貼地面源考(12)慮輻射交換時(shí)的圖4m與W的關(guān)系曲線(xiàn)實(shí)際熱分布系數②室內由表面溫度為tE的天棚向表面溫度為t式的地板輻射熱量,并經(jīng)地板加熱周?chē)諝鈺r(shí),由文獻[8]有(1-W)(18)(13)因為貼地面源對地板的輻射為0,故此時(shí)應有W=F\a+。)+1W2。式(17)及(18)顯示了比式(8)及(10)更完整式中an為輻射換熱系數W/(m2K);a。為對流的結論,即熱分布系數不僅是熱分層高度Z而且換熱系數,W/(m2·K)。如果同時(shí)存在情況①及②也是室內輻射傳遞因子W的函數。對Z及W的則采用圖3的符號標記,此時(shí)式(13)應改為預先計算,使得m表達式中的變元數量大大減少了,亦即Z及W在求解m中起了一個(gè)中間變量的△作用。雖然不同形狀熱源對Z,W,m等的影響是不同的,但式(17)所揭示的規律及式(18)等對貼地(14)面源求解的例證說(shuō)明了,m值可以求解的事實(shí)是則毋庸置疑的了?！鱰E為了進(jìn)一步檢驗輻射作用存在與否的區別,下W=W1+W2a△tE面引用馬仁民教授提供的試驗條件及結果并歸納=W1+W2(1-W1)圖3存在輻射整理在圖5中。試驗是在V=5075m3的試驗室時(shí)的溫度分布內進(jìn)行的,通風(fēng)采用3種不同風(fēng)口的地板送風(fēng)頂部圖中符號含義見(jiàn)Q+EG(1+1集中排風(fēng),熱源為體熱源,試驗中的熱源個(gè)數是1圖1注,下角標1,2分別表示①或2且均位于房間中部。試驗條件的W的平均值②兩種情況(15)按式(16)計算為0.2,由于筆者并未專(zhuān)門(mén)進(jìn)行過(guò)體如果將式(15)中的p,Cp,ar,ac以常量代入,并將熱源的試驗,因此圖5是用筆者得到的離地面源的風(fēng)量改成房間小時(shí)換氣次數N與容積的乘積則熱分層高度經(jīng)驗式近似處理的。此時(shí)式(15)可以簡(jiǎn)化成中國煤化工h對CNMHG圖5中的虛線(xiàn)表示W(wǎng)QQ(16)離地面源在W=0時(shí)之實(shí)驗曲線(xiàn),實(shí)線(xiàn)則是對近50已知W后,再回到圖1中AB及BC線(xiàn)表示個(gè)數據歸納得到的體熱源在W=0.2時(shí)的實(shí)驗曲暖通空調HV&AC專(zhuān)題研討·5·線(xiàn),兩者room temperature distribution. Proceedings of roomvent在相對98, 1998. Stockholm位置及9趙蕾面熱源上浮力羽流的近似解西安建筑科技大學(xué)學(xué)報,1998,(4)變化趨方體熱平面熱源勢上的·簡(jiǎn)訊致,對《中央空調的清洗與保養》肯定前0.2V=50.75書(shū)出版f-0.25a2h=0.6m面的分析是有由中國藍星化學(xué)清洗總公司編輯的《中央空調的清洗利的。與保養》已于1999年5月出版。該書(shū)具有較強的知識性和2結論實(shí)用性較為系統、詳細地介紹了中央空調的結構;中央空圖5存在和不存在輻射交換調的腐蝕、結垢及危害;中央空調清洗的意義、機理、藥劑作用時(shí)的熱分布系數21熱工藝;中央空調水系統的水質(zhì)處理維護與保養;中央空調分布系清洗實(shí)例。數或溫度效率是有規律的,因而也是可以定量預測該書(shū)定價(jià)50元/本(包括掛號郵寄費)需要者可直接22熱分布系數的理論上限值可以表示成式西路洗》編輯部聯(lián)系:1000北京市朝陽(yáng)區北土城的與《化學(xué)清(17)。對于面熱源,熱分層高度ZF可從式(3)及蒸發(fā)冷卻與熱能回收(4)得到,室內輻射傳遞因子W則表示成式(15)或(16)。亦即理論熱分布系數是熱分層高度Z及空調新技術(shù)交流會(huì )室內輻射傳遞因子W的函數。西安制冷學(xué)會(huì )、陜西省暖通空調學(xué)術(shù)委員會(huì )、陜西省暖2.3建筑及熱源尺度變化對熱分布系數的主要影通空調信息網(wǎng)與江蘇申海集團聯(lián)合主辦的蒸發(fā)冷卻與熱能回收空調新技術(shù)交流會(huì )于1999年4月22日在西安建國飯響是:熱分層高度Z相同時(shí),較大的建筑空間即S店舉行。來(lái)自西安地區各設計院、高校和科研等單位120較大者,則熱分布系數愈接近理論上限值mr;在多名代表出席了大會(huì )。上海同濟大學(xué)和西安有關(guān)設計院和同一尺度建筑內即S相同時(shí),f/F愈大者則最小高校的專(zhuān)家進(jìn)行了學(xué)術(shù)交流江蘇申海集團介紹了有關(guān)蒸熱分布系數mmn的值亦較大;當∫=F時(shí)則不論發(fā)冷卻與熱能回收空調應用研究成果。蒸發(fā)冷卻與熱能回Z,W,S為何值均有m=1。因而實(shí)際的熱分布系收技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的空調節能環(huán)保新技術(shù),在西北等地區具有廣泛的應用前景。有關(guān)這次交流會(huì )的內容刊載在數可以在理論熱分布系數mr分析的基礎上引入《西安制冷》19年第1期專(zhuān)輯上建筑及熱源尺度的經(jīng)驗修正而得到。(本刊通訊員黃翔)3參考文獻1B.B.巴圖林,BAM愛(ài)里帖爾門(mén)工業(yè)廠(chǎng)房自然通風(fēng)(中大型系列《制冷與空調應用技術(shù)叢書(shū)譯本)北京:冶金工業(yè)出版社,1957將陸續出版2H.A.弗努赫特,C.KO.基柯有余熱廠(chǎng)房自然通風(fēng)計算(俄).蘇聯(lián)高校通報土建版,1959,(10)由西安制冷學(xué)會(huì )主編、科學(xué)出版社出版發(fā)行的大型系3ⅡH安德烈也夫.工業(yè)企業(yè)車(chē)間內的熱濕傳播(中譯列《制冷與空調應用技術(shù)叢書(shū)》今年6月起陸續與讀者見(jiàn)本).北京:紡織工業(yè)出版社,1958面。該叢書(shū)共13分冊,書(shū)目分別為:第一冊《制冷空調原4A.A.阿伊皮多夫.接收放大管廠(chǎng)熱車(chē)間的通風(fēng)換氣理》第二冊《制冷壓縮機》第三冊《制冷設備》第四冊《電(俄).BCT,1964,(10)冰箱與冰柜》第五冊《小型冷藏與冷飲裝置》第六冊《小型5馬仁民,地板送風(fēng)氣流分布因素影響熱分布規律的研低溫冷庫》第七冊《小型果蔬冷藏氣調庫)第八冊《冷水機究暖通空調,1985,15(3)組》第九冊《空調設備》第十冊《房間空調器》第十一冊6 EO Shilkrot. Determination of design loads on room《空調中國煤化工自動(dòng)控制》、第十三冊heating& ventilation system using the method of zone by《特種CNMHG行業(yè)生產(chǎn)、運行操作zone balance. ASHRAE Trans, 1993, 90管理維修以有大制砱空調墳不刀國的科技人員。如要購7趙鴻佐,李安桂下部送風(fēng)房間空氣溫度分布的預測暖買(mǎi)該叢書(shū)請與科學(xué)出版社發(fā)行處聯(lián)系,地址:北京市東城區通空調,1998,28(5)東黃城根16號,郵政編碼:1007178 Hong-zuo Zhao, An-gui Li. A method for prediction of本刊通訊員黃翔)