混合式平板集熱系統(tǒng)的強(qiáng)制對(duì)流熱力學(xué)性能的動(dòng)態(tài)分析計(jì)算模型

梁東俊

摘 要：本文描述了在平板空間上的一個(gè)混合式平板集熱系統(tǒng)強(qiáng)制對(duì)流熱力學(xué)性能的動(dòng)態(tài)分析計(jì)算模型。此模型基于平板某空間上下的一維（長度方向）的數(shù)學(xué)分析指出了沿著模塊的熱交換、模塊兩部分間的熱交換、鄰近模塊的熱交換、以及系統(tǒng)中所有的周圍空氣的熱交換。他考慮了相應(yīng)的熱交換機(jī)制以及所有系統(tǒng)中的物理因素，以避免在3-D熱分析的時(shí)候需要消耗其他的熱量，從而能夠進(jìn)行徹底且完整正確的分析。

關(guān)鍵詞：混合式平板集熱系統(tǒng)；強(qiáng)制對(duì)流；熱力學(xué)性能；模型；動(dòng)態(tài)

引言：美國智能建筑協(xié)會(huì)定義了智能建筑為：從結(jié)構(gòu)，系

統(tǒng)，維修和管理這四個(gè)基本因素以及他們之間的內(nèi)在聯(lián)系的方面考慮，以最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，從而能提供一個(gè)高效、舒適、便利、安全的環(huán)境空間。Finley等人在提高生產(chǎn)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)和居住者舒適性的建筑中采用先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)整體提供的含義中也運(yùn)用了用同樣的定義。大致來說，直接數(shù)字控制器、供暖、通風(fēng)和空調(diào)、能源管理系統(tǒng)、建筑自動(dòng)控制系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)在目前都沒有與建筑的熱力性能相適應(yīng)。Lush在他的研究中使用了一個(gè)相似的定義，他主張，一個(gè)“真正”的智能建筑（區(qū)別于巧妙的建筑）是這樣一種東西：最優(yōu)化是要對(duì)整體而言的。

一、混合式平板墻式空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

混合式平板墻式空調(diào)系統(tǒng)，表現(xiàn)了一個(gè)“真正”智能建筑的應(yīng)該具有的成分和所有特征。它由南部正面收集器奪取太陽的放射物，將熱空氣傳輸?shù)剿桨鍫钕鹉z中的核心處，并將熱存儲(chǔ)到混凝土塊中。當(dāng)板層的擴(kuò)展超過建筑的寬度時(shí)，熱量會(huì)很容易從南部正面?zhèn)鞯奖辈靠臻g。或多或少的，平板的熱慣性確保了施放周期的延長，從而使中午時(shí)間不會(huì)過熱。后者經(jīng)常是直接獲得系統(tǒng)的缺陷，并且無論如何為南部空間指示了狹窄光滑的空間。這個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)額外的有利特點(diǎn)是，它作為一個(gè)合適的加強(qiáng)者的角色除了它自身的加熱系統(tǒng)的一部分的角色之外。當(dāng)房間里合適的級(jí)別成為空氣溫度的合適影響的結(jié)果，并且意味著輻射溫度，增加的混合系統(tǒng)地基面平板的表面溫度使房間空氣溫度下降成為可能，這是為了達(dá)到合適熱量的相同等級(jí)，并且因此，在總熱能的進(jìn)一步增加上也可能達(dá)到。

二、目前的模型分析

由于缺少足夠的系統(tǒng)熱能性能分析的工具，一個(gè)完整的三維熱力分析可以通過任何存在的有限不同或者有限因素計(jì)劃而進(jìn)行，但是每次運(yùn)行所需的計(jì)算時(shí)間使它作為最優(yōu)化系統(tǒng)的工具變得不切實(shí)際。Swishier在1980年引出了滿液式混合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，但是這個(gè)模型的作用非常的有限，而且它并沒有解決縱向損失和平板的熱傳遞過程，因此在有著實(shí)際8-12m平板的真實(shí)建筑模型上非常的不準(zhǔn)確。盡管如此，有能量損失的單一數(shù)學(xué)程序仍然十分必要，因?yàn)樗苟鄻酉到y(tǒng)在他的中體熱力性能上的參數(shù)成為了有效定量的評(píng)價(jià)。因此，以下的模型仍然是建立在此基礎(chǔ)上。

三、系統(tǒng)性能的影響

從集熱器的結(jié)構(gòu)來看，對(duì)其性能有較大影響的因素，一是一天內(nèi)進(jìn)入平板上下空間的每小時(shí)和每天總的自然對(duì)流，以及平板每小時(shí)表面溫度的分布。為了獲得這些表面溫度的值，必須計(jì)算沿著平板核心的表面溫度分布，以及沿著平板的上部和下部表面的表面溫度分布。建筑物參數(shù)有可能會(huì)影響到溫度分布的值；二是集熱器核心區(qū)域的熱傳遞媒質(zhì)，以及具體的熱貯存區(qū)域（局部交叉）；其他的影響因素有機(jī)器運(yùn)行的速率等等。

四、建立模型

建立一個(gè)離散系統(tǒng)，將平板切成厚dx的薄片，寬度為2a。每一片被分為兩個(gè)部分，一個(gè)沿著流入的氣流而另一個(gè)沿著往外去的氣流。我們把這些部分的每一個(gè)與一個(gè)唯一的固體塊溫度聯(lián)系起來。（第一部分具體為T1（x，t）且第二部分具體為T2（x，t））這些單元中心的空氣也由唯一的溫度值來描述。（第一部分空氣為Th1（x，t），第二部分空氣為Th2（x，t））。核心內(nèi)的唯一表面溫度由Tsh1（x，t） 和Tsh1（x，t）近似表示，而上下表面的由Ts11（x，

t） 、Ts12（x，t）（上地板表面）和Ts21（x，t） 、Ts22（x，t）（下天花板表面）。以下部分將分別寫出固體塊以及每個(gè)部分每一片的運(yùn)動(dòng)氣體的熱平衡方程，考慮進(jìn)去所有熱傳遞機(jī)構(gòu)，以及基本系數(shù)的重復(fù)傳遞。在此基礎(chǔ)上即可以建立混合式平板集熱系統(tǒng)每一部分從核心空氣流動(dòng)到核心表面的熱功率的數(shù)學(xué)模型從而進(jìn)一步得出動(dòng)態(tài)分析計(jì)算模型。

結(jié)論：在文中對(duì)目前混合式平板墻式空調(diào)系統(tǒng)的一些模型進(jìn)行了討論，分析了其系統(tǒng)性能的影響因素，并在這些影響因素的前提下對(duì)混合式平板墻式空調(diào)系統(tǒng)建立了一個(gè)離散系統(tǒng)，為進(jìn)一步得出混合式平板集熱系統(tǒng)的強(qiáng)制對(duì)流熱力學(xué)性能的動(dòng)態(tài)分析計(jì)算模型打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] R.BECKER computational model for analysis of dynamic thermal performance of a hybrid slab-collector system with passive discharge[M] faculty of civil engineering，techion，Haifa 32000，Israel.