暖通空調(diào)HV&AC計(jì)熱分布系數(shù)結(jié)構(gòu)分析西安建筑科技大學(xué)趙鴻佐☆趙蕾西北電力設(shè)計(jì)院王修川提要熱分布系數(shù)作為評(píng)價(jià)通風(fēng)系統(tǒng)效率的重要指標(biāo)之一,迄今除試驗(yàn)外尚無(wú)其他定值方法。應(yīng)用作者的溫度預(yù)測(cè)方法,證實(shí)了熱分布系數(shù)是熱分層高度及房間輻射傳遞因子的函數(shù)。得出的熱分布系數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好關(guān)鍵詞熱分布系數(shù)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(shù)以及它的倒數(shù)溫度效率或通風(fēng)系近年E.O. shilkrot'6提出室內(nèi)氣流紊流擴(kuò)散傳輸統(tǒng)能量利用效率是評(píng)價(jià)通風(fēng)效率的重要指標(biāo)之一。的熱量在數(shù)值上相當(dāng)有限,因此建議采用分區(qū)熱平雖然對(duì)它的研究可以迫溯到近半個(gè)世紀(jì)以前,但迄衡近似計(jì)算熱分布系數(shù)的方法。由此可見(jiàn)認(rèn)識(shí)正今為止除試驗(yàn)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(yù)測(cè)熱分布從1953年B.B.巴圖林指出了熱分布系數(shù)與熱源系數(shù)的目標(biāo)是可以預(yù)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(shù)的函數(shù)結(jié)構(gòu)H.A.弗努赫特2繼續(xù)在此基礎(chǔ)上做過(guò)一些工作,由于熱分布系數(shù)本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)受限空間內(nèi)并對(duì)BB巴圖林的認(rèn)識(shí)有所補(bǔ)充與修正;隨后Ⅱ.的熱對(duì)流擴(kuò)散問(wèn)題,因此它與一切建筑、熱源和通H安德烈夫認(rèn)為熱分布研究應(yīng)以里查遜數(shù)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(shù)Ar)作為非等溫流動(dòng)分析的特征參中國(guó)煤化工數(shù);實(shí)踐中∏A.阿伊皮多夫4及馬仁民5先后應(yīng)CNMH☆用Ar來(lái)統(tǒng)一歸納不同送風(fēng)方式效果的試驗(yàn)數(shù)據(jù);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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)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(shù),即表1基本熱源模式特征1.1僅有熱t(yī)w.zo熱源模式溫度分布F對(duì)流擴(kuò)散時(shí)Fm(Q,G,V,F,h,n,…)(1)A空均布等斜率0H0熱分布系數(shù)的函數(shù)結(jié)構(gòu)其中m為熱分布系數(shù);tw,z為工作區(qū)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(nèi)排熱量,W;G為通風(fēng)量,m3/s;V為建筑容注:表中W為室內(nèi)輻射傳遞因子溫度分布線積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(shù)。m=f(Z,△)然而,室內(nèi)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(nèi)頂棚處與熱分法解出表示熱分布系數(shù)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(yàn)結(jié)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(tǒng)一,從而形成當(dāng)前研究與應(yīng)用上局限于經(jīng)驗(yàn)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(rèn)識(shí)的原因。式(1)有相同的變?cè)?由于一般書(shū)刊中只有點(diǎn)熱源作者在文獻(xiàn)7,8]中指出:在有余熱的下部送或線熱源的解,而最重要、最實(shí)用的應(yīng)是面熱源的風(fēng)房間,室內(nèi)溫度分布是一個(gè)增函數(shù)。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(duì)典型熱源分布條件在流向限定的前提下對(duì)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(gòu)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(shù)既是一些工程因素的函數(shù)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(jù),也就有可能得到式(1)的解了。間的阿基米德數(shù),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(nèi)的所有子,試驗(yàn)常數(shù);P為溫度分布因子,試驗(yàn)常數(shù);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(duì)無(wú)限空1忙A,B,C是3種基本間中熱源上的自然對(duì)流熱運(yùn)動(dòng)所作限化熱源模式所對(duì)應(yīng)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(yàn)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(fù)合而成的源高度h3及均勻散布的熱源個(gè)數(shù)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?gòu)谋?表達(dá)式中。圖中△為地板表面上空氣溫度的特征參數(shù)及圖1是一個(gè)變化不大的值,因?yàn)樵谑芟蘅臻g內(nèi)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(kuò)展而形成一個(gè)溫度是C的,也是AB及的小梯度區(qū)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(guó)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(xiàn)[8]給出了進(jìn)行分析。Δ=P2(tE-to)(6)暖通空調(diào)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(yàn)表達(dá)式為Z及△的函數(shù)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(nèi)f/F愈大mmmT=f(Z)(7)值也隨之增大,按式(9)計(jì)算結(jié)果與直接試驗(yàn)結(jié)果則m可以稱(chēng)做理論的熱分布系數(shù)上限值,因?yàn)槭降谋容^列于表3。mm的存在說(shuō)明當(dāng)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(nèi)降低m值,但當(dāng)范圍內(nèi)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(jù)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(jì)算值與試驗(yàn)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(yàn)值0.440.760.670.370.300.410.100.230.120.2標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)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(duì)于同一建筑內(nèi)部,在m=1到mm之間,m函數(shù)。利用式(8)這個(gè)理論構(gòu)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(shù)的解,為此需要進(jìn)行有較寬廣的覆蓋范圍的大樣本試驗(yàn),這只有采用計(jì)算它們的變化軌跡是相同的,區(qū)別只是fF愈大就愈早到達(dá)mmin而已。對(duì)于不同的建筑,則各自有機(jī)模擬試驗(yàn)才能迅速有效地完成。筆者應(yīng)用以K-ε二方程紊流數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的三維其對(duì)應(yīng)的軌線,即S=√V愈大者,它離理論的mPHONICS程序,對(duì)在表2所列的參數(shù)條件范圍內(nèi)值上限曲線愈近,應(yīng)用式(8)及3種不同大小建筑的107組試驗(yàn)進(jìn)行了分析,試驗(yàn)包括了3種不同大的試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果的全部數(shù)據(jù)整m=1-C|16(3)045(10)理后歸納在圖2中式中的中括號(hào)部分表示用試驗(yàn)方法得到的式(2)與表2模擬試驗(yàn)參數(shù)跨度式(8)間的差異。應(yīng)用式(10)計(jì)算m值時(shí),對(duì)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(duì)于最小的f/F值,計(jì)算也僅在m>0.2部分有效,因?yàn)楫?dāng)m<0.2時(shí)既無(wú)實(shí)用意義而且計(jì)算誤差1.0Af"F,-1,"16°?雜迅速發(fā)散。而在適用范圍內(nèi),即m>0.2范圍內(nèi)使用,則計(jì)算與試驗(yàn)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(yàn)基礎(chǔ)上的,因而總體上它對(duì)于下部送風(fēng)的貼地面源問(wèn)題是有足夠的可靠性的,對(duì)于離地面源問(wèn)題因?yàn)樵囼?yàn)的覆蓋面不夠大,因而在此暫且不論。1.2有輻射熱轉(zhuǎn)移時(shí)的熱分布系數(shù)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(guó)煤化以對(duì)流熱直接加熱CNM則無(wú)異于在室內(nèi)產(chǎn)生周?chē)?L,.,mx圖2計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)結(jié)果了一個(gè)位移的次熱源,而且次熱源的位置愈低,對(duì)圖2顯示對(duì)于每一個(gè)建筑熱源條件,存在一個(gè)熱分布系數(shù)的影響也愈大,因此輻射熱轉(zhuǎn)移的主要不依Z值大小而改變的最小熱分布系數(shù)值mm,影響可以簡(jiǎn)化地歸結(jié)到地板表面氣溫的變化上。·4·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(jù)熱分布系數(shù)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(zhuǎn)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(dāng)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線亦退化成A及C線。當(dāng)W在0-1之間變溫度差之比因?yàn)樗且粋€(gè)反映室內(nèi)輻射熱轉(zhuǎn)移的化時(shí),mr曲線的變化略示如圖4。即輻射傳遞使存在對(duì)室溫分布或熱分布系數(shù)影響的一個(gè)指標(biāo),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(nèi)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(jié)合圖2的上的輻射熱量QF與室內(nèi)總散熱量Q。之比,即試驗(yàn)結(jié)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)系曲線實(shí)際熱分布系數(shù)②室內(nèi)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(xiàn)[8]有(1-W)(18)(13)因?yàn)橘N地面源對(duì)地板的輻射為0,故此時(shí)應(yīng)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(shù)W/(m2K);a。為對(duì)流的結(jié)論,即熱分布系數(shù)不僅是熱分層高度Z而且換熱系數(shù),W/(m2·K)。如果同時(shí)存在情況①及②也是室內(nèi)輻射傳遞因子W的函數(shù)。對(duì)Z及W的則采用圖3的符號(hào)標(biāo)記,此時(shí)式(13)應(yīng)改為預(yù)先計(jì)算,使得m表達(dá)式中的變?cè)獢?shù)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(duì)Z,W,m等的影響是不同的,但式(17)所揭示的規(guī)律及式(18)等對(duì)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(yàn)輻射作用存在與否的區(qū)別,下W=W1+W2a△tE面引用馬仁民教授提供的試驗(yàn)條件及結(jié)果并歸納=W1+W2(1-W1)圖3存在輻射整理在圖5中。試驗(yàn)是在V=5075m3的試驗(yàn)室時(shí)的溫度分布內(nèi)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(hào)含義見(jiàn)Q+EG(1+1集中排風(fēng),熱源為體熱源,試驗(yàn)中的熱源個(gè)數(shù)是1圖1注,下角標(biāo)1,2分別表示①或2且均位于房間中部。試驗(yàn)條件的W的平均值②兩種情況(15)按式(16)計(jì)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(yàn),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(shù)N與容積的乘積則熱分層高度經(jīng)驗(yàn)式近似處理的。此時(shí)式(15)可以簡(jiǎn)化成中國(guó)煤化工h對(duì)CNMHG圖5中的虛線表示W(wǎng)QQ(16)離地面源在W=0時(shí)之實(shí)驗(yàn)曲線,實(shí)線則是對(duì)近50已知W后,再回到圖1中AB及BC線表示個(gè)數(shù)據(jù)歸納得到的體熱源在W=0.2時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲暖通空調(diào)HV&AC專(zhuān)題研討·5·線,兩者room temperature distribution. Proceedings of roomvent在相對(duì)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(bào),1998,(4)變化趨方體熱平面熱源勢(shì)上的·簡(jiǎn)訊致,對(duì)《中央空調(diào)的清洗與保養(yǎng)》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(guó)藍(lán)星化學(xué)清洗總公司編輯的《中央空調(diào)的清洗利的。與保養(yǎng)》已于1999年5月出版。該書(shū)具有較強(qiáng)的知識(shí)性和2結(jié)論實(shí)用性較為系統(tǒng)、詳細(xì)地介紹了中央空調(diào)的結(jié)構(gòu);中央空?qǐng)D5存在和不存在輻射交換調(diào)的腐蝕、結(jié)垢及危害;中央空調(diào)清洗的意義、機(jī)理、藥劑作用時(shí)的熱分布系數(shù)21熱工藝;中央空調(diào)水系統(tǒng)的水質(zhì)處理維護(hù)與保養(yǎng);中央空調(diào)分布系清洗實(shí)例。數(shù)或溫度效率是有規(guī)律的,因而也是可以定量預(yù)測(cè)該書(shū)定價(jià)50元/本(包括掛號(hào)郵寄費(fèi))需要者可直接22熱分布系數(shù)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(qū)北土城的與《化學(xué)清(17)。對(duì)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(nèi)輻射傳遞因子W則表示成式(15)或(16)。亦即理論熱分布系數(shù)是熱分層高度Z及空調(diào)新技術(shù)交流會(huì)室內(nèi)輻射傳遞因子W的函數(shù)。西安制冷學(xué)會(huì)、陜西省暖通空調(diào)學(xué)術(shù)委員會(huì)、陜西省暖2.3建筑及熱源尺度變化對(duì)熱分布系數(shù)的主要影通空調(diào)信息網(wǎng)與江蘇申海集團(tuán)聯(lián)合主辦的蒸發(fā)冷卻與熱能回收空調(diào)新技術(shù)交流會(huì)于1999年4月22日在西安建國(guó)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(qū)各設(shè)計(jì)院、高校和科研等單位120較大者,則熱分布系數(shù)愈接近理論上限值mr;在多名代表出席了大會(huì)。上海同濟(jì)大學(xué)和西安有關(guān)設(shè)計(jì)院和同一尺度建筑內(nèi)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(tuán)介紹了有關(guān)蒸熱分布系數(shù)mmn的值亦較大;當(dāng)∫=F時(shí)則不論發(fā)冷卻與熱能回收空調(diào)應(yīng)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(diào)節(jié)能環(huán)保新技術(shù),在西北等地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景。有關(guān)這次交流會(huì)的內(nèi)容刊載在數(shù)可以在理論熱分布系數(shù)mr分析的基礎(chǔ)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(yàn)修正而得到。(本刊通訊員黃翔)3參考文獻(xiàn)1B.B.巴圖林,BAM愛(ài)里帖爾門(mén)工業(yè)廠房自然通風(fēng)(中大型系列《制冷與空調(diào)應(yīng)用技術(shù)叢書(shū)譯本)北京:冶金工業(yè)出版社,1957將陸續(xù)出版2H.A.弗努赫特,C.KO.基柯有余熱廠房自然通風(fēng)計(jì)算(俄).蘇聯(lián)高校通報(bào)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(nèi)的熱濕傳播(中譯列《制冷與空調(diào)應(yīng)用技術(shù)叢書(shū)》今年6月起陸續(xù)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(cè),書(shū)目分別為:第一冊(cè)《制冷空調(diào)原4A.A.阿伊皮多夫.接收放大管廠熱車(chē)間的通風(fēng)換氣理》第二冊(cè)《制冷壓縮機(jī)》第三冊(cè)《制冷設(shè)備》第四冊(cè)《電(俄).BCT,1964,(10)冰箱與冰柜》第五冊(cè)《小型冷藏與冷飲裝置》第六冊(cè)《小型5馬仁民,地板送風(fēng)氣流分布因素影響熱分布規(guī)律的研低溫冷庫(kù)》第七冊(cè)《小型果蔬冷藏氣調(diào)庫(kù))第八冊(cè)《冷水機(jī)究暖通空調(diào),1985,15(3)組》第九冊(cè)《空調(diào)設(shè)備》第十冊(cè)《房間空調(diào)器》第十一冊(cè)6 EO Shilkrot. Determination of design loads on room《空調(diào)中國(guó)煤化工自動(dòng)控制》、第十三冊(cè)heating& ventilation system using the method of zone by《特種CNMHG行業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)行操作zone balance. ASHRAE Trans, 1993, 90管理維修以有大制砱空調(diào)墳不刀國(guó)的科技人員。如要購(gòu)7趙鴻佐,李安桂下部送風(fēng)房間空氣溫度分布的預(yù)測(cè)暖買(mǎi)該叢書(shū)請(qǐng)與科學(xué)出版社發(fā)行處聯(lián)系,地址:北京市東城區(qū)通空調(diào),1998,28(5)東黃城根16號(hào),郵政編碼:1007178 Hong-zuo Zhao, An-gui Li. A method for prediction of本刊通訊員黃翔)