綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對(duì)流換熱量估算仿真

楊 娜，戴振宇

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

1 引言

對(duì)流換熱是一種常見(jiàn)的熱量傳遞現(xiàn)象，主要發(fā)生在固體物質(zhì)表面。這種熱傳遞現(xiàn)象的發(fā)生條件相對(duì)苛刻，只能發(fā)生在流動(dòng)氣體與固體表面相接處的情況下。最基本的對(duì)流換熱行為依靠流體中質(zhì)點(diǎn)的不斷移動(dòng)，來(lái)促進(jìn)熱量的完全傳輸，且平均傳輸速率始終與流體的流動(dòng)狀態(tài)保持制約影響關(guān)系。當(dāng)換熱形式發(fā)生改變時(shí)，流體各部分溫度會(huì)出現(xiàn)明顯的差異性，進(jìn)而引發(fā)流體密度的快速變化，這種由密度改變引起的熱量運(yùn)動(dòng)即為自然對(duì)流換熱[1]。而由風(fēng)機(jī)等外界設(shè)備引起的熱量運(yùn)動(dòng)即為受迫對(duì)流換熱，在自然情況下，受到邊界層和發(fā)展因素的影響，受迫對(duì)流換熱也可以分為內(nèi)部受迫和外掠受迫兩大類(lèi)型。

為避免高層建筑室內(nèi)熱量分子的無(wú)章流竄，現(xiàn)有技術(shù)手段主要通過(guò)x-方法、y-方法、z-方法三種策略來(lái)估算基礎(chǔ)的對(duì)流換熱量。其中，x-估算方法主要針對(duì)對(duì)流環(huán)境中的平行熱量分子，通過(guò)單相抑制的方法確定換熱過(guò)程中的熱量損失情況；y-估算方法主要針對(duì)對(duì)流環(huán)境中的波動(dòng)熱量分子，通過(guò)無(wú)相變控制的方法確定換熱過(guò)程中的熱量損失情況；z-估算方法主要針對(duì)對(duì)流環(huán)境中的旋轉(zhuǎn)熱量分子，通過(guò)流體物性判斷的方式確定換熱過(guò)程中的熱量損失情況。但隨著熱量疏散標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，這三種原始手段對(duì)平行、波動(dòng)、旋轉(zhuǎn)三類(lèi)熱量分子的約束精確性始終不能達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

為有效解決上述問(wèn)題，建立一種全新的綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對(duì)流換熱量的估算方法。在耗熱極值判定、峰谷換熱量計(jì)算等技術(shù)手段的支持下，將新型估算方法對(duì)熱量分子的約束精確性調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)。為突出證明這種新型估算方法的應(yīng)用全效性，利用simwe仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2 綠色生態(tài)高層建筑的室內(nèi)耗熱函數(shù)計(jì)算

綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)耗熱函數(shù)是新型對(duì)流換熱量估算方法建立的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在熱量傳導(dǎo)系數(shù)確定、耗熱極值判斷、函數(shù)誤差估計(jì)三個(gè)主要物理環(huán)節(jié)的支持下，其具體計(jì)算方法可按如下步驟進(jìn)行。

2.1 高層建筑的熱量傳導(dǎo)系數(shù)確定

高層建筑熱量傳導(dǎo)系數(shù)是計(jì)算室內(nèi)耗熱函數(shù)的重要物理?xiàng)l件。根據(jù)建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，建筑物層高是影響其自身熱量傳導(dǎo)的唯一條件，且通常情況下，隨著建筑物層高的不斷提升，室內(nèi)熱量傳導(dǎo)系數(shù)也會(huì)隨著增大。在不考慮外界影響因素的前提下，室內(nèi)基本耗熱量是建筑外墻、薄膜頂部、門(mén)窗地面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)所散失的所有熱量總和[2-3]。所謂附加熱量是由圍護(hù)結(jié)構(gòu)朝向引起的物理傳熱變化情況，受到風(fēng)力、門(mén)窗縫隙、冷空氣密度、室內(nèi)溫度等多項(xiàng)物理系數(shù)的共同影響，是對(duì)基礎(chǔ)室內(nèi)耗熱量的詳細(xì)補(bǔ)充說(shuō)明。室內(nèi)耗熱的附加熱量條件表示為

(1)

式中，ρ代表建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均密度情況，β1代表室內(nèi)對(duì)流環(huán)境中的物理傳熱分子，α1代表高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的物理朝向系數(shù)，w1代表室內(nèi)溫度條件。在式(1)的基礎(chǔ)上，設(shè)e1、e2代表兩個(gè)不同的高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)向量，結(jié)合式(1)，其高層建筑的熱量傳導(dǎo)系數(shù)，如式(2)所示

(2)

式中，δ2代表綠色生態(tài)建筑物的層高條件，ε2代表建筑物的室內(nèi)耗熱利用權(quán)限，r1代表室內(nèi)耗熱附加熱量的利用權(quán)限值。在求得高層建筑的熱量傳導(dǎo)系數(shù)基礎(chǔ)上，判定耗熱極值。

2.2 耗熱極值判定

與高層建筑熱量傳導(dǎo)系數(shù)相比，耗熱極值條件是衡量對(duì)流換熱有效性的關(guān)鍵系數(shù)。從建筑物特性角度來(lái)看，耗熱極值是物質(zhì)自身所具備的物理屬性條件，不會(huì)隨著外界影響因素的變化而產(chǎn)生任何改變。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是確保室內(nèi)環(huán)境具有良好散熱能力的物理依據(jù)，而熱量傳導(dǎo)系數(shù)則是衡量這種物理現(xiàn)象發(fā)展程度的關(guān)鍵系數(shù)[4-5]。假定目標(biāo)建筑所處層高始終不發(fā)生改變，外界圍護(hù)結(jié)構(gòu)的屬性分子也不隨耗熱量的增加而發(fā)生改變。設(shè)y′代表高層建筑熱量傳導(dǎo)系數(shù)在室內(nèi)環(huán)境中的消耗標(biāo)準(zhǔn)，在式(2)的基礎(chǔ)上，可將y′的計(jì)算結(jié)果表示

(3)

(4)

2.3 函數(shù)誤差估計(jì)

函數(shù)誤差結(jié)果是確保綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)耗熱函數(shù)具備指向應(yīng)用能力的物理指標(biāo)，可在結(jié)合高層建筑熱量傳導(dǎo)系數(shù)、耗熱極值條件數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)函數(shù)結(jié)果的偏移指向能力進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃[6]。總的來(lái)說(shuō)，綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)耗熱函數(shù)可為對(duì)流熱量估算方法劃分明確的上、下限范圍條件，并在該區(qū)間條件內(nèi)，通過(guò)擴(kuò)充耗熱量的方式，試探出與室內(nèi)物理環(huán)境相關(guān)的對(duì)流熱量循環(huán)參量。

從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，函數(shù)誤差結(jié)果與耗熱極值條件呈現(xiàn)正相關(guān)影響關(guān)系，及隨著高層建筑室內(nèi)耗熱量的增加，函數(shù)誤差結(jié)果的理論數(shù)值也會(huì)隨著增大，反之則減小[7]。但這種物理趨勢(shì)不會(huì)出現(xiàn)無(wú)限制的攀升或降低，也就是說(shuō)只有在一定的區(qū)間范圍內(nèi)，函數(shù)誤差條件才會(huì)對(duì)最終的函數(shù)公式產(chǎn)生約束。結(jié)合式(4)可將函數(shù)的上、下限約束值表示為

(5)

(6)

3 基于耗熱公式的對(duì)流換熱量估算

在綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)耗熱函數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)峰值換熱量、谷值換熱量計(jì)算結(jié)果，建立完整的對(duì)流換熱條件，完成新型換熱量估算。

3.1 峰值換熱量計(jì)算

峰值換熱量是以高層建筑室內(nèi)對(duì)流環(huán)境為基準(zhǔn)的衍生物理?xiàng)l件，可借助綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)耗熱函數(shù)，限定可用于交換熱量的上邊緣消耗量。常規(guī)條件下，平行熱量分子、波動(dòng)熱量分子、旋轉(zhuǎn)熱量分子是室內(nèi)對(duì)流環(huán)境下，建筑物內(nèi)可供循環(huán)使用的所有熱量系數(shù)條件，且在不發(fā)生外力干擾的前提下，每一類(lèi)型熱量分子的存在形式都是始終獨(dú)立的，也就是說(shuō)，任一類(lèi)型的熱量分子都不具備獨(dú)立影響室內(nèi)對(duì)流換熱情況的物理能力[8-9]。隨著耗熱量的不斷增加，三類(lèi)熱量分子都會(huì)獨(dú)立的存在于室內(nèi)熱量交換環(huán)境中，設(shè)v1代表平行熱量分子的對(duì)流交換條件，v2代表波動(dòng)熱量分子的對(duì)流交換條件，v3代表旋轉(zhuǎn)熱量分子的對(duì)流交換條件，聯(lián)立v1、v2、v3與式(6)，可將室內(nèi)熱量交換環(huán)境中的能量分子平均值表示為

(7)

(8)

式中，T1代表室內(nèi)對(duì)流環(huán)境對(duì)熱量分子的峰消耗系數(shù)，b1代表綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)耗熱向量的利用分子，η1代表能量分子平均值的應(yīng)用參量，h1代表峰值邊限判別系數(shù)。

3.2 谷值換熱量計(jì)算

(9)

(10)

3.3 對(duì)流換熱量估算

對(duì)流換熱估算條件建立是新型換熱量估算方法實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，受到峰值換熱量、谷值換熱量物理結(jié)果的直接關(guān)聯(lián)影響。在綠色生態(tài)環(huán)境下，高層建筑室內(nèi)對(duì)流量的沖擊會(huì)對(duì)熱量消耗值產(chǎn)生一定的物理抵消，且隨著對(duì)流時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，這種物理抵消強(qiáng)度也會(huì)呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢(shì)。為解決這種抵消現(xiàn)狀，進(jìn)而得到真實(shí)的高層建筑室內(nèi)對(duì)流換熱量估算結(jié)果，設(shè)Z′代表高層建筑室內(nèi)對(duì)流量的物理數(shù)值，C↑代表峰值換熱量的利用系數(shù)，C↓代表谷值換熱量的利用系數(shù)，聯(lián)立式(8)與式(10)，可將完整的對(duì)流換熱量估算過(guò)程表示為

(11)

其中，M代表高層建筑的基礎(chǔ)室內(nèi)估算權(quán)限值，b代表相關(guān)性估算指標(biāo)，Δn代表單位時(shí)間內(nèi)對(duì)流耗熱量的具體變化數(shù)值。對(duì)所有與室內(nèi)對(duì)流熱能消耗相關(guān)的物理系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一整合，完成綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對(duì)流換熱量估算方法的建立。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為突出綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對(duì)流換熱量估算方法的實(shí)用全能性，設(shè)計(jì)如下仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在simwe平臺(tái)中，分別應(yīng)用x-估算方法、y-估算方法、z-估算方法，并記錄每種估算方法直屬影響熱量分子約束精確性的變化情況；再應(yīng)用新型估算方法，記錄該方法對(duì)每類(lèi)熱量分子約束精確性的影響情況；最后將每一類(lèi)熱量分子約束精確性數(shù)值進(jìn)行兩兩對(duì)比。

4.1 平行熱量分子約束精確性對(duì)比

已知平行熱量分子約束精確性與PPI指標(biāo)始終保持相同的變化趨勢(shì)，在50min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，應(yīng)用綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對(duì)流換熱量估算方法、x-估算方法后，平行熱量分子約束精確性的變化情況，如圖1所示．

圖1 平行熱量分子約束精確性對(duì)比圖

分析圖1可知，應(yīng)用綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對(duì)流換熱量估算方法、x-估算方法后的PPI指標(biāo)均呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢(shì)，但前者的變化幅度明顯高于后者，從數(shù)值結(jié)果來(lái)看，前者的最大值達(dá)到92.6%，與后者最大值41.3%相比，上升了51.3%。

4.2 波動(dòng)熱量分子約束精確性對(duì)比

已知波動(dòng)熱量分子約束精確性與PPS指標(biāo)始終保持相同的變化趨勢(shì)，應(yīng)用綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對(duì)流換熱量估算方法、y-估算方法后，波動(dòng)熱量分子約束精確性的變化情況，如表1所示。

表1 波動(dòng)熱量分子約束精確性對(duì)比表

分析表1可知，應(yīng)用新型估算方法后，PPS指標(biāo)始終保持上升與下降交替出現(xiàn)的變化趨勢(shì)，最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到86.5%，與初始值76.3%相比，上升了10.2%；應(yīng)用y-估算方法后，PPS指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)前、后期均出現(xiàn)一段時(shí)間的穩(wěn)定狀態(tài)，但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中期階段始終保持持續(xù)下降，最大值53.1%即為初始值，與應(yīng)用新型估算方法后的最大值86.5%相比，下降了33.4%。

4.3 旋轉(zhuǎn)熱量分子約束精確性對(duì)比

已知旋轉(zhuǎn)熱量分子約束精確性與PPM指標(biāo)始終保持相同的變化趨勢(shì)，應(yīng)用綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對(duì)流換熱量估算方法、z-估算方法后，旋轉(zhuǎn)熱量分子約束精確性的變化情況，如表2所示。

表2 旋轉(zhuǎn)熱量分子約束精確性對(duì)比表

分析表2可知，應(yīng)用新型估算方法后，PPM指標(biāo)前期不斷上升、后期開(kāi)始保持穩(wěn)定，最大值達(dá)到90.4%，遠(yuǎn)超初始值87.2%；應(yīng)用z-估算方法后，PPM指標(biāo)除實(shí)驗(yàn)中期外，均保持逐漸上升的變化趨勢(shì)，且后期上升幅度明顯高于前期，但最大值也僅能達(dá)到60.4%，遠(yuǎn)低于應(yīng)用新型估算方法后PPM指標(biāo)的最大值。

5 結(jié)束語(yǔ)

在保留x-、y-、z-三種估算方法應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，建立完整的室內(nèi)耗熱函數(shù)，并通過(guò)峰、谷換熱量計(jì)算等方式，建立一種新型的綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對(duì)流換熱量的估算方法。從實(shí)用性角度來(lái)看，PPI、PPS、PPM三項(xiàng)指標(biāo)呈現(xiàn)出不同幅度的上升趨勢(shì)，即各類(lèi)型熱量分子的約束精確性均得到穩(wěn)定提升，達(dá)到建筑物熱量有效疏散的物理目的。