層式通風(fēng)房間垂直溫度分布預(yù)測(cè)方法*

郇 超，王灃浩，吳小舟，林 章，王志華，王 冠

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 陜西 西安 710049；2. 西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710049；3.Building Energy & Environment Technology Research Unit, Division of Building Science and Technology, City Univ of Hong Kong, Hong Kong SAR, China)

層式通風(fēng)房間垂直溫度分布預(yù)測(cè)方法*

郇 超1，王灃浩2?，吳小舟2，林 章3，王志華1，王 冠2

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 陜西 西安 710049；2. 西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710049；3.Building Energy & Environment Technology Research Unit, Division of Building Science and Technology, City Univ of Hong Kong, Hong Kong SAR, China)

基于層式通風(fēng)房間室內(nèi)空氣流動(dòng)特性建立了室內(nèi)垂直溫度分布預(yù)測(cè)模型.該模型將室內(nèi)空氣流動(dòng)特性與熱質(zhì)平衡方程有機(jī)結(jié)合，并反映了室內(nèi)熱源強(qiáng)度、墻體輻射及送風(fēng)參數(shù)等邊界條件對(duì)室內(nèi)垂直溫度分布的影響.通過(guò)將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)垂直溫度預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，并在趨勢(shì)上反映出層式通風(fēng)房間室內(nèi)垂直溫度的變化特征.因此，本文提出的模型具有較好的預(yù)測(cè)精度，能夠很好地用來(lái)指導(dǎo)層式通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用及能耗分析.

層式通風(fēng)；垂直溫度分布；節(jié)點(diǎn)模型；能量平衡

目前,中國(guó)的建筑能耗約占總能耗的30%[1]，為了減少夏季建筑空調(diào)能耗，許多國(guó)家都倡導(dǎo)提高夏季空調(diào)設(shè)定溫度以降低空調(diào)能耗.然而，落實(shí)的情況卻差強(qiáng)人意.原因是傳統(tǒng)送風(fēng)方式(混合通風(fēng)、置換通風(fēng))均要求室內(nèi)氣流速度不能過(guò)高，若將空調(diào)設(shè)定溫度調(diào)高必然會(huì)引起室內(nèi)人員熱舒適性的降低(出汗).采用現(xiàn)有系統(tǒng)，縱使室溫26 ℃，節(jié)能也只有幾個(gè)百分點(diǎn), 激勵(lì)效果有限.個(gè)性化送風(fēng)技術(shù)雖節(jié)約能耗[2]，但因其在費(fèi)用、布置和設(shè)計(jì)方面的困難，至今并未大規(guī)模地應(yīng)用在實(shí)際工程中[3].基于此，香港城市大學(xué)的林章等學(xué)者提出了層式通風(fēng)系統(tǒng)[4]，保證在低能耗的前提下(亦即在熱中性溫度較高的條件下)，為室內(nèi)人員提供良好的空氣品質(zhì)和熱舒適環(huán)境[5-6].

層式通風(fēng)系統(tǒng)的典型特征為風(fēng)口布置在墻體中部，通過(guò)空氣射流將新鮮的空氣直接送入室內(nèi)人員呼吸區(qū)，在呼吸區(qū)內(nèi)形成一個(gè)新鮮的空氣層.該系統(tǒng)是一種建立在室內(nèi)氣流速度相對(duì)較高環(huán)境下的高溫通風(fēng)方式，通過(guò)加強(qiáng)氣流運(yùn)動(dòng)(風(fēng)速+紊流強(qiáng)度)來(lái)實(shí)現(xiàn)人體熱舒適，因此所要求的送風(fēng)速度相對(duì)較大.但是太大的送風(fēng)速度會(huì)導(dǎo)致人體的熱不舒適，故其應(yīng)用范圍有一定的限制.林章通過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，層式通風(fēng)可很好地應(yīng)用于沿送風(fēng)方向進(jìn)深不大于9 m，熱負(fù)荷不大于180 W/m2的房間[7].實(shí)際中常規(guī)的教室、辦公室及小商店等建筑大多在此應(yīng)用范圍內(nèi)，只要合理設(shè)計(jì)層式通風(fēng)系統(tǒng)(送風(fēng)速度控制在1.3 m/s左右)，則人體周圍的氣流速度會(huì)小于0.8 m/s，計(jì)算出的最大PMV介于±0.7之間，PPD<15%[8]，完全能創(chuàng)造出舒適的熱環(huán)境.

層式通風(fēng)作為一種新的通風(fēng)方式，其研究工作仍處于初級(jí)階段.田林等人通過(guò)全尺寸實(shí)驗(yàn)測(cè)試及數(shù)值模擬[9-10]對(duì)層式通風(fēng)房間內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)垂直方向上室內(nèi)空氣溫度存在不均勻性，呼吸區(qū)溫度明顯低于房間其他區(qū)域，即層式通風(fēng)房間內(nèi)呼吸區(qū)與房間上、下部區(qū)域存在較大的溫度梯度，這要求我們?cè)谟?jì)算層式通風(fēng)房間負(fù)荷時(shí)必須充分考慮其室內(nèi)溫度分布不均勻特性.本文的目的就是要提出層式通風(fēng)房間室內(nèi)垂直溫度分布預(yù)測(cè)方法，為層式通風(fēng)房間負(fù)荷及能耗的計(jì)算提供理論模型.

1 層式通風(fēng)房間垂直溫度預(yù)測(cè)方法

室內(nèi)垂直溫度分布預(yù)測(cè)模型主要有節(jié)點(diǎn)模型、區(qū)域模型及CFD模型.層式通風(fēng)房間室內(nèi)氣流組織主要受送風(fēng)射流、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面及熱源產(chǎn)生的羽流綜合影響，問(wèn)題比較復(fù)雜，使得區(qū)域模型有很多限制.而CFD模型與建筑能量傳遞耦合模擬時(shí)存在許多難以解決的問(wèn)題，如耦合模擬收斂性、兩建筑模型一致性等.節(jié)點(diǎn)模型對(duì)使用者要求較低，且能夠方便地實(shí)現(xiàn)與建筑能量傳遞耦合模擬,Rees和Haves曾建立了較為精細(xì)的節(jié)點(diǎn)模型來(lái)分析置換通風(fēng)和冷卻吊頂房間內(nèi)的溫度分布規(guī)律，Wu等人也已建立了分析置換通風(fēng)及地輻射供暖房間中溫度分布的節(jié)點(diǎn)模型，并取得了較理想的結(jié)果[11].因此本文將采用節(jié)點(diǎn)法建立預(yù)測(cè)層式通風(fēng)房間溫度分布的數(shù)學(xué)模型.

1.1 節(jié)點(diǎn)模型建立

綜合考慮熱源、人體散熱及外墻等因素對(duì)房間氣流的影響，層式通風(fēng)房間氣流流線簡(jiǎn)圖如圖1所示.

圖1 層式通風(fēng)房間氣流示意圖

圖1中送風(fēng)射流ms由房間中部送入，并對(duì)周圍空氣產(chǎn)生卷吸作用(卷吸量mj)，射流在到達(dá)房間工作區(qū)附近時(shí)，受到室內(nèi)辦公設(shè)備及人體的熱作用，誘發(fā)產(chǎn)生一部分浮力羽流(mr), 此時(shí)，一部分射流卷吸氣流muj(由上部空間卷吸)連同熱羽流mr和流量為ms的一股氣流同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)，這3股氣流的總和在圖中用mu表示，射流主體中的其余冷氣流則向房間下部沉降.下降過(guò)程中不斷與房間下部區(qū)域的高溫氣流進(jìn)行熱交換，當(dāng)其溫度與房間下部區(qū)域整體溫度相平衡后，下降氣流開(kāi)始分為2部分：一部分作為射流卷吸作用的補(bǔ)充氣流，朝內(nèi)墻方向流動(dòng)，然后匯入射流主體，即圖中mlj; 另一部分則受到外墻內(nèi)壁的熱作用，進(jìn)入外墻邊界區(qū)后成為附壁上升流mout.

本文將層式通風(fēng)房間沿高度方向分為5個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，分別為地面面積加權(quán)平均溫度tf，近地面平均溫度tln，房間主體區(qū)域體積加權(quán)平均溫度tn，頂面面積加權(quán)平均溫度tc及近頂面邊界平均溫度thn.

此處假設(shè)水平面上的溫度均勻分布，且呼吸區(qū)與房間上部、下部的溫度均為線性分布.

1.2 能量平衡構(gòu)成

根據(jù)層式通風(fēng)房間氣流組織特性對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)建立質(zhì)量及能量平衡方程.文中節(jié)點(diǎn)模型共包含8個(gè)部分的熱質(zhì)平衡，分別為地面、近地面邊界、頂面、近頂面邊界、外墻內(nèi)壁、外墻內(nèi)側(cè)邊界、內(nèi)墻及室內(nèi)主體區(qū)域處的能量守恒.分別對(duì)每個(gè)部分建立能量平衡方程，然后聯(lián)立求解所得的熱質(zhì)平衡方程組，便可得到各節(jié)點(diǎn)處的溫度值.

圖2 溫度節(jié)點(diǎn)示意圖

1.2.1 地面處能量守恒

地面能量平衡方程為：

Qrf-Qcf+Qhf=0.

(1)

式中：Qrf為房間其余各面對(duì)地面的輻射得熱；Qcf為地面與近地面空氣對(duì)流換熱量；Qhf為室內(nèi)熱源在地面處的輻射熱.

(2)

式中:hcf為地面與地面邊界層空氣的對(duì)流換熱系數(shù).

(3)

式中:hrf為地面與房間其他壁面的輻射換熱系數(shù)，具體取值將在1.3節(jié)討論；Xw-f,Xc-f,Xi-f分別為房間外墻內(nèi)表面、頂面及內(nèi)墻壁面對(duì)地板的輻射角系數(shù)；tw為房間外墻內(nèi)表面面積加權(quán)平均溫度；ti為房間內(nèi)墻面積加權(quán)平均溫度；tf和tc分別為地板和頂面的面積加權(quán)平均溫度.

1.2.2 地面邊界處能量守恒

地面邊界區(qū)能量平衡方程為：

Qcf-Qdd=0.

(4)

式中:Qdd為地面邊界層空氣與下降冷氣流進(jìn)行的熱交換量.

(5)

1.2.3 外墻內(nèi)壁處能量守恒

外墻內(nèi)壁能量平衡方程為：

Qrw+Qhw-Qcw+Qew=0.

(6)

式中：Qrw為房間其余各面對(duì)外墻內(nèi)壁的輻射得熱；Qcw為外墻內(nèi)壁與近壁面空氣的對(duì)流換熱量；Qhw為室內(nèi)熱源在外墻內(nèi)壁處的輻射熱；Qew是由室外經(jīng)外墻進(jìn)入室內(nèi)的熱量.

(7)

式中:tn為房間主體區(qū)域體積加權(quán)平均溫度.

(8)

式中:tew為室外環(huán)境溫度.

(9)

式中:hcw為外墻內(nèi)壁與房間其他壁面的輻射換熱系數(shù).

1.2.4 壁面邊界能量守恒

壁面邊界能量平衡方程為：

Qcw-Qln=0.

(10)

式中：Qln為進(jìn)入壁面邊界流體的得熱，具體表示為：

(11)

mout=4.0hcwAw/cp.

(12)

式中:tnw為壁面邊界層空氣溫度；mout表示由于外墻的熱作用使得由房間下部卷吸進(jìn)入外墻邊界層的空氣流量[12]；Aw為外墻內(nèi)壁面積；cp為空氣定壓比熱容.

1.2.5 頂面能量守恒

天花板處能量平衡方程為：

Qrc-Qcc+Qhc=0.

(13)

式中:Qrc為房間其余各面對(duì)頂板面的輻射得熱；Qcc為頂面與頂面邊界附近空氣的對(duì)流換熱量；Qhc為室內(nèi)熱源在頂面的輻射熱.

(14)

式中:hrc為頂面與房間其他壁面的輻射換熱系數(shù).

(15)

式中:hcc為頂面與頂面邊界層空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，具體取值將在1.3節(jié)討論．

1.2.6 頂面邊界層能量守恒

頂面邊界處能量平衡方程為：

Qcc-Qec=0.

(16)

式中:Qec為頂面附近空氣與進(jìn)入頂面邊界氣體的對(duì)流換熱量.

(17)

式中:mec為房間的排氣量.

1.2.7 內(nèi)壁面能量守恒

內(nèi)墻壁面上的能量平衡方程為：

Qriw-Qciw+Qhiw=0.

(18)

式中:Qriw為房間其余各面對(duì)內(nèi)墻面的輻射量；Qciw為內(nèi)墻面與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱量；Qhiw為室內(nèi)熱源在內(nèi)墻面的輻射熱.

(19)

式中:hriw為房間內(nèi)壁面與其他壁面間的輻射換熱系數(shù).

1.2.8 室內(nèi)空氣主體能量守恒

室內(nèi)主體區(qū)域能量平衡方程為：

Qsn+Qciw+Qhn+Qlnn+Qhnn+Qnw=0.

(20)

式中：Qsn為送風(fēng)氣流與室內(nèi)空氣換熱量；Qhn為熱源與室內(nèi)空氣換熱量；Qlnn為房間下部卷吸氣流與室內(nèi)空氣主體換熱量；Qhnn為房間上部回流氣流與室內(nèi)空氣主體的換熱量；Qnw為外墻內(nèi)壁面邊界流體與室內(nèi)空氣的換熱量.

(21)

式中:ms為房間送風(fēng)量.

(22)

式中:mlj為由于射流卷吸作用，由房間下部進(jìn)入房間主體區(qū)域的氣流量.

(23)

式中:md為由房間上部區(qū)域流入主體區(qū)域的空氣流.

(24)

1.3 房間垂直溫度預(yù)測(cè)

方程(1)～(24)中包含很多物理量，歸類后可分為以下幾類：有關(guān)房間壁面尺寸的參數(shù)Awall，有關(guān)壁面溫度和換熱系數(shù)的參數(shù)twall,hwall，室內(nèi)熱源強(qiáng)度Qi，節(jié)點(diǎn)溫度tnodal，送風(fēng)量ms, 送風(fēng)溫度ts，室外環(huán)境溫度to以及各部分分流的質(zhì)量流量M.其中壁面尺寸、輻射角系數(shù)、換氣次數(shù)等量與房間幾何尺寸有關(guān).而壁面的換熱系數(shù)(包括輻射和對(duì)流)及各部分分流的流量則可由房間溫度、壁面溫度及房間幾何尺寸等參數(shù)來(lái)表述.

送風(fēng)射流的氣流卷吸量：

(25)

式(25)由Ricuo和Spalding等通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出[13]，其中x為距離送風(fēng)口的距離，d0為風(fēng)口的當(dāng)量直徑.

房間地面對(duì)流換熱系數(shù)：

(26)

式(26)由Novoselac等通過(guò)對(duì)典型辦公室中非絕熱地面與空氣的自然對(duì)流換熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析而得出，適用于典型房間中地面與室內(nèi)空氣自然對(duì)流換熱[14].

房間壁面對(duì)流換熱系數(shù)：

(27)

式(27)是Awbi等通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出的，適用于典型房間中非絕熱壁面與室內(nèi)空氣間的自然對(duì)流換熱[15].

房間頂面對(duì)流換熱系數(shù)：

hcc=0.49ACH0.8.

(28)

由于受熱產(chǎn)生的浮升氣流及頂部排風(fēng)作用的影響，房間頂面與近頂面空氣的換熱屬于強(qiáng)制對(duì)流，式(28)由Fisher和Pedersen研究得出，適用于典型建筑中頂面強(qiáng)制對(duì)流換熱[16].

式(26)～式(28)中De為房間邊界面的當(dāng)量直徑；ACH為房間換氣次數(shù).

房間各邊界面上的輻射換熱系數(shù)為[17-18]：

(29)

式中：ε1,ε2分別為1和2兩表面的輻射系數(shù)；t1，t2分別為1和2兩表面的平均溫度；F1為表面1的面積；X1-2為表面1對(duì)表面2的輻射角系數(shù).

外墻的傳熱系數(shù)為：

(30)

一般情況下，房間幾何尺寸、室內(nèi)熱源強(qiáng)度、送風(fēng)溫度及室外環(huán)境溫度等參數(shù)均可提前確定，將式(25)～(31)代入方程組(1)～(24)后，則原方程組中的未知量只剩各節(jié)點(diǎn)溫度tnodal和各壁面處溫度twall，對(duì)方程組進(jìn)行求解，便可得到層式通風(fēng)房間中幾個(gè)高度節(jié)點(diǎn)處的溫度值.

2 模型計(jì)算結(jié)果分析

本節(jié)建立層式通風(fēng)房間垂直溫度預(yù)測(cè)模型可行性分析的算例.

2.1 參數(shù)選擇

為了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將節(jié)點(diǎn)模型相關(guān)參數(shù)選取為課題組之前的實(shí)驗(yàn)參數(shù)[19].模型所計(jì)算房間為西安交通大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程系空調(diào)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室(圖3)，房間尺寸為3.9 m(長(zhǎng))×2.9 m(寬) ×2.6 m(高)，可根據(jù)房間尺寸分別計(jì)算出每個(gè)面上的輻射角系數(shù).氣流由圖3中內(nèi)墻中部(距地面1.3 m)送風(fēng)口送入，從頂面排風(fēng)口排出.送風(fēng)口尺寸為0.21 m(長(zhǎng))×0.17 m(寬)，頂部中間設(shè)0.55 m×0.55 m的孔板排風(fēng)口，與送風(fēng)口所在墻面相對(duì)的左邊墻是外墻.室內(nèi)熱源主要集中在房間中部的工作區(qū)域(人體和電腦).實(shí)驗(yàn)中用尺寸為0.4 m(長(zhǎng))×0.35 m(寬)×1.2 m(高)的鐵箱,內(nèi)置3個(gè)

圖3 可行性算例房間示意圖[9]

功率為25 W的白熾燈來(lái)模擬辦公室人體坐姿狀態(tài)時(shí)的發(fā)熱;用尺寸為0.35 m(長(zhǎng)) ×0.35 m(寬)×0.35 m(高)的鐵箱,內(nèi)置180 W白熾燈來(lái)模擬辦公電腦發(fā)熱.表1列出了房間內(nèi)熱源的選取參數(shù).

表1 房間內(nèi)熱源參數(shù)

本文中選擇了3種工況進(jìn)行對(duì)比，各工況參數(shù)詳見(jiàn)表2.

表2 模型計(jì)算工況條件

2.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

節(jié)點(diǎn)模型中的節(jié)點(diǎn)溫度tn為房間主體區(qū)域的體積加權(quán)平均溫度，而本文中模型的一個(gè)假設(shè)條件為：

房間呼吸區(qū)與房間上部邊界層及下部邊界層之間的溫度分別呈線性分布，若呼吸層高度的溫度為tb，則tb與tn的關(guān)系為：

(32)

即

(33)

式(32)(33)中:H為房間高度;H0.1-b為地面邊界層至呼吸層之間的垂直高度；thn,tln分別為模型計(jì)算得到的房間上、下兩邊界層處的節(jié)點(diǎn)溫度.

圖4描述了前一節(jié)所述的3種工況下，模型計(jì)算值與前人實(shí)驗(yàn)測(cè)試值[19]的結(jié)果對(duì)比.

由圖4可知，工況a情況下人體呼吸高度處模型計(jì)算溫度與實(shí)測(cè)值最大溫差為0.1 ℃，房間頂部邊界層處模型計(jì)算溫度與實(shí)驗(yàn)值溫差為0.7 ℃，房間底部邊界處計(jì)算溫度與實(shí)驗(yàn)值溫差為0.16 ℃，房間各處的溫度計(jì)算值均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好.工況b中隨著送風(fēng)溫度的降低，房間高度斷面上溫度的實(shí)測(cè)值和模型計(jì)算值均明顯降低，人體呼吸高度計(jì)算溫度與實(shí)測(cè)值最大溫差為0.2 ℃，房間頂部邊界層處計(jì)算溫度與實(shí)驗(yàn)值溫差為1.1 ℃，房間底部邊界處計(jì)算溫度與實(shí)驗(yàn)值溫差0.24 ℃.工況c中人體呼吸高度模型計(jì)算溫度與實(shí)測(cè)值最大溫差為0.6 ℃，房間頂部邊界層處計(jì)算溫度與實(shí)驗(yàn)值溫差為0.1 ℃，房間底部邊界處計(jì)算溫度與實(shí)驗(yàn)值溫差0.4 ℃.

溫度/℃(a)工況a (ts=21 ℃,ACH=5/h-1)

溫度/℃(b)工況b (ts=19 ℃,ACH=5/h-1)

溫度/℃(c)工況c (ts=19 ℃,ACH=6/h-1)

上述3種工況下，節(jié)點(diǎn)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本趨勢(shì)一致，總體上呈現(xiàn)出了層式通風(fēng)房間垂直方向上的逆溫度梯度特性(即房間上、下部溫度高，中部溫度低).表3列出了分別在模型和實(shí)驗(yàn)條件下，呼吸層溫度值tb和房間下部區(qū)域(0.1～0.9 m)垂直溫差Δt0.1-0.9.分析發(fā)現(xiàn)，3種工況下模型計(jì)算出的呼吸層溫度與實(shí)測(cè)值吻合得很好，最大誤差只有0.6 ℃；而2種方式得出的房間下部垂直溫差差別微小，最大誤差為0.44 ℃，實(shí)際情況中的靜坐工作人員正是處于此區(qū)域，3種工況下計(jì)算和實(shí)測(cè)的Δt0.1-0.9均小于3 ℃，滿足ASHRAE 55—2010中關(guān)于工作區(qū)垂直溫差的熱舒適要求.

表3 模型和實(shí)驗(yàn)下呼吸層溫度及房間下部區(qū)域垂直溫差

表4是通過(guò)節(jié)點(diǎn)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的房間熱分布系數(shù)m，其具體表達(dá)式為：

(34)

表4中的模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，2種方式所得結(jié)果均反映出隨著送風(fēng)溫度的下降和換氣次數(shù)的增加，層式通風(fēng)房間熱分布系數(shù)有減小的趨勢(shì).而模型計(jì)算結(jié)果相比實(shí)驗(yàn)結(jié)果略微偏高，這是由于模型簡(jiǎn)化處理中，將房間頂部的熱源(燈具)并入了工作區(qū)內(nèi)造成的，相應(yīng)的模型調(diào)整將在后續(xù)研究中完成.

表4 模型和實(shí)驗(yàn)下的房間熱分布系數(shù)

上述研究結(jié)果表明，層式通風(fēng)房間節(jié)點(diǎn)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)保持了較好的一致性，為今后用該模型來(lái)指導(dǎo)層式通風(fēng)的實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造了可能性.實(shí)際工程中可采用該數(shù)學(xué)模型，快速計(jì)算出不同邊界條件下層式通風(fēng)房間的工作區(qū)溫度、人體頭部和腳部的溫差以及除熱通風(fēng)效率等參數(shù)，來(lái)對(duì)系統(tǒng)的舒適性進(jìn)行初步預(yù)測(cè)，避免了因采用CFD技術(shù)所占用的冗長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間.此外，還可以利用該數(shù)學(xué)模型，將房間內(nèi)一些所需求的溫度值輸入模型，反推出房間邊界條件的選取參數(shù)，促進(jìn)層式通風(fēng)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中快速設(shè)計(jì)及選型.

3 結(jié) 論

本文基于層式通風(fēng)房間室內(nèi)空氣流動(dòng)特性及熱質(zhì)平衡理論，建立了合理的室內(nèi)垂直溫度分布預(yù)測(cè)模型.模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，并在趨勢(shì)上反映出層式通風(fēng)房間室內(nèi)垂直溫度的變化特征.因此，該模型能較好地預(yù)測(cè)層式通風(fēng)房間室內(nèi)垂直溫度分布，為今后開(kāi)展有關(guān)層式通風(fēng)房間能耗負(fù)荷的研究工作提供了理論支撐，也為實(shí)際工程中層式通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型提供了工具.

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A Method to Predict Vertical Temperature Distribution in a Stratum-ventilated Environment

HUAN Chao1,WANG Feng-hao2?，WU Xiao-zhou2,LIN Zhang3,WANG Zhi-hua1,WANG Guan2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong Univ, Xi’an,Shaanxi 710049, China;2. School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong Univ, Xi’an,Shaanxi 710049, China;3. Building Energy & Environment Technology Research Unit, Division of Building Science and Technology, City Univ of Hong Kong, Hong Kong SAR, China)

As a new energy-saving air supply mode, stratum ventilation system has not been widely applied due to inadequate theoretical support. A mathematical model based on the characteristics of the indoor air flow was established to predict the vertical temperature profile in a stratum ventilated room. By combining the characteristics of indoor air flow with mass and energy equilibrium equations, this model gave the quantitative relationship between indoor vertical temperatures and boundary conditions such as heat source, enclosure radiation and supply air parameters. A comparative study shows that the predictions of this model fit the experiment values well. The model can represent the practical vertical temperature profiles in a stratum ventilated room. The analyses indicate that this proposed model has acceptable accuracy and can be used for practical engineering designs and energy consumption analysis.

stratum ventilation; vertical temperature distribution; nodal model; energy balance

1674-2974(2015)05-0134-07

2014-05-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178407)，National Natural Science Foundation of China(51178407)

郇 超(1985-)，男，甘肅酒泉人，西安交通大學(xué)博士研究生

?通訊聯(lián)系人，E-mail: fhwang@mail.xjtu.edu.cn

TU831.8

A