热分布系数结构分析

暖通空调HV&AC计热分布系数结构分析西安建筑科技大学赵鸿佐☆赵蕾西北电力设计院王修川提要热分布系数作为评价通风系统效率的重要指标之一,迄今除试验外尚无其他定值方法。应用作者的温度预测方法,证实了热分布系数是热分层高度及房间辐射传递因子的函数。得出的热分布系数数学表达式与试验结果吻合良好关键词热分布系数热分层高度房间辐射传递因子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热分布系数以及它的倒数温度效率或通风系近年E.O. shilkrot'6提出室内气流紊流扩散传输统能量利用效率是评价通风效率的重要指标之一。的热量在数值上相当有限,因此建议采用分区热平虽然对它的研究可以迫溯到近半个世纪以前,但迄衡近似计算热分布系数的方法。由此可见认识正今为止除试验之外尚无其他有效的定值方法。自在不断提高、充实和发展,因而最终的预测热分布从1953年B.B.巴图林指出了热分布系数与热源系数的目标是可以预期的及建筑面积比之间具有某种定量关系1之后,1热分布系数的函数结构H.A.弗努赫特2继续在此基础上做过一些工作,由于热分布系数本质上说是一个受限空间内并对BB巴图林的认识有所补充与修正;随后Ⅱ.的热对流扩散问题,因此它与一切建筑、热源和通H安德烈夫认为热分布研究应以里查逊数R风条件有关择甚要者它首先是以下多个工程物(或阿基米德数Ar)作为非等温流动分析的特征参中国煤化工数;实践中∏A.阿伊皮多夫4及马仁民5先后应CNMH☆用Ar来统一归纳不同送风方式效果的试验数据;10055西安建筑科技大学环境工程系029)5524305收稿日期:1998-05国家自然科学基金资助项目(编号59608003)犒件修回日期:1999-06-182·专题研讨1999年第29卷第4期理因素及几何因素的函数,即表1基本热源模式特征1.1仅有热tw.zo热源模式温度分布F对流扩散时Fm(Q,G,V,F,h,n,…)(1)A空均布等斜率0H0热分布系数的函数结构其中m为热分布系数;tw,z为工作区平均温B.底平面均布零梯度由图1度,℃;to为进风温度,℃;tr为排风温度,℃;Q为C.底部集中二段斜率10~H0中,A,B,C室内排热量,W;G为通风量,m3/s;V为建筑容注:表中W为室内辐射传递因子温度分布线积m3;F为建筑地板面积,m2;f为热源面积,m2;可知h为热源高度,m;ns为热源个数。m=f(Z,△)然而,室内动量及热量平衡的微分方程组又无式中Z为热分层高度,m;△为室内顶棚处与热分法解出表示热分布系数与各物理量间的关系,也就层高度处的温差,℃。若已知Z及△则m可以确使得在不同条件下得到的试验结果无法科学地归定,式中热分层高度Z可以通过热源上浮力羽流纳统一,从而形成当前研究与应用上局限于经验性的解并使用下送风时的双室模型而得出,而且它与认识的原因。式(1)有相同的变元,由于一般书刊中只有点热源作者在文献7,8]中指出:在有余热的下部送或线热源的解,而最重要、最实用的应是面热源的风房间,室内温度分布是一个增函数。而决定室温解,为此笔者最近求得它的两个近似解9为垂直分布的主要因素是气流平均流速及流向和热接近正方形的矩形面热源源分布条件及散热方式。工程中热源分布条件可zn=1/2m1以归纳成3种基本模式,即A.空间均布热源,B.底(3)平面均布热源,C.底部集中热源。如果对典型热源分布条件在流向限定的前提下对室温分布逐宽带状面热源加以研究,则凡是由典型热源分布的不同组合构成6 2mP的实际问题都是可以定量解决的。由于热分布系数既是一些工程因素的函数同时又是以3个温度其中zF为面热源时的热分层高度,m;Ar为房值来定义的,因此只要知道温度变化的物理根据,也就有可能得到式(1)的解了。间的阿基米德数,A=EQV5;m为速度分布因讨论图1中A及B所包围的三角形内的所有子,试验常数;P为温度分布因子,试验常数;b为温度变化图式,即5热源的半宽,m。种基本变化,其中从本义上说热分层高度Z实际上是对无限空1忙A,B,C是3种基本间中热源上的自然对流热运动所作限化热源模式所对应的近似处理,因而面源的解中同时显示了Ar,V温度模式,而AB及f/F这3个重要变量的关系。如果再加上半经验BC则是由A+B及处理及流量修正还可以将离地面源或体热源的热B+C复合而成的源高度h3及均匀散布的热源个数n引人到ZF的图1基本热源模式下的温度分布温度分布,再从表1表达式中。图中△为地板表面上空气温度的特征参数及图1是一个变化不大的值,因为在受限空间内与送风温度之差,△tE为顶棚与地板温度之差可见,A及B不仅热源上的热气流上升后横向扩展而形成一个温度是C的,也是AB及的小梯度区间,在理论上说假如混合充分则得到它BC的两个极限状况因此研究这5种分布基本上的中国煤化工也就概括了下部送风条件下的室温实际可能分布。CNMHG(5)为了使讨论能逐步深化,下面将问题分成两类依次虽然文献[8]给出了进行分析。Δ=P2(tE-to)(6)暖通空调Iv&AC专题研讨·3式中P为热源的辐射百分比。但因式(2)中的它的经验表达式为Z及△的函数组成仍是未知的,因而只好退而求其次,即因知△=0时有m的最大值,则由式(2)mmn=3.4(0.05+)(9)可先求解式中S=√V。即在同一建筑内f/F愈大mmmT=f(Z)(7)值也随之增大,按式(9)计算结果与直接试验结果则m可以称做理论的热分布系数上限值,因为式的比较列于表3。mm的存在说明当Q值一定(7)是以式(5)为条件而存在的,所以在任意Z值时,加大风量固然能在一定范围内降低m值,但当范围内m值总要比实际上的m值为大。mr可以m降到mm之后,再增大通风量就不能进一步改根据图1及表1条件由m值的定义而直接写出:善通风效果了。(8)表3mm计算值与试验值比较T0.12345678910备注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试验值0.440.760.670.370.300.410.100.230.120.2标准偏差计算值0.460750.540.310.330460190.20.120.22d=0.035可见式(8)是一个随ZF值增大而逐渐减小的递减对于同一建筑内部,在m=1到mm之间,m函数。利用式(8)这个理论构架就有可能较容易地随ZF的变化与fF无关,即不论fF大小如何最终得到实际的热分布系数的解,为此需要进行有较宽广的覆盖范围的大样本试验,这只有采用计算它们的变化轨迹是相同的,区别只是fF愈大就愈早到达mmin而已。对于不同的建筑,则各自有机模拟试验才能迅速有效地完成。笔者应用以K-ε二方程紊流数学模型为基础的三维其对应的轨线,即S=√V愈大者,它离理论的mPHONICS程序,对在表2所列的参数条件范围内值上限曲线愈近,应用式(8)及3种不同大小建筑的107组试验进行了分析,试验包括了3种不同大的试验结果,可以归纳得到m=1-mm间的方程小的建筑及10种fF值热源为中置单个贴地面为源,通风方式为下送上排,试验结果的全部数据整m=1-C|16(3)045(10)理后归纳在图2中式中的中括号部分表示用试验方法得到的式(2)与表2模拟试验参数跨度式(8)间的差异。应用式(10)计算m值时,对于已Q/W G/m/s Ar V/m F/m2 f/m2知的f/F,它的有效值仅在m>mmn部分。即使432~2.5~17.5~0.25900005400095052360036080对于最小的f/F值,计算也仅在m>0.2部分有效,因为当m<0.2时既无实用意义而且计算误差1.0Af"F,-1,"16°?杂迅速发散。而在适用范围内,即m>0.2范围内使用,则计算与试验的误差一般约小于0.05。由于=52.536式(9)及(10)是建立在理论分析与大样本试验基础上的,因而总体上它对于下部送风的贴地面源问题是有足够的可靠性的,对于离地面源问题因为试验的覆盖面不够大,因而在此暂且不论。1.2有辐射热转移时的热分布系数平面热源h:=0=0听墙尸红热经常同时存在,即与上中国煤化以对流热直接加热CNM则无异于在室内产生周围,L,.,mx图2计算机模拟试验结果了一个位移的次热源,而且次热源的位置愈低,对图2显示对于每一个建筑热源条件,存在一个热分布系数的影响也愈大,因此辐射热转移的主要不依Z值大小而改变的最小热分布系数值mm,影响可以简化地归结到地板表面气温的变化上。·4·专题研讨1999年第29卷第4期下部进风的房间如果不是由于辐射的原因,除了地的温度分布,根据热分布系数定义可以直接写出板自身是热源的情况以外,空气温度在地板附近是mT=1-C(1-W)(17)与进气温度相同的。反之在辐射作用存在时,地板因得到辐射热并转而加热了周围的空气因此可令式中z<2,C=2FW=tFo- toZF>2,C=1-式中tPo为地板表面上的空气温度,℃。及当W=0时式(17)退化成式(8),图1中的AB及含义同式(1)。W表示地板及天棚处气温与进气BC线亦退化成A及C线。当W在0-1之间变温度差之比因为它是一个反映室内辐射热转移的化时,mr曲线的变化略示如图4。即辐射传递使存在对室温分布或热分布系数影响的一个指标,理论的热分布上W愈大说明辐射的影响愈大,在不考虑辐射传递时W=0,所以可以称W为室内辐射传递因子。如以式(17)代替它的大小取决于两种情况:①热源直接投射到地板式(8)结合图2的上的辐射热量QF与室内总散热量Q。之比,即试验结果,即可得到贴地面源考(12)虑辐射交换时的图4m与W的关系曲线实际热分布系数②室内由表面温度为tE的天棚向表面温度为t式的地板辐射热量,并经地板加热周围空气时,由文献[8]有(1-W)(18)(13)因为贴地面源对地板的辐射为0,故此时应有W=F\a+。)+1W2。式(17)及(18)显示了比式(8)及(10)更完整式中an为辐射换热系数W/(m2K);a。为对流的结论,即热分布系数不仅是热分层高度Z而且换热系数,W/(m2·K)。如果同时存在情况①及②也是室内辐射传递因子W的函数。对Z及W的则采用图3的符号标记,此时式(13)应改为预先计算,使得m表达式中的变元数量大大减少了,亦即Z及W在求解m中起了一个中间变量的△作用。虽然不同形状热源对Z,W,m等的影响是不同的,但式(17)所揭示的规律及式(18)等对贴地(14)面源求解的例证说明了,m值可以求解的事实是则毋庸置疑的了。△tE为了进一步检验辐射作用存在与否的区别,下W=W1+W2a△tE面引用马仁民教授提供的试验条件及结果并归纳=W1+W2(1-W1)图3存在辐射整理在图5中。试验是在V=5075m3的试验室时的温度分布内进行的,通风采用3种不同风口的地板送风顶部图中符号含义见Q+EG(1+1集中排风,热源为体热源,试验中的热源个数是1图1注,下角标1,2分别表示①或2且均位于房间中部。试验条件的W的平均值②两种情况(15)按式(16)计算为0.2,由于笔者并未专门进行过体如果将式(15)中的p,Cp,ar,ac以常量代入,并将热源的试验,因此图5是用笔者得到的离地面源的风量改成房间小时换气次数N与容积的乘积则热分层高度经验式近似处理的。此时式(15)可以简化成中国煤化工h对CNMHG图5中的虚线表示WQQ(16)离地面源在W=0时之实验曲线,实线则是对近50已知W后,再回到图1中AB及BC线表示个数据归纳得到的体热源在W=0.2时的实验曲暖通空调HV&AC专题研讨·5·线,两者room temperature distribution. Proceedings of roomvent在相对98, 1998. Stockholm位置及9赵蕾面热源上浮力羽流的近似解西安建筑科技大学学报,1998,(4)变化趋方体热平面热源势上的·简讯致,对《中央空调的清洗与保养》肯定前0.2V=50.75书出版f-0.25a2h=0.6m面的分析是有由中国蓝星化学清洗总公司编辑的《中央空调的清洗利的。与保养》已于1999年5月出版。该书具有较强的知识性和2结论实用性较为系统、详细地介绍了中央空调的结构;中央空图5存在和不存在辐射交换调的腐蚀、结垢及危害;中央空调清洗的意义、机理、药剂作用时的热分布系数21热工艺;中央空调水系统的水质处理维护与保养;中央空调分布系清洗实例。数或温度效率是有规律的,因而也是可以定量预测该书定价50元/本(包括挂号邮寄费)需要者可直接22热分布系数的理论上限值可以表示成式西路洗》编辑部联系:1000北京市朝阳区北土城的与《化学清(17)。对于面热源,热分层高度ZF可从式(3)及蒸发冷却与热能回收(4)得到,室内辐射传递因子W则表示成式(15)或(16)。亦即理论热分布系数是热分层高度Z及空调新技术交流会室内辐射传递因子W的函数。西安制冷学会、陕西省暖通空调学术委员会、陕西省暖2.3建筑及热源尺度变化对热分布系数的主要影通空调信息网与江苏申海集团联合主办的蒸发冷却与热能回收空调新技术交流会于1999年4月22日在西安建国饭响是:热分层高度Z相同时,较大的建筑空间即S店举行。来自西安地区各设计院、高校和科研等单位120较大者,则热分布系数愈接近理论上限值mr;在多名代表出席了大会。上海同济大学和西安有关设计院和同一尺度建筑内即S相同时,f/F愈大者则最小高校的专家进行了学术交流江苏申海集团介绍了有关蒸热分布系数mmn的值亦较大;当∫=F时则不论发冷却与热能回收空调应用研究成果。蒸发冷却与热能回Z,W,S为何值均有m=1。因而实际的热分布系收技术是近年来发展的空调节能环保新技术,在西北等地区具有广泛的应用前景。有关这次交流会的内容刊载在数可以在理论热分布系数mr分析的基础上引入《西安制冷》19年第1期专辑上建筑及热源尺度的经验修正而得到。(本刊通讯员黄翔)3参考文献1B.B.巴图林,BAM爱里帖尔门工业厂房自然通风(中大型系列《制冷与空调应用技术丛书译本)北京:冶金工业出版社,1957将陆续出版2H.A.弗努赫特,C.KO.基柯有余热厂房自然通风计算(俄).苏联高校通报土建版,1959,(10)由西安制冷学会主编、科学出版社出版发行的大型系3ⅡH安德烈也夫.工业企业车间内的热湿传播(中译列《制冷与空调应用技术丛书》今年6月起陆续与读者见本).北京:纺织工业出版社,1958面。该丛书共13分册,书目分别为:第一册《制冷空调原4A.A.阿伊皮多夫.接收放大管厂热车间的通风换气理》第二册《制冷压缩机》第三册《制冷设备》第四册《电(俄).BCT,1964,(10)冰箱与冰柜》第五册《小型冷藏与冷饮装置》第六册《小型5马仁民,地板送风气流分布因素影响热分布规律的研低温冷库》第七册《小型果蔬冷藏气调库)第八册《冷水机究暖通空调,1985,15(3)组》第九册《空调设备》第十册《房间空调器》第十一册6 EO Shilkrot. Determination of design loads on room《空调中国煤化工自动控制》、第十三册heating& ventilation system using the method of zone by《特种CNMHG行业生产、运行操作zone balance. ASHRAE Trans, 1993, 90管理维修以有大制砱空调坟不刀国的科技人员。如要购7赵鸿佐,李安桂下部送风房间空气温度分布的预测暖买该丛书请与科学出版社发行处联系,地址:北京市东城区通空调,1998,28(5)东黄城根16号,邮政编码:1007178 Hong-zuo Zhao, An-gui Li. A method for prediction of本刊通讯员黄翔)