復(fù)合置換通風(fēng)的非穩(wěn)態(tài)流動

段雙平，敬成君

(1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621000；2.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610065)

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復(fù)合置換通風(fēng)的非穩(wěn)態(tài)流動

段雙平1,2，敬成君2

(1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621000；2.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610065)

以兩開口單區(qū)建筑為研究對象，采用理論分析方法，推導(dǎo)出風(fēng)機與熱壓共同驅(qū)動的復(fù)合置換通風(fēng)的非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。研究了機械風(fēng)量、兩開口面積比和無量綱特征時間對室內(nèi)熱分層高度和自然通風(fēng)量的影響。研究結(jié)果表明:在復(fù)合置換通風(fēng)中，增大機械風(fēng)量使熱分層高度增大而自然通風(fēng)量減小。無量綱特征時間增大，使熱壓主導(dǎo)通風(fēng)模式存在所對應(yīng)的機械風(fēng)量的上限值減小。對于機械送風(fēng)，開口面積比增大引起熱分層高度和自然通風(fēng)量隨機械風(fēng)量的變化率增加，熱壓主導(dǎo)模式存在所對應(yīng)的機械風(fēng)量的上限值增大，而對于機械排風(fēng)，情況相反。當(dāng)兩開口面積相等時，采用機械送風(fēng)和機械排風(fēng)的效果是一樣的。

復(fù)合置換通風(fēng)；自然通風(fēng)；熱分層

0 引言

日益突出的常規(guī)能源消耗問題和環(huán)境問題使自然通風(fēng)越來越受到人們的重視。但常規(guī)自然通風(fēng)難以有效控制且通風(fēng)效果不穩(wěn)定,而利用機械通風(fēng)來輔助自然通風(fēng),可以獲得良好的通風(fēng)效果，同時達到節(jié)能的目的。自然通風(fēng)與機械通風(fēng)聯(lián)合使用或交替使用的技術(shù)稱為復(fù)合通風(fēng)技術(shù)[1]。

置換通風(fēng)與傳統(tǒng)的混合通風(fēng)方式相比較，可使室內(nèi)工作區(qū)獲得較高的通風(fēng)效率[2-3]。在以熱壓為主導(dǎo)的自然或復(fù)合置換通風(fēng)建筑中，氣流產(chǎn)生明顯的熱力分層現(xiàn)象。熱分層高度、自然通風(fēng)量和室內(nèi)空氣所受到的浮升力呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)特征。文獻[4]采用實驗和理論分析方法研究了熱分層高度的非穩(wěn)態(tài)變化。文獻[5]采用數(shù)值模擬方法研究了熱分層高度的非穩(wěn)態(tài)變化，并得到了文獻[4]的實驗結(jié)果的驗證。文獻[6-7]研究了室內(nèi)熱源強度突變和周期性變化過程中的熱分層界面的非穩(wěn)態(tài)變化特性。文獻[8]闡述了建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱損失、蓄熱對置換通風(fēng)的動態(tài)特性的影響。文獻[9]著重分析了建筑幾何形狀、內(nèi)熱源強度及室外風(fēng)壓對自然置換通風(fēng)暫態(tài)特性的影響。

前人對置換通風(fēng)的研究側(cè)重于自然置換通風(fēng)或機械置換通風(fēng)的非穩(wěn)態(tài)研究，而對復(fù)合置換通風(fēng)的非穩(wěn)態(tài)特性的研究鮮有報道。因此，本文建立了熱壓與風(fēng)機共同作用下的復(fù)合置換通風(fēng)的非穩(wěn)態(tài)物理數(shù)學(xué)模型，并著重分析了機械通風(fēng)量、兩開口面積比及無量綱特征時間(由建筑高度和開口綜合面積組成的無量綱參數(shù))對室內(nèi)熱分層高度、室內(nèi)空氣所受到的浮升力和自然通風(fēng)量的影響,其研究結(jié)果可為合理設(shè)計復(fù)合置換通風(fēng)系統(tǒng)提供指導(dǎo)。

1 物理數(shù)學(xué)模型

圖1為一簡單兩開口單區(qū)建筑，其尺寸為A×B×H,體積設(shè)為V，橫斷面積設(shè)為S，房間下側(cè)開口面積為Ab,上側(cè)開口面積為At。室內(nèi)有一強度為E的理想點熱源。其中，圖1a為機械送風(fēng)輔助熱壓自然通風(fēng)模式，房間下側(cè)設(shè)有一機械送風(fēng)口或送風(fēng)機；圖1b為機械排風(fēng)輔助熱壓自然通風(fēng)模式，房間上側(cè)設(shè)有一機械排風(fēng)口或排風(fēng)機。

在置換通風(fēng)房間中，冷空氣由下部開口進入室內(nèi)后，在下部空間形成溫度較低的新鮮空氣區(qū)，冷氣流主要沿?zé)嵩瓷仙a充熱源羽流的發(fā)展，上部空間由羽流擴散形成溫度較高的區(qū)域。根據(jù)空氣流量守恒原理，在送風(fēng)量等于羽流量的高度上形成熱分層界面。假設(shè)熱分層界面離地的高度為h，下層空氣溫度與開口處的空氣溫度相等，即為To,上層空氣溫度為Tc,Qp為熱源浮力羽流在高程h斷面上的容積流率。當(dāng)總通風(fēng)量Q不等于Qp時，熱分層高度h和上層空氣溫度Tc會隨時間變化；直到Q=Qp時，分層高度h和上層空氣溫度Tc達到穩(wěn)定，不再隨時間變化。關(guān)于影響熱分層高度的因素在文獻[4]中有詳細闡述。本文主要討論機械通風(fēng)量、兩開口面積比對室內(nèi)熱分層高度、室內(nèi)空氣所受到的浮升力和自然通風(fēng)量的影響，如圖1所示。

圖1 建筑物理模型

在理論分析中作如下假設(shè)：

(Ⅰ)采用“二區(qū)”熱分層模型。

(Ⅱ)室內(nèi)空氣密度采用Boussinesq假設(shè)。

(Ⅲ)建筑圍護結(jié)構(gòu)絕熱。

(Ⅳ)不考慮輻射換熱。

上層空間體積V隨時間t的變化為：

(1)

其中：Qp為熱源浮力羽流在高程h斷面上的容積流率；Q為總通風(fēng)量，當(dāng)設(shè)送風(fēng)機時，Q=Qt,當(dāng)設(shè)排風(fēng)機時，Q=Qb。

點熱源浮力羽流在高程h斷面上的容積流率Qp為[10]：

Qp=cB1/3h5/3，

(2)

其中：c為常數(shù)，可取為0.143[10]；h為熱分層高度，m；B為浮力通量，m4/s3。

(3)

其中：E為室內(nèi)熱源強度，W/m2；g為重力加速度，m/s2；To為室外空氣溫度，℃;ρo為室外空氣密度，kg/m3；Ca為空氣質(zhì)量熱容，J/(kg·K)。

熱壓單獨作用下的自然通風(fēng)量為：

(4)

實際上,折減加速度也滿足：

(5)

其中：△ρ為室內(nèi)外空氣密度差，kg/m3；β為熱膨脹系數(shù)，K-1；△T為室內(nèi)外空氣溫度差。

根據(jù)文獻[11]可得熱壓主導(dǎo)復(fù)合通風(fēng)模式的通風(fēng)量計算模型，見式(6)～式(9)。

當(dāng)風(fēng)機送風(fēng)時[10]，

(6)

(7)

當(dāng)風(fēng)機排風(fēng)時[10]，

(8)

(9)

式(6)和式(7)必須滿足下列條件[11]：

(10)

式(8)和式(9)必須滿足下列條件[11]：

(11)

其中：Q為總通風(fēng)量，m3/s；Qt為通過上側(cè)開口的風(fēng)量，m3/s；Qb為通過下側(cè)開口的風(fēng)量，m3/s；Qm為機械通風(fēng)量，送風(fēng)為正，排風(fēng)為負，m3/s；αt為開口面積比，αt=At/Ab。

根據(jù)文獻[12],式(5)右邊為浮升力，故折減加速度表征了浮升力的大小，同時表征了自然置換通風(fēng)上下層空氣溫度差大小。

上層空間體積為：

V=S(H-h)，

(12)

其中：S為房間斷面面積，m2；H為房間高度，m；h為熱分層界面高度，m。

當(dāng)設(shè)送風(fēng)機時，Qm>0,將式(2)、式(6)和式(12)代入式(1)中得：

(13)

當(dāng)設(shè)排風(fēng)機時，Qm<0,將式(2)、式(9)和式(12)代入式(1)中得：

(14)

根據(jù)熱平衡原理，上層空氣溫度Tc隨時間的變化滿足：

(15)

其中：Tc為上層空氣溫度，℃；ρa為上層空氣密度，kg/m3；U為建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)；A為建筑圍護結(jié)構(gòu)表面面積。

式(15)變形為折減加速度隨時間的變化關(guān)系：

(16)

將式(13)、式(10)、式(14)、式(11)和式(16)無量綱化，分別得式(17)～式(21)。

送風(fēng)時，

(17)

式(17)必須滿足式(18)，由式(10)可得：

(18)

排風(fēng)時，

(19)

式(19)必須滿足式(20)，由式(11)可得：

(20)

(21)

由式(4)可得無量綱自然通風(fēng)量：

(22)

其中，QpH為點熱源浮力羽流在高程H斷面上(即房間天花板)上的容積流率，QpH=cB1/3H5/3。

2 結(jié)果分析與討論

用四階龍格庫塔法求解方程(17)、方程(19)和方程(21)。初始時刻，無量綱熱分層高度ξ=0，δ=1.0。所得結(jié)果繪制的曲線如圖2～圖4所示。

2.1 無量綱熱分層高度、無量綱自然通風(fēng)量隨無量綱時間的變化規(guī)律

圖2和圖3分別為機械送風(fēng)輔助熱壓復(fù)合通風(fēng)模式和機械排風(fēng)輔助熱壓復(fù)合通風(fēng)模式的無量綱熱分層高度ξ及無量綱自然通風(fēng)量Qn/QpH隨無量綱時間τ的變化規(guī)律。其中，μ=1.0，αt=2.0。

圖2 機械送風(fēng)時，ξ及 Qn/ QpH隨τ和χ的變化(μ=1.0，αt=2.0)

圖3 機械排風(fēng)時，ξ及Qn/ QpH隨τ和χ的變化(μ=1.0，αt=2.0)

2.2 αt和χ對穩(wěn)態(tài)下的無量綱熱分層高度和無量綱自然通風(fēng)量的影響

圖4顯示了系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，無量綱熱分層高度ξ、無量綱自然通風(fēng)量Qn/QpH及Qt/QpH(排風(fēng)時)或Qb/QpH(送風(fēng)時)隨無量綱特征時間μ和開口面積比αt及無量綱機械通風(fēng)量χ的變化規(guī)律。圖4中，在μ=0.5的曲線上，有箭頭標(biāo)示，沿箭頭方向為αt值的變化方向。μ=1.0和μ=2.0的曲線上，αt值的變化規(guī)律同μ=0.5。

圖4 ξ、Qn/ QpH及 Qt/ QpH或 Qb/ QpH隨 μ和χ的變化

本文只涉及到熱壓主導(dǎo)模式的復(fù)合置換通風(fēng)。很顯然，圖4a為3個對稱圖形，其中右半部分為送風(fēng)時的情況，左半部分為排風(fēng)時的情況。其中μ=0.5,1.0,2.0，αt=0.5,1.0,2.0。

3 結(jié)論

(1)機械風(fēng)量的增大使熱分層高度、折減加速度及自然通風(fēng)量達到穩(wěn)定值所花時間減小。當(dāng)αt>1時，無量綱特征時間、開口面積比相同的情況下，機械送風(fēng)時的無量綱熱分層高度及無量綱自然通風(fēng)量隨機械風(fēng)量的變化幅度，比機械排風(fēng)時的無量綱熱分層高度及無量綱自然通風(fēng)量隨機械風(fēng)量的變化幅度大；而當(dāng)αt<1時，情況就相反。

(2)當(dāng)無量綱特征時間和開口面積比一定時，熱分層高度隨著機械通風(fēng)量的增大而增大。

(3)當(dāng)開口面積比一定時，無量綱特征時間增大，熱壓主導(dǎo)模式存在所對應(yīng)的無量綱機械通風(fēng)量的上限值減小，熱壓主導(dǎo)通風(fēng)模式區(qū)域縮小。

(4)當(dāng)無量綱特征時間一定時，開口面積比增大，對于機械送風(fēng)，熱壓主導(dǎo)模式對應(yīng)的無量綱通風(fēng)量的上限值增大，熱壓主導(dǎo)通風(fēng)模式區(qū)域增大；而對于機械排風(fēng)，熱壓主導(dǎo)模式對應(yīng)的無量綱通風(fēng)量的上限值減小，熱壓主導(dǎo)通風(fēng)模式區(qū)域減小。當(dāng)兩開口面積相等時，采用機械送風(fēng)和機械排風(fēng)的效果是一樣的。

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國家自然科學(xué)基金項目(51208442)

段雙平(1974-),女,湖北浠水人,副教授,碩士,主要從事自然通風(fēng)和太陽房熱特性研究;敬成君(1965-),男,通信作者,四川南充人,教授,博士,主要從事工程熱物理問題的研究.

2014-10-13

1672-6871(2015)04-0062-06

TU834.1

A