大空間分層空調(diào)輻射轉(zhuǎn)移熱特性規(guī)律研究★

趙子文 呂留根 楊飛鴻 陳佳琦 湯 鑫 楊 恒 鄭 晨 葉春艷

(嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

1 概述

大空間建筑常采用分層空調(diào)，通過室內(nèi)氣流組織將室內(nèi)空間分隔成人員活動(dòng)的下部空調(diào)區(qū)和上部非空調(diào)區(qū)，從而使空調(diào)送風(fēng)區(qū)域大大減少，空調(diào)能耗顯著降低。同時(shí)由于空調(diào)送風(fēng)首先進(jìn)入人員活動(dòng)空調(diào)區(qū)域，使得人員活動(dòng)環(huán)境的空氣品質(zhì)得到改善，因而又具有改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的特點(diǎn)[1，2]。

大空間采用分層空調(diào)營造熱環(huán)境，其最大的特點(diǎn)即室內(nèi)空氣垂直溫度分層、梯度明顯。從整個(gè)分層空調(diào)室內(nèi)熱環(huán)境形成機(jī)理出發(fā)，上部非空調(diào)區(qū)域向空調(diào)區(qū)域轉(zhuǎn)移的熱量主要包含壁面溫差引起的輻射轉(zhuǎn)移熱和空氣溫差引起的對流轉(zhuǎn)移熱[3，4]。本文以輻射轉(zhuǎn)移熱為對象，對大空間分層空調(diào)輻射轉(zhuǎn)移熱特性規(guī)律進(jìn)行討論與探究。

2 輻射轉(zhuǎn)移熱計(jì)算方法及計(jì)算工況

2.1 大空間典型結(jié)構(gòu)及輻射轉(zhuǎn)移熱計(jì)算方法

大空間建筑分層空調(diào)典型特征為室內(nèi)環(huán)境分為上部非空調(diào)區(qū)和下部空調(diào)區(qū)，以典型大空間建筑為研究對象，如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為長度a，寬度b，高度H和分層高度H1。其中，建筑長寬比為L=a/b。根據(jù)輻射傳熱模型，結(jié)合大空間的結(jié)構(gòu)尺寸和熱工參數(shù)，計(jì)算非空調(diào)區(qū)壁面與空調(diào)區(qū)壁面之間的輻射傳熱，即輻射轉(zhuǎn)移熱。

大空間建筑非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移的輻射熱，壁面溫度是輻射換熱量計(jì)算的基礎(chǔ)，屋蓋下表面附近空氣或排風(fēng)溫度為：

t2d=twg+2 ℃～3 ℃

(1)

其中，t2d為屋蓋下表面附近空氣或排風(fēng)溫度，℃；twg為夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度，℃。非空調(diào)區(qū)的空氣溫度隨著室外溫度的變化而改變，不是一定值，可按下式確定。

(2)

其中，t2為非空調(diào)區(qū)溫度，℃；tn為空調(diào)區(qū)設(shè)計(jì)溫度，℃。根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱平衡，各內(nèi)壁面溫度為：

θn=tn+KΔtzh/αn

(3)

其中，θn為內(nèi)壁面溫度，℃；tn為室內(nèi)計(jì)算溫度，空調(diào)區(qū)為t1，非空調(diào)區(qū)為t2，℃，式(3)可用于空調(diào)區(qū)和非空調(diào)區(qū)；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Δtzh為室內(nèi)外綜合溫差，℃；αn為內(nèi)表面放熱系數(shù)，W/(m2·℃)，一般取8.72 W/(m2·℃)。

Qf=C1(∑Qid+∑Qfd)=C1{∑XidSiεiεdσ
[Ti4-Td4]+∑ρdXchdSchJch}

(4)

其中，∑Qid為非空調(diào)區(qū)各個(gè)壁面對地板的輻射換熱量，W；∑Qfd為透過非空調(diào)區(qū)玻璃窗被地板接收的日射得熱量，W；C1為空調(diào)區(qū)得熱修正系數(shù)，取1.3；Xid為非空調(diào)區(qū)各個(gè)壁面對地板的角系數(shù)；Si為各非空調(diào)區(qū)壁面計(jì)算面積，m2；εi,εd分別為非空調(diào)區(qū)各個(gè)壁面和地板的表面材料發(fā)射率；σ為斯蒂芬孫—波爾曼茲常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；Ti,Td分別為非空調(diào)區(qū)各個(gè)面和地板的絕對溫度，K；ρd為空調(diào)區(qū)地板對太陽輻射吸收率；Xchd為非空調(diào)區(qū)外窗對地板的角系數(shù)；Sch為非空調(diào)區(qū)外窗面積，m2；Jch為透過非空調(diào)區(qū)外窗的太陽輻射強(qiáng)度，W/m2。

2.2 輻射轉(zhuǎn)移熱計(jì)算工況

選取建筑寬長比、分層高度、室外干球溫度等因素，計(jì)算輻射轉(zhuǎn)移熱，計(jì)算工況見表1。

表1 輻射轉(zhuǎn)移熱計(jì)算工況

3 輻射轉(zhuǎn)移熱計(jì)算結(jié)果及分析

針對計(jì)算工況，計(jì)算大空間分層空調(diào)輻射轉(zhuǎn)移熱，結(jié)果如圖2所示。由圖2可得：隨著建筑寬長比、分層高度、室外干球溫度等8種參數(shù)的變化，非空調(diào)區(qū)對空調(diào)區(qū)的輻射轉(zhuǎn)移熱呈線性變化。其中，隨著分層高度的增加，輻射轉(zhuǎn)移熱減小，這是因?yàn)榉謱痈叨仍黾右鸱强照{(diào)區(qū)壁面對空調(diào)區(qū)壁面角系數(shù)減?。煌瑯?，隨著空調(diào)區(qū)設(shè)計(jì)溫度的增加，輻射轉(zhuǎn)移熱同樣減小，這是因?yàn)榭照{(diào)區(qū)設(shè)計(jì)溫度增加引起空調(diào)區(qū)壁面溫度的增加。隨著建筑寬長比、室外干球溫度、屋頂傳熱系數(shù)、壁面發(fā)射率、太陽輻射吸收率和太陽輻射強(qiáng)度的增加，輻射轉(zhuǎn)移熱均減小。其中屋頂傳熱系數(shù)、壁面發(fā)射率、太陽輻射吸收率和太陽輻射強(qiáng)度變化時(shí)，輻射轉(zhuǎn)移熱變化幅度較小。

4 結(jié)語

大空間非空調(diào)區(qū)對空調(diào)區(qū)的輻射轉(zhuǎn)移熱對分層空調(diào)負(fù)荷計(jì)算具有重要作用。本文研究了輻射轉(zhuǎn)移熱隨建筑寬長比、分層高度、室外干球溫度、空調(diào)區(qū)溫度、屋頂傳熱系數(shù)、壁面發(fā)射率、太陽輻射吸收率和太陽輻射強(qiáng)度等8種因素改變的變化規(guī)律。研究成果對減少輻射轉(zhuǎn)移熱具有參考作用，在設(shè)計(jì)大空間建筑時(shí)，可以適當(dāng)考慮這些因素，減少非空調(diào)區(qū)對空調(diào)區(qū)的輻射轉(zhuǎn)移熱，從而降低大空間建筑空調(diào)能耗。