大空间喷口送风分层空调对流热转移负荷计算方法与流程

本发明涉及一种空调负荷计算技术，特别涉及一种大空间喷口送风分层空调对流热转移负荷计算方法。

背景技术：

大空间建筑分层空调下的热环境，室内空气垂直温度分层、梯度明显和上下温差大以及屋顶壁面温度分布的特点导致大空间分层空调负荷与普通房间计算方法不同。即大空间室内复杂的气流组织、室外环境变化、室内热源分布等的影响，都会导致室内热环境状态参数的变化和对流热转移量的变化，因此对流热转移负荷计算一直是设计人员的难题。

目前大空间建筑分层空调负荷计算方法采用由陆耀庆教授主编的《实用供热空调设计手册》中提及的方法，该方法指出分层空调负荷包括常规空调区负荷(如围护结构传热负荷、室内热源负荷、新风或渗透风负荷等)以及非空调区向空调区转移的辐射转移热和对流转移热形成的负荷，并通过模型实验和现场实测对照，得出影响热转移负荷的因素以及计算方法。具体计算方法为：(1)常规空调区负荷则采用传统全室空调负荷计算方法计算；(2)辐射转移热负荷采用冷负荷系数法：首先通过计算非空调区向空调区地板辐射转移热，再乘以得热系数c1(一般取1.3)，得到非空调区向空调区的辐射转移热。继而非空调区向空调区的辐射转移热乘以冷负荷系数c2(取值范围为0.45～0.72，一般取0.5)，得到辐射转移负荷；(3)对流热转移负荷计算是通过对某厂房多次试验与现场实测，将结果回归拟合成计算曲线并推广应用至大空间建筑中，将形成对流热转移负荷的关键因素——由喷口送风、内热源、排风三者作用推动的空调区与非空调区间的气流运动及其携带的能量转移简化为空调区热强度、非空调区热强度与排热量三者之间的对比关系，通过查图可以得到对流热转移负荷。

从上述可以看出对流热转移负荷作为分层空调冷负荷的重要组成部分，由于上述对流热转移负荷的计算方法研究程度受限于当时大空间建筑热环境，其中采用了许多经验取值与汽轮机高大厂房实测数据，且实验和实测条件单一。基于目前大空间建筑室内热环境研究程度，当时的计算方法存在一定的缺陷与不足。

技术实现要素：

本发明是针对目前大空间建筑分层空调负荷计算方法受限当时的数据的问题，提出了一种大空间喷口送风分层空调对流热转移负荷计算方法，在实验的基础上，提出并建立block-gebhart模型，求出稳定传热下的对流热转移负荷理论计算模型。发明中利用缩尺模型实验的结果验证理论模型的正确性与可靠性，进而利用数学模型分析影响对流热转移负荷的主要因素。得到计算对流热转移负荷的线算图并进行实验验证并辅以现场实测，后期再结合辐射转移负荷理论计算模型研究喷口送风下的分层空调辐射转移负荷，探究出系统初步适用于喷口侧送风的分层空调计算方法。

本发明的技术方案为：一种大空间喷口送风分层空调对流热转移负荷计算方法，具体包括如下步骤：

1)分析对流热转移负荷，建立block-gebhart模型：大空间室内喷口送风系统下，喷口安装高度为分层高度，该高度为非空调区与空调区的分界面，上为非空调区，下为空调区，对流热转移负荷包括非空调区向空调区流动带来的热量以及分界面上的温差换热，block模型将室内环境在竖直方向上划分为若干个控制区，预测计算大空间建筑室内垂直温度分布，采用gebhart吸收系数方法，综合考虑室外环境传热、室内内表面辐射换热及室内热源辐射三者共同影响的导热、对流以及辐射耦合换热，求解室内壁面温度分布，并以此作为block模型计算的边界条件，使用block-gebhart模型同步求解对流热转移负荷；

2)block-gebhart模型求解对流热转移负荷实验验证：在气态缩尺模型实验台喷口送风系统下，进行大空间室内温度场与对流转移热负荷的实验，对模型进行验证，分析影响对流热转移负荷的关键性因素，利用非空调区与空调区热强度比、排热比、无因次对流热转移负荷三者的关系制出线算图，简化计算对流热转移负荷，为实际所用。

所述步骤1)中block模型采用基于多区热质平衡block模型，用于预测大空间建筑室内垂直温度分布；

假设除空调射流影响区域外，室内环境在水平方向上是均匀分布的，利用集总参数法的概念，针对每个控制主流区域分析质量流动和能量传递情况，分别建立质量和能量平衡方程，然后初设各控制区的主流区域空气温度及其壁面温度，经过一系列迭代运算，最后计算出允许误差内各控制区的温度，从而得到室内垂直温度分布(t1，t2，t3···tn)，n为竖直方向上划分的控制区域总个数；取喷口安装高度为分层高度，该高度为非空调区与空调区的分界面，即1-f层为空调区，f层以上为非空调区，对流热转移负荷计算公式如下：

qd＝cpmcf(tf+1-tf)+cbfabf(tf+1-tf)

式中：qd为非空调区对空调区的对流热转移负荷，单位w；cp为空气定压比热，单位kj/(kg·℃)，对于空气可取值1.01；mcf为非空调区对空调区的空气质量净流量，单位kg/s；tf+1,tf分别为非空调区最低层和空调区域最高层空气温度，单位℃；cbf为非空调区对空调区温差换热系数，单位w/(m²·℃)；abf为非空调区与空调区的分层界面面积，单位m²。

所述步骤1)使用block-gebhart模型同步求解对流热转移负荷具体包括步骤如下：

a:优化喷口多股射流计算模型，建立壁面流动模型和多区域间热质交换模型；

b:利用block边界条件-壁面温度求解对流辐射耦合换热：根据建筑的几何条件，划分为壁面，并求解壁面之间的角系数和gebhart吸收系数，通过假设壁面的初始温度分布，根据室内空气温度分布、室外环境参数、围护结构热工参数以及室内热源为边界条件，计算出导热量、辐射量，最后根据耦合热平衡方程，联立求解可得壁面温度的分布；

c:根据block-gebhart模型建立风量与能量平衡方程；完成各个区域子模型的计算后，建立每个block区域的质量平衡和能量平衡方程，然后联立方程组迭代计算并求解出室内空气垂直温度分布、壁面温度分布以及对流热转移负荷，对于任意一块block主流区域，建立方程；

d:block-gebhart模型同步求解：

(1)假设初始温度,假设初始空气垂直温度分布和壁面温度分布，初始壁面温度分布输入gebhart模型壁面导热、对流、辐射耦合换热方程中，以block模型计算的空气垂直温度结果作为边界条件，初始空气垂直温度分布输入block热质平衡方程中，该模型以gebhart模型计算的壁面温度结果为计算的边界条件，两个模型参数相互输入；

(2)迭代计算:将第二步得到的室内空气温度、壁面温度分布与第一步的初设值比较，当两者误差不满足<10^-6时，将其赋值于初设值，返回第一步开始重复计算；

(3)如此循环迭代求解壁面温度分布和室内垂直温度分布，当前后两次两者计算结果的相对误差同时<10^-6时，即认为最后两次的室内空气温度分布及壁面温度分布计算结果为问题的解，并取此时平衡方程组计算得到的分层界面上的净流量来计算非空调区对空调区的对流热转移负荷；根据得到的内壁面温度、室内垂直温度以及非空调区与空调区分层界面上的空气净流量,再根据对流热转移负荷计算公式从而得到分层空调的对流热转移负荷。

本发明的有益效果在于：本发明大空间喷口送风分层空调对流热转移负荷计算方法，可对射流模型进行优化，所得到优化的block-gebhart扩展模型可以深入分析大空间分层空调室内热环境变化情况，在此基础上可以进行大空间垂直空气温度和壁面温度的耦合计算，探究得到初步适用于喷口侧送风的分层空调对流热转移负荷的计算方法。

附图说明

图1为本发明大空间喷口送风分层空调对流热转移负荷计算方法技术路线图；

图2为本发明壁面流模型图；

图3为本发明室内block模型示意图；

图4为本发明非空调区与空调区热强度比与对流热转移负荷之间关系图；

图5为本发明缩尺模型线算图验证图。

具体实施方式

如图1所示大空间喷口送风分层空调对流热转移负荷计算方法技术路线图，方法具体包括以下步骤：

步骤1：分析对流热转移负荷的形成原因；

大空间室内喷口送风系统下，喷口安装高度为分层高度，该高度为非空调区与空调区的分界面，上为非空调区，在喷口送风射流的卷吸作用下，使得非空调区域部分热量转移到空调区域，立即全部成为空调区域的冷负荷。对流热转移发生的根本原因主要归结为非空调区与空调区的以下两点：一是两区域的温差，二是两区域的气流流动，两者缺一不可。根据上述分析，对流热转移负荷包括非空调区向空调区流动带来的热量以及分界面上的温差换热。因此，室内气流的流动和温差决定了对流热转移的发生以及对流热转移热量的大小，而通常影响气流流动和温差的因素主要有如下几点：空调区域送风、回风量，空调区域送风温度，非空调区的排风量，非空调区域与空调区域的得热比。另外有些建筑形式，设有非空调区进风口、以及其他区域设有排风口也均会影响室内气流流动，本发明只针对上述罗列的4个主要因素进行分析。

步骤2：采用基于多区热质平衡block模型，用于预测大空间建筑室内垂直温度分布；

使用block模型确定室内空气温度分布时，壁面温度分布会影响空气温度分布，故壁面温度的确定方法是非常重要的。本文采用综合考虑室外环境传热、室内内表面辐射换热及室内热源辐射三者共同影响的导热、对流以及辐射耦合换热方法，即gebhart吸收系数方法，求解室内壁面温度分布，并以此作为block模型计算的边界条件，使用block-gebhart模型同步求解方法来研究大空间建筑室内热环境。由于内表面温度和室内空气温度是相互影响的耦合关系，需分别迭代计算，同步求解计算出以下参数，以此来计算对流热转移负荷：

(1)室内各区域内壁面温度；

(2)室内各区域空气温度分布；

(3)各区域之间的质量流量。

block-gebhart模型分析大空间喷口送风下的室内热环境时，假设除空调射流影响区域外，室内环境在水平方向上是均匀分布的，利用集总参数法的概念，针对每个控制主流区域分析质量流动和能量传递情况，分别建立质量和能量平衡方程。然后初设各控制区的主流区域空气温度及其壁面温度，经过一系列迭代运算，最后计算出允许误差内各控制区的温度，从而得到室内垂直温度分布(t1，t2，t3···tn)。

根据上述分析，对流热转移负荷包括非空调区向空调区流动带来的热量以及分界面上的温差换热，如图2所示，取喷口安装高度为分层高度，该高度为非空调区与空调区的分界面，即1-4层为空调区，5层及以上为非空调区。因此对流热转移负荷计算公式如下：

qd＝cpmc5-4(t5-t4)+cb5-4ab5-4(t5-t4)(1)

式中：qd——非空调区对空调区的对流热转移负荷，单位w；

cp——空气定压比热，单位kj/(kg·℃)，对于空气可取值1.01；

mc5-4——非空调区对空调区的空气质量净流量，单位kg/s；

t5,t4——非空调区最低层和空调区域最高层空气温度，单位℃；

cb5-4——非空调区对空调区温差换热系数，单位w/(m²·℃)；

ab5-4——非空调区与空调区的分层界面面积，单位m²。

为计算大空间建筑室内垂直温度分布，block模型将室内环境在竖直方向上划分为若干个控制区。若不考虑自然通风、室内热源的影响，室内气流组织可归纳为3股气流：壁面流、空调射流以及因垂直方向上的温差形成的室内主体气流，假设室内热环境是由此3股射流之间进行热质交换，共同作用的结果。对应这3股气流，在block模型中纳入3个子模型分别进行热质运动描述：壁面流模型、空调射流模型、区域间热质交换模型。根据区域热质平衡分析方法，block模型将室内垂直方向上划分为若干区域，如图2所示。通过描述各block区域之间空气热质传递过程，建立质量平衡和能量平衡方程，求解各block区域温度，以此得到室内垂直温度分布。

步骤3：优化喷口多股射流计算模型；包括单股射流运动轨迹，非等温射流轴心速度、温度衰减公式，多股射流的叠加，卷吸特性等。

步骤4：建立壁面流动模型和多区域间热质交换模型；围护结构内壁面受室外环境温度、室内环境综合影响，在内表面附近区域会产生沿壁面向上或向下的气流流动。当壁面相对于室内空气温度是热壁面，则该气流流动方向为向上，计算壁面空气流动时须以室内最底层的block为起点开始计算；当壁面相对于室内空气温度是冷壁面，则该气流流动方向为向下，计算时须从最高层的block开始逐层向下计算。围护结构根据自身四周的壁面的朝向、材质等热工参数的不同，会造成内壁面温度不同，因此将壁面按对应的block从最底层到最高层分成k个不同的壁面进行处理。如图3所示壁面流模型图，以夏季为例。壁面为热壁面，壁面温度高于附近空气温度，壁面与室内空气的对流换热引起每层(blocki)空气的出流量mout(i,k)汇合成沿壁面的气流，空气沿壁面流动方向向上，壁面流流动以最低block1为起点，开始逐层向上计算。中间任意一层blocki产生的质量出流空气(流量mout(i,k)，温度为t(i))与从下层block(i-1)流来的混合气流的空气(流量为mmd(i-1,k)，温度为tm(i-1,k-1))相遇合成后，形成质量流量为mm(i,k)，温度为tm(i,k)。该上升合成流继续沿热壁面向上流动再根据合成流温度tm(i,k)与blocki及block(i+1)的空气温度三者的大小关系，判断部分或全部流回blocki，其余流量则流入上层block(i+1)，直到全部流入最顶层blockn。

壁面附近空气温度可以根据边界层理论分析，blocki沿k壁面处边界层的空气温度按下式计算。

td(i,k)＝0.75t(i)+0.25tw(i,k)(2)

式中，k为壁面序号，td(i,k)为blocki沿k壁面处边界层内平均空气温度，t(i)为blocki的空气温度℃，tw(i,k)为壁面k的温度℃。

建立壁面附近质量流动换热与自然对流换热的平衡式如下式：

cpmout(i,k)[td(i,k)-t(i)]＝αc(i,k)aw(i,k)[tw(i,k)-t(i)](3)

式中，mout(i,k)为blocki沿k壁面的质量出流量，kg/s，αc(i,k)为壁面k的对流放热系数，w/(m²·℃)，aw(i,k)为blocki的壁面k的面积，m²，cp为空气定压比热，w/(m²·℃)。

壁面与空气间的自然对流换热量等于边界层处理流量携带的能量。

气流合成时，壁面与空气间合成上升流的风量、热量平衡方程如下：

mout(i,k)t(i)+mmd(i-1,k-1)tm(i-1,k-1)＝mm(i,k)tm(i,k)(5)

mm(i,k)＝mout(i,k)+mmd(i-1,k-1)(6)

混合气流的温度tm(i,k)：

且热壁面上升流中从最上层block(n)流来的混合气流的空气流量mmd(n,k)＝0,从底层block(0)流来的混合气流的空气流量mmd(0,k)＝0。(当i＝1时，没有前一层i-1向i层的流动量，因此mmd(0,k)＝0；当i＝n时，没有i层向后一层i+1的流动量，因此mmd(n,k)＝0)

每层合成上升流流向下一层具体分配时，混合气流分配过程：

mm(i,k)＝min(i,k)+mmd(i,k)(8)

混合气流分配时，具体流动方向和流动量由混合气流平均温度tm(i,k)、本层blocki空气层的温度t(i)及下层block(i-1)空气层的温度t(i+1)三者比较来判断，按比例全部或部分的流入blocki与block(i+1)，即流向本层的流动量min(i,k)和流向下一层的流动量mmd(i,k)其比例及判据如所表3示。

表3

大空间垂直方向上分成若干区域，假设每个block的主流区域内温度分布是均匀的，由于相邻主流区域的温度存在差异性，会导致区域间的空气流动，同时在相邻block区域的分界面上也产生热量交换。当上部区域比下部区域温度高时，此时空气温度分布呈稳态，热量会由上部区域传至下部区域；当上部区域比下部区域温度低时，此时空气温度分布不稳定，空气在浮升力作用下流动，直至上下空气温度均匀，此时，上下温差换热可以不予考虑。

当block(i+1)比blocki主流区域空气温度高时，两者换热量如下式(9)所示。

qb(i+1,i)＝cpmc(i+1,i)[t(i+1)-t(i)]+cb(i)ab(i)[t(i+1)-t(i)](9)

式中，ab(i)为blocki与block(i+1)相邻分界面面积m²，cb为温差换热系数w/(m²·℃)，t(i)为blocki的空气温度℃，mc(i+1,i)为blocki与block(i+1)区域间的空气流动kg/s，温差换热系数cb值大小表示block(i+1)向blocki传递热量的大小程度，随空间分层数量等因素变化。由实验测得，当t(i+1)>t(i)时，cb＝2.3w/(m²·℃)；当t(i+1)<t(i)时，由密度差引起的热传递流强度增大，cb＝116w/(m²·℃)。

步骤5：利用block边界条件-壁面温度求解对流辐射耦合换热；根据建筑的几何条件，划分为壁面，并求解壁面之间的角系数和gebhart吸收系数。通过假设壁面的初始温度分布，根据室内空气温度分布、室外环境参数、围护结构热工参数以及室内热源等为边界条件，计算出导热量、辐射量等。最后根据耦合热平衡方程，联立求解可得壁面温度的分布。

步骤6：根据block-gebhart模型建立风量与能量平衡方程；完成上述各个子模型的计算后，可以建立每个block区域的质量平衡和能量平衡方程，然后联立方程组迭代计算并求解出室内空气垂直温度分布、壁面温度分布以及对流热转移负荷。对于任意一块block主流区域，建立方程。

步骤7：block-gebhart模型同步求解；此模型同步求解的计算步骤如下：

其计算步骤包括：(1)假设初始温度。假设初始空气垂直温度分布和壁面温度分布，初始壁面温度分布输入gebhart模型壁面导热、对流、辐射耦合换热方程中，以block模型计算的空气垂直温度结果作为边界条件，初始空气垂直温度分布输入block热质平衡方程中，该模型以gebhart模型计算的壁面温度结果为计算的边界条件，两个模型参数相互输入；(2)迭代计算。将第二步得到的室内空气温度、壁面温度分布与第一步的初设值比较，当两者误差不满足<10^-6时，将其赋值于初设值，返回第一步开始重复计算。(3)如此循环迭代求解壁面温度分布和室内垂直温度分布，当前后两次两者计算结果的相对误差同时<10^-6时，即认为最后两次的室内空气温度分布及壁面温度分布计算结果为问题的解，并取此时平衡方程组计算得到的分层界面上的净流量来计算非空调区对空调区的对流热转移负荷。根据得到的内壁面温度、室内垂直温度以及非空调区与空调区分层界面上的空气净流量,再根据qd＝cpmc5-4(t5-t4)+cb5-4ab5-4(t5-t4)计算方法从而得到分层空调的对流热转移负荷，其中qd非空调区对空调区的对流热转移负荷，cp空气定压比热，mc5-4非空调区对空调区的空气质量净流量，t5,t4非空调区和空调区域空气温度，cb5-4温差换热系数，ab5-4非空调区与空调区的分层界面面积。

步骤8：block-gebhart模型求解对流热转移负荷实验验证；在气态缩尺模型实验台喷口送风系统下，进行大空间室内温度场与对流转移热负荷的实验研究，根据实验室的高度和喷口所在位置，在垂直方向上将缩尺模型分为4个区域，对这4个block区域建立质量与能量平衡方程。将block-gebhart模型计算结果与实验数据结果进行对比，可以发现对流热转移负荷的实验值与理论值之间的最大误差为11.50％，六个工况的平均误差为6.60％，由此可以说明利用block-gebhart模型计算对流热转移负荷的可行性。

步骤9：将对流热转移负荷与其关键性的影响因素之间的相互关系转化为无因次对流热转移负荷(相对非空调区得热量下的对流热转移负荷)、非空调区与空调区热强度比、排热比(相对非空调区得热量下的排热量)三者之间的关系并制成线算图以便于实际应用。

构建先算图的具体思路为：(1)确定研究的热强度比分别是0.32，0.4，0.45，0.52，0.58；(2)分别计算出非空调区域和空调区各个外围护结构占总得热量的比例，将非空调区域热强度按照这个比例再分配到非空调区域的内热源上分别为：0，100w，200w，300w，400w；(3)按照不同热强度比下模型计算的对流转移热负荷，分别计算无因次对流热转移负荷；(4)改变排热比，分别为0％，10％，20％，按照上述方式计算，得到最终的线算图曲线，如图4所示。由图可知，在同一的排热比下，随着热强度比的增大，从非空调区域流向空调区域的对流热转移量也逐渐增大。这是由于得热量直接作用于非空调区域，使得非空调区域的温度上升，就会产生非空调区域向空调区域的热扩散。这样，就加大了非空调区域向空调区域的热转移量。随着排热比增大，非空调区热量被渐渐排除，减小了非空调区与空调区的温差，减弱了非空调区域向空调区域的热扩散，从而减小了非空调区域向空调区域的热转移量。

步骤10：对线算图的缩尺模型验证，根据图5可以看出，0％排热比和10％排热比的实验数据与原手册计算曲线值差异较大，与本次研究的对流热转移负荷线算图基本吻合，可以基本说明线算图应用的准确性以及适用性。

最后，本发明所制线算图从气流流动入手，使用理论和实验相结合并辅以现场实测的方式得到简易的计算对流热转移负荷的方法。本发明基于block-gebhart理论模型来分析大空间建筑的温度分布、气流流动等室内热环境，根据非空调区与空调区分界面区域间的温差和流动量来计算对流热转移负荷，继而分析出影响对流热转移负荷的关键因素喷口送风参数、室外传到室内的热量分布、排热等，利用非空调区与空调区热强度比、排热比、无因次对流热转移负荷三者的关系制出线算图，以便于简便计算对流热转移负荷。