關于EnergyPlus通風管道換熱數學模型的分析

彭吉，王如竹，Vojislav Novakovic

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-挪威科技大學，特隆赫姆 7491）

關于EnergyPlus通風管道換熱數學模型的分析

彭吉*1，王如竹1，Vojislav Novakovic2

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-挪威科技大學，特隆赫姆 7491）

本文針對能耗模擬軟件EnergyPlus中通風系統中的管道換熱數學模型，進行了不同工況下的換熱計算，通過實驗研究了對應工況下的空氣溫度和熱損失功率的實際變化；對EnergyPlus管道換熱數學模型進行定量分析，并針對EnergyPlus軟件中需使用固定傳熱系數的特點進行定量運行分析。實驗和計算結果表明，EnergyPlus管道換熱數學模型在穩定工況下溫度變化和熱損失功率的計算結果與實際結果接近；而在工況條件變化的情況下則與實際結果相差較大。而EnergyPlus軟件中需使用固定傳熱系數的特點，將導致溫度變化和熱損失功率的計算結果容易與實際運行的結果差別較大。

EnergyPlus；通風系統；管道換熱；熱損失；數學模型；固定傳熱系數

0 引言

建筑能耗的增長是經濟發展的必然結果，但是由于我國目前能源利用率比較低，采暖和空調占用建筑總能耗的比重仍然很大，因此建筑節能潛力巨大，任務也相當艱巨[1-2]。在建筑能耗中，不必要的能量損失和溫度變化不可忽視。

隨著建筑的發展，建筑中通風管道的長度可能會很長，因此通風管道內部空氣會與外界進行能量交換，這將會造成管道空氣的溫度變化以及能量的損失。此外，人們對于室內空氣質量和熱舒適度的要求越來越高。雖然管道換熱的傳熱規律已經被人們所了解，但仍然有必要通過實驗對管道換熱的數學模型進行驗證、研究和評價。本文選取了較為常用的能耗模擬軟件EnergyPlus中的數學模型進行研究。

在過去幾十年中，國外的許多學者從不同角度提出了許多針對管道換熱的數學模型。TOBIAS[3]將拉普拉斯變換應用到提出的數學模型中，通過拉普拉斯變換能夠計算出進氣溫度的擾動對出口溫度的影響；該模型應用于模擬軟件HVACSIM+中，通過將管道劃分為多個部分可減少由傳熱系數等因素帶來的誤差。

GROT和HARRJE[4]基于TOBIAS模型建立了外部絕緣和內部絕緣管道的數學模型。模型中管內空氣的能量變化率忽略不計，即空氣的熱容量忽略不計，這大大降低了兩個耦合常微分方程的計算難度。

JAKOB[5]的數學模型與GROT和HARRJE[4]的數學模型相似，但是概述數學模型僅考慮管道內空氣沿X軸方向的溫度變化，將管道切割成若干個部分以后，假設每一個部分內部溫度相同，簡化了計算量。

以往文獻中針對管道換熱的數學模型均較為復雜，需要許多參數進行計算；能耗模擬軟件EnergyPlus[6]中所采用的數學模型則相對簡單，模型假設管道外部空氣溫度恒定，管道內外表面溫度恒定且相同，管道內空氣溫度在X軸的每個橫截面均相同。

目前，國內過于管道換熱的實驗和理論研究均較少。本文針對EnergyPlus中管道空氣換熱的數學模型的特點，并結合實際應用中的常用工況進行實驗的設計。實驗中保持空氣流量恒定、管道外界溫度恒定，同時結合實驗中的實際工況進行模型的計算，重點分析了EnergyPlus數學模型在計算管道空氣溫度變化、空氣能量損失率的變現。同時還分析了EnergyPlus中固定傳熱系數對于空氣流量變化的實際應用中的影響。

1 EnergyPlus管道換熱數學模型的計算

1.1 數學模型的介紹

首先截取管道的一個橫截單元，如圖1所示。該水平管道充滿空氣，溫度沿橫截面分布均勻，管壁厚度不計，假設外界溫度恒定且外界溫度高于管內空氣溫度[6-7]。

圖1 水平圓管內流體流動的數學模型

對于管道內的一個微元。選取軸向作為坐標方向，列出連續性方程。假定管壁不同位置的溫度相同且恒定。模型的基本方程如下所示。1）連續性方程

2）熱流量的變化

3）每一個橫截單元的熱損失

4）管內空氣溫度沿管道的變化

5）內部傳熱系數

6）雷諾數

7）能量損失率

式中：

A——橫截面的面積，m2；

——空氣的熱容，W/K；

tx——管道內不同位置的空氣，℃；

Lx——單位長度的管道面積，m；

U——熱傳遞系數，W/(m2·K)；

t0——外界溫度，℃；

tin——進氣溫度，℃；

tout——排氣溫度，℃；

——空氣的質量流量，kg/s；

cpa——空氣的比熱容，J/(kg·K)；

hi——內部傳熱系數，W/(m2·K)；

h0——外部傳熱系數，W/(m2·K)；

tj——第j層的厚度，m；

kj——第j層的傳熱系數，W/(m·K)；

Nu——努塞爾數；

Re——雷諾數；

λair——空氣導熱系數，W/(m·K)；

Dh——管道水力直徑，m；

Pr——普朗特數；

L——管道長度，m；

v——空氣流動速度，m/s；

?——空氣運動粘度，m2/s；——能量損失率，W。

在以上方程組中，Nu、Re和Pr是3個非常重要的無量綱參數，分別反映管內空氣的對流換熱強烈程度、空氣流動情況和空氣物理性質對對流傳熱過程的影響。這些參數隨空氣物性參數不同以及流速和管壁的情況不同而改變。根據這一模型建立的方程組以及對應的無量綱化方程，可以得出管道空氣溫度隨流速、管外溫度、流動距離等因素變化而變化。

1.2 數學模型的計算

在計算過程中，方程(4)為計算管道內空氣溫度變化的核心公式，為了與后面實驗進行對比分析，選取管道外界溫度t0為實驗中管道入口溫度，t0為實驗中的外界溫度，和cpa為實驗所對應的空氣的質量流量和實驗空氣溫度的比熱容，其它變量也保持與實驗一致。

2 實驗設計及結果分析

2.1 實驗設計

實驗測試房間為一個長寬高分別為6.5 m、2.3 m和2.65 m的絕熱房間，通入房間的管道直徑為0.2 m，管壁厚度為0.9 mm，管道材料為鋼，其熱導率是40 W/m·K。為保持測試房間內部管道周圍溫度穩定均勻，實驗采用地暖加熱的方式，所使用的電子地暖加熱片的型號是ESWA1413。在測試房間的外部，外部空氣經過含有加熱和冷卻盤管的通風設備，加熱或冷卻到實驗所需要的空氣溫度。空氣通過流量阻尼器的調節而達到實驗所需要的空氣流量，其流量在流量壓力計中顯示，流量壓力計的型號為KIMO CP100，其示意圖如圖2所示。

圖2 實驗設備示意圖

在管道伸入房間的進口處、中間、出口處，分別在管道內部和管壁安裝了11個T型熱電偶[10]，形成了3個熱電偶橫截面；相鄰兩個橫截面的間距為3 m。因此3個橫截面分別可測量空氣在外界溫度恒定的情況下在0 m、3 m和6 m處的溫度變化。熱電偶在各個橫截面的排布方式如圖3所示。其中內部5個熱電偶用來測量空氣溫度，管壁上的5個熱電偶用來測量管壁溫度。

圖3 熱電偶在3個橫截面上的分布示意圖

圖4 測試房間內部實物圖

測試房間內部的不同位置分布了9個熱電偶，用來測量管道外界的平均溫度，確保管道外界溫度穩定和均勻。測試房間示意圖如圖4所示。管道空氣在距離入口3 m和6 m處的溫度，從而與實驗中第2個熱電偶橫截面和第3個熱電偶橫截面的平均溫度進行對比。此外還可以通過計算進行能量損失率的對比。

對于穩定組1，得到實驗數據后，根據式(18)可計算得到每一個橫截面的平均溫度的誤差為±0.105 ℃，再根據式(19)可得出能量損失率的誤差為±18.15 W；在與計算結果的對比中將結合誤差線進行分析。溫度變化與模型計算結果的對比如圖5所示，可知在入口處、3 m處和6 m處，模型的計算結果均在誤差允許范圍之內。

圖5 穩定組1的溫度變化與模型計算結果對比

能量損失率的實驗結果與計算結果的對比如圖6所示，圖中的結果是根據入口處與6 m處的溫差計算得到。由圖可知，通過EnergyPlus的模型計算結果落在實驗誤差允許的范圍內。

圖6 穩定組1的能量損失率與模型計算結果對比

對于穩定組2，由以上同樣的方法計算可知，每一個橫截面的平均溫度的誤差為±0.106 ℃，能量損失率的誤差為±17.95 W，如圖7所示；EnergyPlus的計算結果在實驗誤差允許的范圍內。

圖7 穩定組2的溫度變化與模型計算結果對比

能量損失率的實驗結果與計算結果的對比如圖8所示，圖中的結果是根據入口處與6 m處的溫差計算得到。由圖可知，穩定組2的情況與穩定組1的情況相同，EnergyPlus的模型計算結果均在實驗可接受的范圍之內。

圖8 穩定組2的能量損失率與模型計算結果對比

由穩定組1和穩定組2的對比分析可知，用EnergyPlus的管道數學模型來估算穩定情況（進氣溫度不變、外界溫度不變）的管道內溫度變化及能量損失率可達到預期結果。

對變化組而言，其進氣溫度從18.02 ℃上升至18.84 ℃再下降至18.05 ℃，此時僅研究實驗中第3個熱電偶橫截面（6 m處）的平均溫度與計算結果的對比。如圖9所示，當進氣溫度保持在18 ℃左右的時候，EnergyPlus模型的計算結果落在誤差線內；而當進氣溫度從上升的不穩定過程中，模型的計算結果落在誤差線以外；由圖中數據可看到，雖然進氣溫度在初始值的基礎上僅僅增加了0.82 ℃，在長達10 min的過程中，模型計算結果都嚴重偏離了可接受的誤差范圍。因此，EnergyPlus的管道換氣數學模型對于動態變化的工況并不適用。

圖9 變化組溫度變化（6 m處）與模型計算結果對比

3 EnergyPlus中固定傳熱系數的影響

在EnergyPlus的使用過程中，其管道換熱模塊需輸出固定的傳熱系數U；而在應用中管道空氣的流量會根據實際情況出現變化，也就是傳熱系數U并不是完全固定的。因此，固定的傳熱系數U將給實際應用的模擬分析帶來偏差。本文從管道空氣的溫度變化和管道空氣的能量損失率兩個方面進行分析。

3.1 固定傳熱系數對溫度計算的影響

本文以實驗中穩定組1（流量350.4 m3/h）的實驗結果為基礎，通過基于流量為210 m3/h、350.4 m3/h和500 m3/h的傳熱系數的模型計算結果與實驗結果進行溫度變化的比較，來分析固定傳熱系數對實際應用中溫度計算的影響。此處對比分析的誤差線仍然是±0.105 ℃。

計算結果如圖10所示，可以看出當基于實驗流量相同（350.4 m3/h）的傳熱系數進行計算時，EnergyPlus的模型計算結果落在誤差允許范圍內；在實際應用中，若流量不變，則可由EnergyPlus管道換熱數學模型得到較好的計算結果。當基于流量210 m3/h的傳熱系數進行計算時，其計算結果與實驗結果有一定偏差，但也落在誤差允許的范圍內。但是可以估計當管道距離足夠長（大于6 m）其結果將落在誤差范圍之外。當基于流量為500 m3/h的傳熱系數計算時，在距離進氣口6 m處，其結果落在誤差線之外。

圖10 穩定組1的溫度變化與模型計算（基于不同流量的傳熱系數進行計算）結果對比

3.2 固定傳熱系數對能量損失率計算的影響

此處分析固定傳熱系數對能量損失率的影響，仍然以實驗中穩定組1（流量350.4 m3/h）的實驗結果為基礎，通過基于流量為210 m3/h、350.4 m3/h和500 m3/h的傳熱系數的模型計算結果與實驗結果進行能量損失率的比較，來分析固定傳熱系數對實際應用中的影響。此處對比分析中的誤差線仍然是±18.15 W。

對比結果如圖11所示，穩定組1在實驗中的流量是350.4 m3/h，當模型的計算基于流量為210 m3/h和500 m3/h的傳熱系數時，其結果在距離入口處、6 m處的能量損失率與實驗結果有一定的偏差，但都落在誤差線以內；可以估計當管道距離更長的時候，基于流量為210 m3/h和500 m3/h的傳熱系數的能量損失率的計算值會落在誤差線以外。因此，當流量偏差較大或管道距離較長時，EnergyPlus中固定的傳熱系數U會給實際應用的能量損失率的模擬計算帶來偏差。

圖11 穩定組1的能量損失率實驗值與模型計算（基于不同流量的傳熱系數進行計算）結果對比

4 結論

本文通過對EnergyPlus管道換熱數學模型的研究，設計了驗證性的實驗，根據實驗工況進行了管道換熱數學模型的計算，并通過實驗誤差的分析；將實驗結果與模型計算結果進行對比，研究在穩定工況和變化工況下管道空氣溫度的變化和能量損失率實驗結果與模型計算結果的差別。同時本文還基于實驗中的穩定工況組，分析了EnergyPlus中輸入固定傳熱系數對于實際應用的影響，并得出以下結論。

1）對于外界溫度穩定、進氣溫度穩定、管道空氣流量穩定的工況計算，EnergyPlus的管道換熱模型表現較好，溫度變化與能量損失率的計算結果都在實驗誤差所接受的范圍之內。因此在實際運用中，對于穩定工況的管道換熱的計算，可選用EnergyPlus來進行模擬。

2）對于進氣溫度變化的工況，EnergyPlus管道換熱模型的計算結果與實驗結果偏差較大，當溫度升高時，模型的計算結果均落在實驗誤差允許的范圍之外。因此在實際應用中，進氣溫度變化的工況不適合用EnergyPlus進行模擬計算。

3）EnergyPlus管道換熱模塊使用過程中需輸入固定傳熱系數的特點，在實際應用中，將對管道空氣溫度和能量損失率的計算帶來偏差。當流量變化時，部分結果落在誤差允許范圍之外；當實際流量與輸入EnergyPlus的流量存在偏差，隨著管道長度的增加，EnergyPlus得出的出口處空氣溫度和能量損失率計算結果的誤差也會增加。因此，這是EnergyPlus管道換熱數學模型在實際應用中的局限性。

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Analysis of Mathematical Models of Ventilation Ducts in EnergyPlus

PENG Ji*1, WANG Ruzhu1, NOVAKOVIC Vojislav2
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University (SJTU), Shanghai 200240, China; 2-Norwegian University of Science and Technology (NTNU), KolbjornHejesvei 1B, Trondheim, NO-7491, Norway)

Calculation of heat transfer in ventilation ducts is conducted based on mathematical models in EnergyPlus with different conditions. Experiment focused on air temperature change and energy loss rate in ducts is made with the same conditions as well. And the quantitative analysis of mathematical models in EnergyPlus is studied. Aiming at the characteristic of using fixed U-value in EnergyPlus, the correlative calculation and analysis are conducted. The results show that the differences between the calculation results and the measurement results for the temperature variation and the heat loss power are very small and can be accepted when the conditions are quite stable. However, when it comes to the unstable state, the differences between the calculation results and measurement results are very large. And the fixed U-value required by EnergyPlus is easy to bring large errors when the mathematical model is applied in practice.

EnergyPlus; Ventilation system; Heat transfer in ducts; Heat loss; Mathematical model; Fixed U-value

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.101

*彭吉（1991-），男，碩士研究生。研究方向：建筑節能。聯系地址：上海市閔行區東川路800號，郵編：200240。聯系電話：021-34206548。E-mail：rzwang@sjtu.edu.cn。