一种厚大空腔透明膜采光屋面喷淋降温方法及降温系统

1.本发明涉及建筑技术领域，具体涉及一种厚大空腔透明膜采光屋面喷淋降温方法及降温系统。


背景技术：

2.随着人们对建筑外观及内部环境要求的不断提高，具有大面积的透明采光屋面在大型公共建筑中被广泛使用。厚大空腔透明膜采光顶是将两层或多层pvc、ptfe或etfe透明薄膜复合，中间充入空气形成气枕作为建筑屋面，具有透明度高、保温性能好等优点，且随着结构强度和消防安全问题的解决，逐渐成为大型公共建筑屋面的首选。
3.厚大空腔透明膜采光顶虽能有效改善室内的自然采光环境，降低建筑照明能耗，但同时也使得大量太阳辐射进入室内，恶化了室内的热环境。因此，针对上述问题，诸多专利提出了喷淋降温这一节能技术，并研制了对应的降温系统。
4.然而，现有的专利主要专注于降温系统硬件的改进优化，而忽视了其喷淋启停温度的合理确定与运行控制策略的提出，从而限制了厚大空腔透明膜采光顶喷淋降温系统的降温效果与节能潜力，并极大浪费水资源。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种厚大空腔透明膜采光屋面喷淋降温方法。此厚大空腔透明膜采光屋面喷淋降温方法可提高厚大空腔透明膜采光屋面的降温效果与节能潜力，实现了室内人员的热舒适、建筑节能节水等多重目标。
6.本发明的另一目的是提供了一种厚大空腔透明膜采光屋面喷淋降温系统。
7.本发明的目的通过以下的技术方案实现：本厚大空腔透明膜采光屋面喷淋降温方法，包括启停泵温度的确定：
8.s1、根据屋面的尺寸建立几何模型，并为此几何模型赋予材料的属性；
9.s2、基于屋面所处的实际环境设置边界条件，并选择能够精确描述屋面下方室内空间的传热流动过程的湍流模拟方法和湍流模型，并进行网格无关性检验与数值求解；
10.s3、结合s2中的数值求解结果，计算室内空间的apmv，并建立屋面外表面温度与apmv之间的关系曲线；
11.s4、分别根据室内热舒适上限对应的外表面温度及单次喷淋使屋面外表面维持的最低温度，以确定启泵温度和停泵温度。
12.优选的，厚大空腔透明膜采光屋面喷淋降温方法，包括以下步骤：
13.楼宇自动化系统根据计时器确定此时是否处于上班时间；
14.若处于上班时间，通过安装在屋面外表面的温度传感器确定屋面外表面的实时温度，并判断此实时温度是否高于启动泵温度；
15.若实时温度高于启动泵温度，则楼宇自动化系统向喷淋阀和喷淋泵发出控制信号，以对屋面外表面进行喷淋，同时实时根据此温度传感器的反馈信号，以判断在喷淋过程
中屋面外表面温度是否低于停泵温度；
16.若喷淋过程中屋面外表面温度低于停泵温度，则楼宇自动化系统控制关闭喷淋阀和喷淋泵。
17.优选的，在启动喷淋泵前，先确定蓄水箱的水位，若蓄水箱的水位低于20％的位置，则补水机构启动为蓄水箱进行补水。
18.优选的，所述室内热舒适上限对应的apmv限值为1。
19.优选的，所述单次喷淋使屋面外表面维持的最低温度通过当地市政管网的供水温度进行确定。
20.一种厚大空腔透明采光屋面喷淋降温系统，包括温度传感器、喷嘴、喷淋管、蓄水箱和喷淋泵，多个温度传感器和多个喷嘴均安装于屋面的外表面；所述喷嘴通过喷淋管与喷淋泵连接，所述喷淋泵与蓄水箱连接，所述蓄水箱设有补水机构，此补水机构与市政管网连接，所述温度传感器、喷淋泵和补水机构均与楼宇自动化系统连接。
21.优选的，铺设在屋面的喷淋管沿屋面的长度方向以“s”形或梳状布置，多个喷嘴与铺设在屋面的喷淋管连接，且沿喷淋管的管轴均匀分布。
22.优选的，所述补水机构包括液位传感器、补水管、压力表、补水泵和补水阀，所述液位传感器安装于蓄水箱，所述补水管的一端与蓄水箱连接，所述补水管的另一端与市政管网连接，所述压力表、补水泵和补水阀均安装于补水管，且补水阀、补水泵和压力表沿补水管内的水流方向依次分布。
23.优选的，所述温度传感器安装于屋面的中心位置。
24.本发明相对于现有技术具有如下的优点：
25.1、本发明根据几何模型、边界条件、湍流模型及单次喷淋使屋面外表面维持的最低温度等，以确定启泵温度合停泵温度，可在保证室内舒适性的情况下，增大厚大空腔透明膜采光屋面的降温效果与节能潜力，实现室内人员的热舒适、建筑节能节水等多重目标，并可减少蓄水箱、水泵等设备的初投资。
26.2、本发明采用的降温系统可搭建于现有的楼宇自动化系统，结构简单，方便安装维护，在保证热舒适性的情况下，增大了降温效果与节能潜力，起到节能节水的效果，且还可减少初期投资。
附图说明
27.图1是本发明的厚大空腔透明膜采光屋面喷淋降温系统的结构示意图。
28.图2是本发明的厚大空腔透明膜采光屋面喷淋降温方法的中确定启动泵温度及停泵温度的流程框图。
29.图3是本发明的厚大空腔透明膜采光屋面喷淋降温方法的流程框图。
30.图4是本发明的屋面外表面温度与apmv之间的关系曲线图。
31.其中，1为屋面，2为温度传感器，3为喷嘴，4为喷淋管，5为喷淋泵，6为喷淋阀，7为蓄水箱，8为液位传感器，9为补水管，10为压力表，11为补水泵，12为补水阀，13为泄水阀，14为泄水管。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
33.如图2和图3所示，一种厚大空腔透明膜采光屋面喷淋降温方法，包括以下步骤：
34.楼宇自动化系统根据计时器确定此时是否处于上班时间；如设定上班时间为08:00
‑
18:00，若不处于上班时间时，降温系统不进行动作；
35.若处于上班时间，通过安装在屋面外表面的温度传感器确定屋面外表面的实时温度，并判断此实时温度是否高于启泵温度；
36.若实时温度高于启泵温度，在启动喷淋泵前，先确定蓄水箱的水位，若蓄水箱的水位低于20％的位置，则补水机构启动为蓄水箱进行补水；同时楼宇自动化系统向喷淋阀和喷淋泵发出控制信号，以对屋面外表面进行喷淋，同时实时根据此温度传感器的反馈信号，以判断在喷淋过程中屋面外表面温度是否低于停泵温度；若蓄水箱的水位高于20％的位置，则楼宇自动化系统直接向喷淋阀和喷淋泵发出控制信号，以对屋面外表面进行喷淋，同时实时根据此温度传感器的反馈信号，以判断在喷淋过程中屋面外表面温度是否低于停泵温度；
37.若喷淋过程中屋面外表面温度低于停泵温度，则楼宇自动化系统控制关闭喷淋阀和喷淋泵。
38.对于上述启泵温度及停泵温度根据以下步骤确定：
39.s1、根据屋面的尺寸建立几何模型，并为此几何模型赋予材料的属性；具体的，几何模型的建立可在误差允许范围内进行适当简化，以减少网格数量，降低计算成本。若屋面与室内空间在某一维度上的尺寸远大于其余维度上的尺寸，则可以简化为二维模型；若几何模型存在部分曲线或曲面，亦可“以直代曲”，简化为相连的直线或平面。
40.s2、基于屋面所处的实际环境设置边界条件，并选择能够精确描述屋面下方室内空间的传热流动过程的湍流模拟方法和湍流模型，并进行网格无关性检验与数值求解；所述边界条件包括屋面和内外墙的对流换热边界，屋面和外墙外表面接收到的太阳辐射强度，以及地板的绝热边界。所述湍流模拟方法选择雷诺平均方法(rans)，湍流模型选择剪切应力传输(sst)k
‑
ω低雷诺数模型。该模型可以很好地模拟层流与湍流共存，以及过渡区的流动情况，并求解浮升力作用下的近壁面传热问题。所述网格无关性检验至少设置三种网格尺寸进行对比，以保证所选网格尺寸满足计算精度要求；求解过程采用有限元软件comsol multiphysics或fluent实现，降低编程成本并提高收敛性。
41.s3、结合s2中的数值求解，计算室内空间的apmv，并建立屋面外表面温度与apmv之间的关系曲线；所述室内热舒适上限对应的apmv限值为1，apmv≤1代表室内人员仍可接受此时的热环境，从而在满足室内人员热舒适的基础上减少降温系统的启动次数，降低水泵运行能耗；所述单次喷淋使屋面外表面维持的最低温度通过当地市政管网的供水温度进行确定。根据相关研究，当屋面与水膜充分换热后，屋面外表面维持的最低温度近似等于水温。
42.s4、分别根据室内热舒适上限对应的外表面温度及单次喷淋使屋面外表面维持的最低温度，以确定启泵温度和停泵温度。
43.以广州无限极广场为例，采用本发明提出的降温系统中启泵温度及停泵温度的确定如下：
44.如图2所示，首先根据所述透明膜屋面的实际尺寸建立几何模型，并准确赋予材料的属性，其目的是为了准确复现屋面实际的传热流动情况；其次基于屋面所处的实际环境设置边界条件，选择能够精确描述屋面下方室内空间的传热流动过程的湍流模型，并进行网格无关性检验与数值求解，求解工具采用有限元软件comsol multiphysics或fluent实现，以降低编程成本并提高收敛性；然后结合求解结果计算室内空间的apmv，并建立屋面外表面温度与apmv之间的关系曲线；最后分别根据室内热舒适上限对应的外表面温度与单次喷淋使屋面外表面维持的最低温度确定启泵温度与停泵温度。
45.以广州某大型公共建筑etfe气枕屋面为例，采用本发明提出的降温系统启停温度的确定方法：其屋面外表面温度与室内apmv之间的关系曲线图如图4所示，可以看出，当apmv＝1时，对应的屋面外表面温度为33.7℃。而当外表面温度继续升高约0.3℃后，apmv则发生突变，迅速升高至1.05。因此，为了使室内人员仍可接受所处的热环境，应保持屋面的外表面温度不高于33.7℃，并将该温度值作为降温系统的启泵温度。同时，根据前期调研测试，当地市政管网的供水温度约为22.6℃，因此可以推断单次喷淋使屋面外表面维持的最低温度约为22.6℃，并将该温度值作为降温系统的停泵温度。根据实测统计，全天降温系统至多启动11次即可满足降温、热舒适与节能节水的需求，并且蓄水箱容积可减小至初始容积的1/2，喷淋泵与补水泵的流量亦可减小。
46.降温系统启停温度确定方法不仅可满足室内人员热舒适、建筑节能节水等多重需求，并可减少蓄水箱、水泵等设备的初投资。
47.为实现上述的降温方法，如图1所示，一种厚大空腔透明采光屋面喷淋降温系统，包括温度传感器、喷嘴、喷淋管、蓄水箱和喷淋泵，多个温度传感器和多个喷嘴均安装于屋面的外表面；所述喷嘴通过喷淋管与喷淋泵连接，所述喷淋泵与蓄水箱连接，所述蓄水箱设有补水机构，此补水机构与市政管网连接，所述温度传感器、喷淋泵和补水机构均与楼宇自动化系统连接。具体的，采用现有的市政管网与本发明的补水机构连接，为蓄水箱及时补上，以保证降温系统有效工作。同时温度传感器、喷淋泵和补水机构均搭接于建筑中本身的楼宇自动化系统，以减少设计成本。本发明利用温度传感器实时检测屋面外表面的实时温度，以方便确定启泵温度及停泵温度，同时综合考虑当地气候、屋面类型及室内人员热舒适要求，从而可实现屋面降温、室内人员热舒适以及建筑节能与节水的多重目标，并可减少蓄水箱和水泵等设备的初期投资。在蓄水箱的底部连接有泄水管，此泄水管设有泄水阀，以方便蓄水箱的清洗维护。为保证温度检测的精确性，所述温度传感器安装于屋面的中心位置，同时，温度传感器的数量为多个，以避免单个温度传感器损坏或有测量误差。
48.铺设在屋面的喷淋管沿屋面的长度方向以“s”形或梳状布置，多个喷嘴与铺设在屋面的喷淋管连接，且沿喷淋管的管轴均匀分布。此结构简单，同时“s”形或梳状布置喷淋管，使喷嘴在屋面上均匀分布，则喷淋时可让屋面均匀、快速降温，进一步减少耗水量。
49.所述补水机构包括液位传感器、补水管、压力表、补水泵和补水阀，所述液位传感器安装于蓄水箱，所述补水管的一端与蓄水箱连接，所述补水管的另一端与市政管网连接，所述压力表、补水泵和补水阀均安装于补水管，且补水阀、补水泵和压力表沿补水管内的水流方向依次分布。此补水机构的结构简单，安装方便，且可靠。
50.上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护
范围之内。