基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法与流程

本发明属于大空间负荷计算
技术领域：
，具体涉及一种大空间分层空调负荷的计算方法。
背景技术：
：大空间建筑是指高度大于10m，体积大于10000m3的建筑。公共建筑中的体育建筑、观演建筑、会展建筑、交通建筑及工业厂房等均属于大空间建筑。大空间建筑种类繁多、形态各异、内涵丰富，随着社会经济的发展，人类对大空间的需求在不断增长，尤其在我国，大空间建筑取得突飞猛进的发展，其建筑跨度逐渐增大，建筑结构日趋复杂。大空间建筑被视为城市发展的标志，是城市经济、文化的重要体现。考虑降低建筑能耗与提高室内空气品质，大空间建筑常采用分层空调。分层空调是指仅对大空间建筑下部人员居留区进行空调，而对上部空间不进行空调的空调方式。分层空调负荷是确定空调系统向室内提供冷量的主要依据，也是评估分层空调节能量的关键。区别于常规空调负荷，目前大空间建筑分层空调负荷计算主要考虑在空调区常规空调负荷(如围护结构传热负荷、室内热源负荷、新风或渗透负荷等)的基础上增加辐射转移负荷和对流转移负荷，这两者均是非空调区向空调区转移热形成的负荷。而现有的技术存在三点不足之处使所得负荷产生较大误差。原因如下，其一：在计算空调区常规空调负荷，辐射转移热负荷及对流转移热负荷这三部分负荷的时候是分别独立计算的然后叠加在一起，而室内扰量、室外扰量及非空调区和空调区的换热这三部分是相互作用最终形成负荷的。其二：辐射转移负荷计算分为两步：一是辐射转移热采用非空调区向空调区地板的辐射换热为基数,再乘以比例系数(手册建议取1.3)得到非空调区向空调区的总辐射转移热，其中辐射换热计算采用直接辐射模型；二是对于其得热引起空调负荷过程，以辐射转移热乘以经验系数c2(手册推荐值为0.45～0.72，一般可取0.5)的方法确定辐射转移负荷。第一步中的1.3和第二步的c2取值都经验值使计算产生误差。其三：对流转移热负荷的计算也是通过人工查线图所得，线图也是经验所得存在误差，再者在手工查图的时候也会出现误差。技术实现要素：本发明是为了解决上述问题而进行的，本发明从能量守恒角度提供一种概念清晰、物理意义明确，更加准确的大空间分层空调负荷计算的方法。本发明提供了一种基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，对大空间建筑外围护结构以及地面内壁面能量分析，对任意内壁面的内表面建立热平衡方程，所述热平衡方程表达式为:式中：-第i面单位面积接受的由室外扰量引起的传热量，w；-第i面单位面积周围空气的对流换热量，w；-第i面单位面积与其他内表面的辐射换热量，w；-第i面单位面积接受的由室内热源引起的辐射热量，w步骤二，根据步骤一中的任意内壁面的热平衡方程，建立大空间建筑的n个内壁面的能量方程，所述n个内壁面的能量方程表达式为：…………步骤三，对由非空调区转移到空调区的移热进行分析计算，得到非空调区空气热平衡表达式，所述非空调区空气热平衡表达式为：式中：e-室内热源散热量中辐射部分所占的比例；tαf-非空调区空气的平均温度，℃；-非空调区室内热源散热量，w；qp-排风带走的热量，w；qz-从非空调区转移到空调区的对流转移热量，wti为第i面内壁面温度，℃；ki为第i面内表面放热系数，w/(m2·k)；ai为第i面内壁面的面积，m2。步骤四，对空调区进行能量分析计算，得到大空间分层空调负荷表达式，所述大空间分层空调负荷表达式为：式中：-空调区空气的平均温度，℃；cl-大空间分层空调负荷，w；qok表示空调区室内热源散热量，w。在本发明提供的基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，式中：tzi-室外综合温度，℃；ti-建筑外围护结构或地面的内壁面温度，℃；bi-建筑结构材料的厚度，m；λi-建筑结构材料导热系数，w/(m2·k)；αi-建筑外表面空气换热系数，w/(m2·k)另外，在本发明提供的基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，式中：ki-建筑内表面空气换热系数，w/(m·k)；tn-若i面在非空调区则为其平均温度，若i面在空调区则为其平平均温度，℃另外，在本发明提供的基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，式中：tk为第k面内壁面温度，℃；δb为黑体的辐射常数，w/(m2·k4)εk为第k面内壁面黑度εi为第i面内壁面黑度fi，k为内表面i对内表面k的辐射角系数tn为空调区空气的平均温度或非空调区的平均温度，k另外，在本发明提供的基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，式中：qr为室内热源的散热量的辐射热量，w：q0为室内热源的散热量，w；e为室内热源散热量中辐射部分所占的比例；a所有面的内表面总的表面积，m2发明的作用与效果根据本发明所涉及的基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法，包括以下四个步骤：步骤一，对大空间建筑外围护结构以及地面内壁面能量分析，建立任意内壁面建立各内表面的热平衡方程；步骤二，根据步骤一中的任意内壁面的热平衡方程，建立大空间建筑的n个内壁面的能量方程；步骤三，对由非空调区转移到空调区的移热进行分析计算，得到非空调区空气热平衡表达式；步骤四，对空调区进行能量分析计算，得到大空间分层空调负荷表达式。因为本发明所涉及的基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法解决了现有技术中转移热形成负荷误差大的不足，本发明从能量守恒角度提供一种概念清晰、物理意义明确，更加准确的大空间分层空调负荷计算的方法，其中对大空间的所有外围护结构及地面从能量守恒角度建立各内表面的热平衡方程，使室内外扰量及非空调区和空调区的换热这三部分放到等式中相互作用最终形成负荷，且能得到准确地大空间所有壁面的内表面温度，故也不存在辐射转移热负荷，对于对流转移热是对非空调区的空气能量守恒建立热平衡方程所得，误差也大大减小。附图说明图1是本发明的实施例中试验系统原理图；图2是本发明的实施例中实验室平面布置图；图3是本发明的实施例中喷口送风系统现场布置的照片；图4是本发明的实施例中铺设电热膜墙体的照片；图5是本发明的实施例中电气控制柜正面和侧面的照片；图6是本发明的实施例中传感器的照片；图7是本发明的实施例中各壁面热流密度与温度测点示意图；图8是本发明的实施例中case1稳态时各墙体内表面的计算温度和实测温度曲线图；图9是本发明的实施例中case2稳态时各墙体内表面的计算温度和实测温度曲线图；图10是本发明的实施例中case3稳态时各墙体内表面的计算温度和实测温度曲线图；图11是本发明的实施例中case4稳态时各墙体内表面的计算温度和实测温度曲线图；以及图12是本发明的实施例中case5稳态时各墙体内表面的计算温度和实测温度曲线图。具体实施方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所提供的基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法作具体阐述。实施例本发明从能量守恒角度提供一种概念清晰、物理意义明确，更加准确的大空间分层空调负荷计算的方法，其中对大空间的所有外围护结构及地面从能量守恒角度建立各内表面的热平衡方程，使室内外扰量及非空调区和空调区的换热这三部分放到等式中相互作用最终形成负荷，且能得到准确地大空间所有壁面的内表面温度，故也不存在辐射转移热负荷，对于对流转移热是对非空调区的空气能量守恒建立热平衡方程所得，误差也大大减小。为实现以上目的，本发明所采用的技术方案如下：对于大空间分层空调的负荷应包括如下三个部分：①室外扰量在空调区形成的负荷；②室内扰量在空调区形成的负荷；③由非空调区转移到空调区的转移热形成的负荷。这三各部分是相互作用，本发明的计算方法包括如下步骤：步骤一，从能量守恒角度建立各内表面的热平衡方程。即对于大空间任意一内表面来说，从室外侧传来的到热量及吸收的来自室内的在其上分配的各种热源辐射热量应等于内表面与室内空气的对流换热量及其与其他表面的辐射换热量。建立各内表面的热平衡方程后，再结合其他条件边可求出任意时刻大空间各围护结构的内表面温度。对大空间建筑外围护结构以及地面内壁面能量分析，建立任意内壁面建立各内表面的热平衡方程，所述热平衡方程表达式为：式中：-第i面单位面积接受的由室外扰量引起的传热量，w；-第i面单位面积周围空气的对流换热量，w；-第i面单位面积与其他内表面的辐射换热量，w；-第i面单位面积接受的由室内热源引起的辐射热量，w其中：式中：tzi-室外综合温度，℃；ti-建筑外围护结构或地面的内壁面温度，℃；bi-建筑结构材料的厚度，m；λi-建筑结构材料导热系数，w/(m2·k)；αi-建筑外表面空气换热系数，w/(m2·k)式中：ki-建筑内表面空气换热系数，w/(m·k)；tn-若i面在非空调区则为其平均温度，若i面在空调区则为其平平均温度，℃式中：tk为第k面内壁面温度，℃；δb为黑体的辐射常数，w/(m2·k4)εk为第k面内壁面黑度εi为第i面内壁面黑度fi，k为内表面i对内表面k的辐射角系数tn为空调区空气的平均温度或非空调区的平均温度，k室内扰量即各种室内热源(设备、人员、照明等)，对于室内热源的处理是将热源的辐射部分与对流部分分离开来，辐射部分即热源与各内壁表面的辐射换热量，其对流部分即热源与周围空气的对流换热量，这部分直接变成室内负荷即瞬时冷负荷。式中：qr为室内热源的散热量的辐射热量，w；q0为室内热源的散热量，w；e为室内热源散热量中辐射部分所占的比例；a所有面的内表面总的表面积，m2其中e的取值如表1所示：表1室内热源对流辐射分离步骤二，若该大空间建筑有n个内表面，对每个内壁面进行能量分析，便可得n个内壁面的能量方程，根据步骤一中的任意内壁面的热平衡方程，建立大空间建筑的n个内壁面的能量方程，所述n个内壁面的能量方程表达式为：因此由上式可得各围护结构以及地面的内表面温度t1，t2……tn。对于由非空调区转移到空调区的转移热的计算，我们从能量守恒角度来求解，以非空调区的空气为研究对象建立热平衡，非空调墙体内表面与空气的对流换热量及非空调区各种热源散热的对流部分就等于排风带走的热量及从非空调转移到空调区的对流转移热量。建立热平衡方程后，前三个热量可以直接求出，那么对流转移负荷便求出来了。对非空调区空气能量分析建立热平衡，可计算从非空调区转移到空调区的对流转移热量。步骤三，对由非空调区转移到空调区的移热进行分析计算，得到非空调区空气热平衡表达式，所述非空调区空气热平衡表达式为：式中：e-室内热源散热量中辐射部分所占的比例；tαf-非空调区空气的平均温度，℃；-非空调区室内热源散热量，w；qp-排风带走的热量，w；qz-从非空调区转移到空调区的对流转移热量，wai为第i面内壁面的面积，m2。在不考虑空气渗透及水蒸气蒸发的与室内空气的能量交换的前提下，且大空间的空调区温度符合设计温度不变，从能量守恒角度来求解，以空调区的空气为研究对象建立热平衡，空调区五个墙体(四个外围护结构以及地面)内表面与空气的对流换热量及空调区各种热源散热的对流部分及从非空调区转移到空调区的对流转移热量就等于空调带走的热量即分层空调负荷。以空调区空气为研究对象进行能量分析，可计算的大空间分层空调负荷。步骤四，对空调区进行能量分析计算，得到大空间分层空调负荷表达式，所述大空间分层空调负荷表达式为：式中：-空调区空气的平均温度，℃；cl-大空间分层空调负荷，w；qok表示空调区室内热源散热量，w。实施例为上海理工大学环境与建筑学院建筑环境与设备系统综合实验室，主要由环境模拟室(常温环境室room1与低温环境室room2)、冷却水系统、冷水系统、空气处理系统、电气控制系统、数据测量与采集系统以及计算机测控软件等部分组成，试验系统原理如图1所示，图1中，1为膨胀水箱，2为电动三通阀，3为冷冻水泵，4为冷水机组，5为冷却水泵，6为冷却塔，7为板式过滤器，8为表冷器，9为电加热器，10为蒸汽加湿，11为喷嘴，12为送风机，13为干蒸汽加湿器，14为vavbox，15为热湿负荷发生器，16为排风机，vc为风量控制器，t为温度测点，h为湿度测点，v为速度测点，dp为压差测点，sp-为静压测点，vfd为变频控制，ssr为固态继电器，m为阀门，f为-止回阀，c1-c9为信号转换器。room1和room2环境模拟室均采用100mm厚的聚氨酯保温库板制作，保温材料传热系数为0.2w/m2，地面在保温库板之上加2mm厚不锈钢板。两环境模拟室平面布置如图2所示。本课题以room1室(即上海理工大学环境楼404室)为对象，根据实验要求，进行了一定的改装。room1室尺寸为4900(长)×3500(宽)×1850(高)mm，vavbox最大风量为2000m3/h，室温控制范围为15～50℃。该实验室分层高度为1m，采用如图3所示的喷口侧送下回空调系统。四面墙和屋顶都紧贴上了电热膜用来模拟实际围护结构传热，如图4所示，实验室六个壁面都铺设有电热膜，并在电热膜上面贴有温度触感器和热流密度传感器，每个面的电热膜功率可独立控制。实验时，通过如图5所示的控制柜上的人机界面选择需要加热的电热膜及电热膜的输入功率曲线，可得围护结构的内壁面温度和电热膜传到的热流密度值。本发明基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法中，在各种影响因素中壁面热流密度以及室内的垂直温度最为重要，室内各壁面的温度值作为检验理论模型的直接量，通过测得的送回风量及其温度值可算得空调箱提供的制冷量作为检验理论模型的间接量。因此实验主要测量的参数有风量、送回风温度、室内空气垂直温度分布、各壁面热流密度及温度等。实施例中，壁面的热流密度及温度采用如图6所示的热流密度传感器和温度传感器进行测量。根据预实验的结果，每个壁面的空调区部分和非空调区部分都已找出代表其平均热流密度和平均温度的测点位置，热流密度和温度测点按代表位置布置。地板与观察窗的热流密度采用德国里氏热流密度测量仪器进行测量。建通热流密度仪器带有16个建通热流密度接口和32个温度接口，可以连接16个热流密度传感器和32个温度传感器。根据前期相关预实验的结果，四个竖直壁面、地板、屋顶的测点布置情况如图7所示，其中长方形为热流密度测点，小三角形为温度传感器测点。实验室的东西南北墙以及屋顶地热膜提供的总热量分别为：30w、30w、160w、130w、280w。对于室内扰量，我们室内采用白炽灯作为室内热源，模拟实际建筑的热源形式和位置，在实验室中根据白炽灯的个数和位置设定了5个实验工况。如表2所示：表2实验工况实验结果与分析(1)热平衡计算方法所得内壁面温度的结果分析因为要想利用分层空调负荷热平衡计算方法求解准确的分层空调负荷，首先必须用该方法求解准确的墙体内壁面温度。因此本实施例先分析用该方法计算所得的各工况达到稳态时的内壁面温度值与实验实测的温度值的吻合程度。根据上述实验工况进行实验并导出数据之后，对温度和热流每小时做一次平均，代表该小时的温度和热流。当每个试验工况达到稳定状态时，根据分层空调负荷热平衡计算方法原理，通过公式(6)可直接计算求得空调区5个内壁面和非空调5个内壁面的内壁面温度并作为各工况实验达到稳定状态时的内壁面温度的计算值。实验室10个内壁面上面都贴有温度传感器，利用实验导出的数据可实验达到稳定状态时的内壁面温度的实验值。对比各工况实验达到稳定状态时内壁面温度的计算值和实验值如图8-图12所示，在下列各图中横坐标代表各内壁面，为了方便起见，给如图7所示的10个内壁面分别编号。空调区各壁面编号：东墙为1，西墙为2，南墙为3，北墙为4，地面为10；非空调区各壁面编号：东墙为5，西墙为6，南墙为7，北墙为8，屋顶为9。从图8-图12中可以看出，分层空调负荷热平衡计算方法所得的内壁面温度与实验值非常接近。这里用温度相对误差绝对值来分析计算热平衡计算方法的准确性。式中：δt-温度相对误差的绝对值；ts-内表面温度的实测值，℃；tj-内壁面温度的计算值，℃根据实验数据，利用上述公式计算误差，为了便于分析误差将其整理成表3。表3误差分析从表3中的数据可以看出，5个工况在的热环境在达到稳定状态时，通过热平衡计算原理中的公式(6)得到的各墙体内壁面温度值与温度传感器实测得到的温度值的各项误差都不大全部在5％以内。工况1各壁面的平均只有为1.1％，最大为2.1％；工况2各壁面的平均只有为1.3％，最大为3.9％；工况3各壁面的平均只有为1.7％，最大为3.8％；工况4各壁面的平均只有为1.8％，最大为4.3％；工况5各壁面的平均只有为1.4％，最大为2.9％。表中的数据足以说明利用热平衡计算方法计算内壁面所引起的误差可以接受。因次为接下来的利用分层空调负荷热平衡计算方法求解分层空调负荷奠定了很好的基础。分层空调负荷热平衡计算方法所得分层空调负荷的结果与分析根据上述的分析利用分层空调负荷热平衡计算方法原理，通过公式(6)可计算求得稳定状态时准确的墙体内壁面温度，在通过公式(7)(8)便可以得到在5个工况的分层空调负荷并作为空调负荷的理论计算值，因为利用实验中实测得的送回风量和送回风温度进而可求得实验室空调系统提供的空调制冷量这也是空调负荷的实验实测值。通过对比各工况的计算负荷和实验负荷的结果，来验证分层空调负荷热平衡计算方法求解分层空调负荷的可行性和准确性。这里用负荷相对误差△来分析计算热平衡计算方法的准确性。式中：△-负荷相对误差绝对值；qs-空调负荷实验值，w；qj-空调负荷的计算值，w表4为分层空调实验工况结果五个分层空调工况的实验计算结果如表4所示。从表中数据可以看出，5个工况在的热环境在达到稳定状态时，不论热源的位置变化还是热源的大小变化，各工况的负荷相对误差的绝对值全部在5％以内，这也足以说明利用基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法求解分层空调负荷的可行性和准确性都是非常高的。为了更加直观的本发明的计算方法，列出了工况5的具体计算过程，如下文：步骤a.计算实验室所有内壁面的内壁面温度通过分析收集的温度触感器和热流密度传感器的数据，在实验开始后进过6个小时，实验室内的热环境达到平衡，所以可采用实验第7个小时内的数据，来求解实验室的分层空调负荷。通过数据处理得到实验室1-10内壁面的单位面积热流密度分别为：(4.35，8.32，25.26，14.32，2.28，2.87，10.88，5.81，13.65，-9.00)w/m2。通过数据处理得到非空调区和空调区的垂直方向上的平均温度即和分别为：30.45℃和28.58℃。在试验中分别在空调区和非空调区各别放了160w的内热源，内热源的形式均是4盏40w白炽灯。由表1可知，白炽灯的散热量中辐射部分所占的比例e为0.71，所以非空调区和空调区热源散热量的辐射部分：qr＝q0e＝160×0.71＝113.6w实验室所有面的内表面总的表面积为：65.38m2，所以可得实验室各壁面内表面单位面积接受的由室内热源引起的辐射热量为：从能量守恒角度对10个内壁面建立热平衡方程，将上述所得的qλ，和带入公式令：所以可得：将10个内壁面热平衡方程按上式展开得：联立10个方程，可得实验室1-10内壁面壁面温度分别为：t1t2t3t4t5t6t7t8t9t1031.1931.5533.0232.0832.7032.7633.5833.0834.2331.56步骤b.计算由非空调区转移到空调区的热量。对于对由非空调区转移到空调区移热的计算，即对非空调区空气建立热平衡，可得：步骤c.计算实验室的分层空调负荷。对实验室的分层空调负荷的计算，即对空调区空气建立热平衡，可得：最后：用测得的实验室空调系统提供的制冷量来验证本发明计算大空间分层空调负荷方法的准确性。其中本次实验室空调系统提供的制冷量为：703.42w，所以可得本发明计算方法的误差，为：实施例的作用与效果根据本实施例所涉及的基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法，包括以下四个步骤：步骤一，对大空间建筑外围护结构以及地面内壁面能量分析，建立任意内壁面建立各内表面的热平衡方程；步骤二，根据步骤一中的任意内壁面的热平衡方程，建立大空间建筑的n个内壁面的能量方程；步骤三，对由非空调区转移到空调区的移热进行分析计算，得到非空调区空气热平衡表达式；步骤四，对空调区进行能量分析计算，得到大空间分层空调负荷表达式。因为本实施例所涉及的基于表面热平衡的大空间分层空调负荷计算方法解决了现有技术中转移热形成负荷误差大的不足，对大空间的所有外围护结构及地面从能量守恒角度建立各内表面的热平衡方程，使室内外扰量及非空调区和空调区的换热这三部分放到等式中相互作用最终形成负荷，且能得到准确地大空间所有壁面的内表面温度，故也不存在辐射转移热负荷，对于对流转移热是对非空调区的空气能量守恒建立热平衡方程所得，误差也大大减小。上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。当前第1页12