1998年6月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁西北建筑工程学院学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Jun.1998第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁J.ofNWInst.ofArch.Eng.No.2

供暖房间动态热环境及热舒适分析*官燕玲(环境工程系)摘要󰀁将热舒适评价标准模型与供暖房间热环境动态数值模拟相结合,以西安地区为算例,对供暖房间11个工况进行了室内动态热环境及热舒适模拟与分析,证实了现行规范的可行性.关键词󰀁热环境,供暖;动态数值模拟;热舒适中国图书资料分类号󰀁TU832文[1]规定,对于民用建筑的主要房间,供暖室内计算温度宜采用16~20󰀂.在设计中选用哪个值才能既满足热舒适要求又节省能源,这是当今专业人员非常关注的问题.本文在实验研究的基础上把围护结构和室内空气在内的整个房间作为求解对象,并全面考虑了冷风渗透、透过窗玻璃的太阳辐射、房间内表面间的辐射换热和分别考虑了散热器的对流和辐射换热部分,用有限差分法编制了供暖房间围护结构不稳定传热的三维计算软件,并编写了PMV热环境评价指标计算子程序.两个程序结合,只要输入室外气象条件、建筑物特征参数及散热器型式,并给定人体着装及活动量条件,即可算出房间围护结构内表面温度、空气温度及室内PMV的动态值.本文以西安地区为例,对11种工况的连续供暖房间进行了计算,结果表明,对于我国寒冷地区重型密实围护结构的房屋,室内供暖计算温度定为18󰀂能满足热舒适要求.1󰀁供暖房间热环境动态数值模拟1󰀁1󰀁物理模型考虑一散热器供暖房间,以中间层房间为例,散热器布置在外墙窗台下方.相邻的房间均为供暖房间.在供暖房间中存在着如下换热过程,在室外空气温度及太阳辐射共同作用下的外墙外表面与环境的换热;窗玻璃对太阳辐射的吸收及透射;散热器对房间内表面的辐射传热及对房间空气的对流放热;房间各内表面之间通过辐射进行热量交换;房间围护结构内表面与房间空气之间的对流换热.该房间在冬季标准日的室外参数影响下进行着周期性的不稳态传*国家自然科学基金项目(59278329)收稿日期:1998󰀂03󰀂04作󰀁󰀁者:女,1954年生,讲师热,要求解室内空气温度和围护结构的内表面温度随时间的变化.为了便于数值模拟,对上述物理问题做了如下简化假设.(1)设室内空气温度均一,即把室内空气视为集总热容体.(2)室内房门视与内墙相同,不单独计算.(3)散热器假设为一个平面,其面积为散热器的投影面积,紧贴在外墙内表面的窗下.散热器对流和辐射散热的比例,根据实测数据,按文献[2]给定的值取定.散热器的辐射散热部分按假设的投影面积对各内表面的辐射角系数分配至内墙各个表面.(4)透过窗户进入室内的太阳辐射,假定按面积均匀分配在房间的内表面及人体表面上[3].(5)透过窗户的冷风渗透按缝法计算[4].1󰀁2󰀁数学模型在计算中,把整个房间作为一个热力系统,室内空气和围护结构分为两个子系,分别建立各自的控制方程,然后联立求解.1󰀁2󰀁1󰀁室内空气控制方程󰀁室内空气视为一个集总热容系统,计及围护结构7个内表面(包括窗)的对流换热量Qc(󰀁),散热器外表面对流换热量Qh(󰀁)以及冷风渗透热量Qs(󰀁)的影响,据热力学第一定律有󰀂acpaVa Ta(󰀁) 󰀁=Qc(󰀁)+Qh(󰀁)+Qs(󰀁)(1)式中:󰀂a及cpa分别为室内温度Ta(󰀁)对应的密度及比热容;Va为房间体积.Qc(󰀁),Qh(󰀁)由对流换热公式计算.Qs(󰀁)=󰀂0cpoV0[T0(󰀁)-Ta(󰀁)](2)式中:󰀂0,Cpo分别为室外空气温度T0(󰀁)对应的密度及比热容;V0为冷风渗透体积流量.1󰀁2󰀁2󰀁围护结构导热控制方程设围护结构有j(j=17)面墙构成,每一面墙由k(k=1n)层材料组成,第j面墙第k层的温度为Tj,k(󰀁,x,y,z),据导热微分方程有 Tj.k 󰀁=aj,k[ 2Tj,k x2j+ 2Tj,k y2j+ 2Tj,k z2j](3)1󰀁2󰀁3󰀁边界条件围护结构内表面的边界条件kj,n Tj,n(󰀁) xj=hj,n [Ta(󰀁)-Tj,n(󰀁)]+qr1(󰀁)+qr2(󰀁)+qr3(󰀁)(4)式中:kj,n为第j面墙内层材料的导热系数;hj,n为第j面墙内表面对流换热系数;qr1(󰀁),qr2(󰀁)及qr3(󰀁)分别为散热器放热量的辐射放热份额、透过窗户的太阳辐射及围护结构内表面间的辐射换热量;Ti(󰀁)为室内综合温度.外墙外表面(或屋面)的边界条件-kj,1 Tj,1 xj=h0[Tz(󰀁)-Tj,1](5)式中:h0为外墙表面总换热系数;Tz(󰀁)为室外综合温度.1󰀁3󰀁散热器面积的确定为了评价现行设计规范,本文按稳态法先计算出房间的供暖设计热负荷Q,然后用公2󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁西󰀁北󰀁建󰀁筑󰀁工󰀁程󰀁学󰀁院󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁1998年式F=Qk(tp,j-tn) 1 2 3分别计算出11种工况所需散热器面积,在该面积下对这11种工况进行热环境的动态计算.式中,tp,j=282.5󰀂,tn=18󰀂.在计算Q时,室内外计算温度分别为18󰀂-5󰀂;围护结构传热朝向修正系数定为,南向!20%,北向0%,东向!5%.2󰀁供暖房间热舒适模型现行的热舒适标准,如国际标准ISO7730以及美国供暖制冷空调工程学会标准ASHRAE55!92,都以丹麦技术大学Fanger教授建立的热舒适模型为基础,用PMV(PredictedMeanVote)作为热舒适的评价.根据Fanger教授建立的热舒适模型,在人体热负荷的计算中考虑了以下几项内容:(1)人体净产热量,H=M(1-!),W/m2;(2)辐射热交换:R=3.9∀10-8∀fcl(T4cl-T4mrt),W/m2;(3)对流热交换,C=fclhc(tcl-ta),W/m2;(4)呼吸潜热损失,Eres=0.0173M(5󰀁87-pa)及呼吸显热损失Cres=0.0014M(34-ta),W/m2;(5)皮肤蒸发热损失,考虑本文研究的是冬季供暖房间静坐人体的热舒适,因此将这项热损失忽略不计[5].另外,还考虑了透过窗玻璃的太阳辐射对人体的得热S,W/m2.单位人体表面积的人体热负荷可以用数学式表达为L=H+S-R-C-Eres-Cres󰀁󰀁(W/m2)(6)PMV的计算公式为PMV=(0.303e-0.036M+0.0275)L(7)󰀁󰀁以上各式中的参数,M为人体新陈代谢率,定为58W/m2(坐着休息);!为机械效率,定为0%;hc为服装外表面对流换热系数,定为4󰀁0W/m2󰀂[5];pa为人体周围空气的水蒸汽压力,kPa(相对温度∀=50%);Icl,Ry均为服装热阻,Icl为1󰀁0clo,Ry为0󰀁016m2 C/W(典型的冬季室内服装);ta为室内空气温度,󰀂(代入动态模拟值);fcl为服装面积系数;fcl=1󰀁05+0.645Ry[6];Tmrt为平均辐射温度,K:T4mrt=#8i=1T4iFp-i(8)式中:T1~7为房间围护结构内表面平均温度(代入动态模拟值);T8为散热器表面温度;Fp-i为人体对室内表面及散热器的角系数,根据文[5]计算;tcl为着装人体表面温度,󰀂,根据下面等式求出[5]H-Eres-Cres=K󰀁(W/m2)(9)式中:K为由皮肤表面到服装外表面通过服装的传导热损失[5].K=tmsk-tcl0.155Icl(10)式中:tmsk为人体皮肤平均温度,tmsk=35.7󰀂-0.0275H,󰀂.3第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁官燕玲:供暖房间动态热环境及热舒适分析󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁3󰀁计算结果及分析3󰀁1󰀁室内空气温度的响应及分析计算结果的特征值见表1.数据表明,室内空气温度的时均值均高于设计值18󰀂,高出值在般在1󰀂以内,而且全天波动很小,较大值为1󰀁529󰀂及1󰀁270󰀂,分别出现在中间层朝南的晴天工况和具有东北两面外墙的阴天工况,其余9个工况均小于1󰀂.表1󰀁供暖房间室内空气特征值房间特征工况号层次朝向天气空气温度/󰀂时均值最大值最小值最大波动值1顶层北阴19.09819.33818.9080.5792顶层南阴18.29518.59918.0350.5643中间北晴18.93819.24018.7170.5234中间南晴21.22822.11320.5841.5295中间北阴18.63818.90618.4290.4776中间南阴17.73018.03418.2490.5667中间东、北阴19.04019.28018.0201.2708*中间北阴19.04919.15818.9620.1969**中间北阴18.59018.86418.3830.48110底层北阴18.57418.90018.3210.57911底层南阴17.90418.29717.6120.685󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁注:表中*为钢制串片散热器,**为铸铁四柱760,其余为钢制柱式640.3󰀁2󰀁围护结构内表面温度的响应及分析计算结果的特征值见表2.数据表明,对于常用的重型密实围护结构,由于衰减度及延迟时间均较大,因此,一天24h围护结构内表面温度变化不超过2󰀂,内墙与外墙内表面温度相差不大于7󰀂,而且外墙内表面温度值在非稳态和稳态情况下的偏差不大于2󰀂.󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁表2󰀁围护结构内表面温度的特征值󰀂工况号T1maxT1minT2maxT2minT3maxT3minT4maxT4minT5maxT5minT6maxT6min116.15915.80418.90018.,74919.11519.00313.33012.8786.5060.71918.38218.261217.51017.34518.02217.69617.96117.80113.03012.4886.2710.13117.61617.406318.52818.40519.04818.83819.06718.95613.72413.2556.6960.59618.72618.515421.50120.70722.40121.00721.95021.17018.07515.8619.3301.54722.15720.701518.20318.10018.70718.54318.74518.66113.35612.9066.5120.41918.38218.216617.51017.34518.02217.69617.96117.80113.03012.4886.2710.13117.61617.406717.93917.85118.56418.41218.81318.73612.913124756.4080.32214.05813.660818.03817.94018.37118.21218.35118.26313.30312.8696.5100.42018.11117.950918.28818.18318.84518.68018.90218.80713.40012.9486.5480.46518.50018.3221017.98217.86218.35818.16317.05716.94613.26112.7816.4070.29318.01817.8201117.68417.48817.92517.56216.67116.40613.15312.5666.2720.10417.62517.261󰀁注:T1~T6代表的温度分别为:顶棚;与外墙相对的内墙;地板;外墙;窗玻璃;侧内墙4󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁西󰀁北󰀁建󰀁筑󰀁工󰀁程󰀁学󰀁院󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁1998年