一种解耦建筑室内温度场的方法与流程

本发明涉及建筑室内温度分布模拟计算技术领域，特别涉及一种解耦建筑室内温度场的方法。

背景技术：

随着社会经济的不断发展，越来越多样化的室内建筑逐渐增多。而随着生活水平的不断提高，人们对居住环境或工作环境的舒适度要求也越来越高，随之而来的是对室内建筑的热设计的要求也越来越高。

目前在对室内建筑做热设计时，是将计算流体力学(computationalfluiddynamics，简称：cfd)作为数值解析工具，边界条件和初始条件是根据负荷和设计标准得到的。在做建筑能耗模拟时，一般均假定室内空气混合均匀、室内任意点温度相等。然而，室内空气的温度和速度是三维存在的，尤其是近年来工作环境空调系统、个人空调系统、置换通风以及地板加热系统的大量应用，更是积极有效地利用气流分布和温度分布来控制室内必要空间的温度，而不是假定整个空间温度均匀且相等。不均匀室内环境的有效利用，在满足热舒适的同时，提高了能源效率。

计算流体力学(cfd)可以详细计算空气流和温度的分布，从而用作预测室内热舒适和评价室内空气质量的工具。但由于室内温度场受到很多热因子影响，当任一热因子发生变化，则需要重新模拟和计算，因此cfd计算负荷是很大的。

技术实现要素：

有鉴于此，为了更有效、更快速地预测室内温度分布，独立分析不同热因子对空间温度场的影响，定量评价各个热因子在空间内的势力范围是十分必要的。本发明提供一种解耦建筑室内温度场的方法，基于cfd数据结果得出能代表cfd模拟结果的新参数，简称cri(contributionratioofindoorclimate)。cri定义为任一热源对某点造成的温升与同热源产热在完全均匀混合条件下该点温升绝对值的比值，或者任一热汇对某点造成的温降与同热汇在完全均匀混合条件下该点温降绝对值的比值。cri可以单独评价室内任意温度场的影响因素(以下简称热因子)对室内任一点温度的影响，反映了室内温度场的结构，并可使cfd结果更有效地应用于分析和设计。

本发明的技术方案如下：

一种解耦建筑室内温度场的方法，包括以下步骤：

步骤s1、确定建筑室内所有的热因子；

步骤s2、确定室内流场类型，若为强制对流主导流场，则进入步骤s3；若为自然对流主导流场，则进入步骤s4；

步骤s3、室内流场为强制对流主导流场，根据建筑室内不同风速或风量要求，按照送风风量或风速大小及方向设置至少一个代表性强制对流场；

步骤s4、室内流场为自然对流主导流场，若室内热源发热量的变化导致室内流场发生改变，则设置多个代表性自然对流场；

步骤s5、应用对流-辐射耦合模拟计算代表性流场；

步骤s6、固定代表性流场，设置单一热因子，应用cfd计算每个热因子的温度分布；

步骤s7、计算单一热因子的cri值；

步骤s8，是否所有热因子的cri值均计算完成，如果否，则返回步骤s6，如果是则到步骤s9；

步骤s9，根据cri定义式，利用热因子的发热量或吸热量计算得到各子温度场；

步骤s10、是否所有的代表性流场下的温度场均解耦完成，如果是则到步骤s11，如果否，则返回步骤s6；

步骤s11、温度场解耦完成，总温度场为所有子温度场的线性合成。

进一步的，所述热因子包括热源项和热汇项。

进一步的，所述热源项向建筑室内的空气传热，所述热汇项从建筑室内的空气中吸热。

进一步的，所述的代表性流场定义为：包括了所有热因子的影响，并且温度保持在中性温度的流场。

进一步的，所述的中性温度即为建筑室内的设计温度。

进一步的，代表性流场的计算方式为：将建筑室内的边界条件和建筑室内所有热因子的影响输入计算流体力学解析工具cfd中，利用计算流体力学解析工具cfd计算。

进一步的，围护结构设为绝热且其最近表面层中设置相同发热量的热源向空气传热；送风项处理为中性温度空气在送风口处被相应热源或热汇加热或冷却后送入室内；排风项温度高于中性温度设为热汇，低于中性温度设为热源；所述围护结构、送风项、排风项对应的边界条件处理为绝热或发热温度为中性温度。

进一步的，计算单个热因子的温度分布的方式为：将所述单个热因子的影响输入计算流体力学解析工具cfd中，其余热因子设为绝热或发热温度为中性温度。

进一步的，在强制对流场中，热因子m在xi点的cri值的计算公式为：

其中：

xi:空间坐标；

θn：室内中性温度；

θm,o：热因子m散热qm均匀扩散时室内温度；

δθm,o＝θm,o-θn：均匀扩散温度与中性温度温差；

θm(xi)：热因子m在xi点造成的温升；

δθm(xi)＝θm(xi)-θn：热因子m散热温升与中性温度温差；

热因子m的对流传热量；

cp：室内空气比热容；

ρ：空气密度；

f：送风量。

进一步的，在自然对流场中，热因子m在xi点的cri值的计算公式为：

其中：

^uθm(xi)：热源和热汇同时设置时cfd计算得xi点温度；

u：热汇均匀设置；

θn：室内中性温度；

热因子m的对流传热量。

本发明的有益效果在于：

cri可以评价室内任意热因子对任意点温度的独立影响，有效分析任意点的温度构成，因此可以根据需要，单独调节、控制室内热源或热汇的强度，来高效、精确地调控室内局部温度环境。

cri是基于cfd计算结果得出并能代表其模拟结果的参数，由于在cfd计算中，任一热影响因素条件改变，都要重新进行cfd模拟计算，计算负荷大、计算时间长。因此，在误差可接受的范围内，cri模型可以代替cfd模拟，使计算速度大大提高。

在考虑温度分布的能耗模拟中，利用cri可以快速根据热影响因素的变化得到室内温度分布，为能耗模拟提供温度条件，实现动态模拟，大大提高模拟结果精确度。同时，cri在建筑设计初期可以得到很好的应用。设计者可以根据室内热环境的需要，在不改变其他条件的情况下，单独调节风口位置、送风风量、送风温度等，直到室内热环境达到期望效果。在复合式、分布式末端系统中，可以根据各末端系统的cri值，分别对各个末端系统进行调控，从而控制室内热环境，使复合式、分布式末端系统设计得到优化。

附图说明

图1为本发明的对建筑室内温度分布的分析方法的流程图；

图2为本发明实施例一的建筑模型图；

图3为本发明实施例一模拟流场和温度场的建筑模型结构图；

图3(a)为本发明实施例一模拟流场和温度场的速度分布图；

图3(b)为本发明实施例一模拟流场和温度场的温度分布图；

图3(c)为本发明实施例一模拟流场和温度场的外墙及外窗的表面温度分布图；

图3(d)为本发明实施例一模拟流场和温度场的隔离墙表面温度分布图；

图3(e)为本发明实施例一模拟流场和温度场的天花板表面温度分布图；

图3(f)为本发明实施例一模拟流场和温度场的地板表面温度分布图；

图4为本发明实施例一的模拟cri的分布的室内建筑的所有热因子组成示意图；

图4(a)为本发明实施例一的外窗的cri的分布情况示意图；

图4(b)为本发明实施例一的外墙的cri的分布情况示意图；

图4(c)为本发明实施例一的内部热负荷的cri的分布情况示意图；

图4(d)为本发明实施例一的隔离墙和地板的cri的分布情况示意图；

图4(e)为本发明实施例一的冷却天花板的cri的分布情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例一

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明的一种解耦建筑室内温度场的方法，具体步骤如下：

步骤s1，首先要确定建筑室内所有的热因子。

热因子包括热源项和热汇项。cri是研究温度场内独立热因子对温度场的影响，首先要确定温度场内具体的热源或热汇的热因子。室内热环境会受到来自室内和室外很多热因子的影响，主要包括建筑围护结构传热、空调系统供应冷热空气、辐射供冷或供热、通风、渗透以及灯光、设备、人体的产热，这些热因子本身都具有各自的传热特性，并均通过对流来使室内温度上升或者下降，即均表现为向室内空气传热或从空气中吸热，因此无论这些热因子是否可控，本发明将这些热因子均设置为热源项或者热汇项，热源项表现为向空气产热，热汇项表现为从空气中吸热。

步骤s2、确定室内流场类型，若为强制对流主导流场，则进入步骤s3；若为自然对流主导流场，则进入步骤s4

室内流场主要分为强制对流主导流场和自然对流主导流场，当室内设置了机械通风系统，且具有相对较大的送风量，此时机械通风系统对室内流场的形成起主导作用，即为强制对流主导流场；当室内没有设置机械通风系统，室内存在热源且形成温差，此时室内流场的形成主要是由于空气的浮力作用，即为自然对流主导流场。

步骤s3、室内流场为强制对流主导流场，根据建筑室内不同风速或风量要求，可按照送风风量或风速大小及方向等设置多个代表性强制对流场

建筑室内不同时刻需要的风速或风量不是恒定不变的，当调节风速或风量后，室内流场必定会发生变化，即用于计算cri的代表性流场发生变化，此时cri也会发生改变。因此可以根据调节风量或风速的需要，设置多个代表性流场，任一代表性流场都有其相应的cri分布。

步骤s4、4.室内流场为自然对流主导流场，若室内热源发热量变化较大，可设置多个代表性自然对流场

自然对流主导流场中，cri的计算是室内任一热源(或热汇)对某点造成的温升(或温降)与该热源发热量的比值。当室内热源发热量发生大幅度改变，所谓的大幅度改变的程度为：设计者等相关人员认为该大幅变化会使室内流场会发生改变，即用于计算cri的代表性流场发生变化，此时cri也会发生改变。因此可以根据室内热源发热量的大幅变化，设置多个代表性流场，任一代表性流场都有其对应的cri分布。

步骤s3和步骤s4中设置多个代表性流场的有益效果为：

在实际情况中，室内流场主要分为两种情况：强制对流主导流场和自然对流主导流场。但是，这两种流场也不是时刻保持恒定不变，都有其各自的影响因素，如强制对流主导流场中风量或风速的大小及方向可以根据需要进行相应调节，自然对流场主导流场中热源发热量发生大幅变化后，受浮力作用影响的流场也会发生改变。基于这种情况，本发明提出根据室内不同条件设置多个代表性流场，从而计算得到多组cri分布，相比于将室内流场视为恒定不变，本发明更加全面准确地、接近真实地体现了室内温度场的结构。同时，多组cri分布也为设计者设计阶段提供了很好的判断依据。

步骤s5，应用对流-辐射耦合模拟计算代表性流场。

为了能更好的解释本发明，要先介绍标准条件流场的概念。空调系统的目的是将室内温度维持在一定范围。当室内温度处于令人较满意的状态(即建筑室内设计温度)，没有负荷，不需要送入冷热风时，室内流场完全等温，这种情况定义为第一标准条件，此时温度称作中性温度，中性温度即为建筑室内的设计温度。当室内存在热(冷)负荷，空调系统作为相应热汇(热源)时，由于空间温度分布产生的浮力以及空调送风影响流场，此时流场不同于第一标准条件。这时用于估量温度场的速度场不是第一标准条件下的流场，而是包括了热源或热汇对流场的影响，此时的流场定义为第二标准流场，也就是代表性流场，第二标准流场的温度保持在中性温度。

计算代表性流场也就是第二标准流场的方法是：将边界条件和室内所有热因子的影响都输入计算流体力学解析工具cfd中，利用计算流体力学解析工具cfd计算代表性流场。

一般情况下，在能量控制方程中，围护结构传热项和送风项均设置为边界条件，即对流传热速率和边界处温度值作为已知边界条件。而在本发明中，围护结构传热项处理为围护结构设为绝热且其最近表面层中设置相同发热量的热源向空气传热；送风项处理为中性温度空气在送风口处被相应热源或热汇加热或冷却后送入室内；同时，排风项温度高于中性温度设为热汇，低于中性温度设为热源。所述围护结构、送风项、排风项对应的边界条件处理为绝热或发热温度为中性温度。需要注意的是，室内热源项或热汇项可能多于一个且二者数量未必相等，但在一定条件下，其得热与失热绝对值一定相等，即达到热平衡。

步骤s6，固定流场，设置单一热源或热汇，应用cfd计算其温度分布。

在cfd模拟中，速度场和温度场是耦合计算的，但在本发明中，热源改变对流场的影响是忽略的，即认为温度变化导致的密度变化所产生的浮力几乎对空气流动没有影响，即流场固定为第二标准条件流场，温度保持在中性温度。例如机械通风或空调系统等强制对流场中，可以认为流场是固定的，仅在空气入口处温度和速度存在很小的变化。

流场固定后，室内温度场即可假定为一线性系统。基于这一必要假设，室内温度场就可分解为多个子温度场，每个子温度场仅存在一个热源或热汇。计算其中一个热源或热汇的温度场时，设定其他热源或热汇对整个室内的温度分布没有影响，比如计算人体的温度场时，设定送风口送入的是中性温度。将该热因子的影响，比如发热量、温度等，输入计算流体力学解析工具cfd中，得到该热因子的温度分布。

下面从数学理论上推导，温度场的线性特性的算术表达：

其中：

l:对流和扩散的微分算子；

t(x,y,z)：点(x,y,z)的时间平均温度；

u,v,w：时间平均速度分量；

kt：温度的紊流扩散系数；

h.s.i：第i个热源或热汇；

ω：温度场区域。

公式(1)中微分算子l是由速度平均对流项和紊流运动扩散项组成，如果速度分量和紊流扩散系数可以假定为均不受温度变化影响，l即为线性。即便假定l为线性是不合理的，但是与平均流场的对流相比，此非线性影响是可以忽略的。

边界条件表达如下：

其中：

垂直于边界的单位向量；

拉普拉斯算子，

x,y,z轴的单位向量；

γ：区域ω的边界；

tneutral:中性温度，即没有热源或热汇的空气温度。

公式(2)表明在边界处没有扩散传热，即固体边界为绝热条件，在送风口处供应无热源或热汇影响的中性温度空气，排风口处不存在温度梯度。

若对应一个热源或热汇的子温度场的表达式定义为公式(3)，边界条件为公式(2),l假定为线性，则公式(1)可以表达为公式(4)。

l(ti(x,y,z))＝h.s.i(3)

l(ts(x,y,z))＝h.s.1+h.s.2+h.s.3+...

＝l(t1(x,y,z))+l(t2(x,y,z))+l(t3(x,y,z))+...

＝l(t1(x,y,z)+t2(x,y,z)+t3(x,y,z)+...)(4)

公式(4)表明温度场可以分解为若干个只有一个热源或热汇的子温度场。

ts＝t1(x,y,z)+t2(x,y,z)+t3(x,y,z)+...

＝∑ti(x,y,z)(5)

通过公式(3)和(5)，温度场分析可以分为两步：

分析仅存在一个热源或热汇的子温度场；

总温度场为所有子温度场的合成。

步骤s7，根据cri定义及公式，得到单一热源或热汇的cri分布。

在强制对流场和自然对流场中，单一热源或热汇的温度分布与其完全均匀混合情况下的温度分布作比值，得到cri这一指标，并应用cri分析热源或热汇的温度分布影响范围和大小，并可据此对热源或热汇进行调节，且流场固定后，cri为定值，调节后的温度分布可直接应用cri定义公式计算，无需再次应用cfd模拟。

cri的定义在前文已经描述了，cri值显示了单一热源或热汇的影响范围和影响程度。在强制对流场的情况下热因子m在xi点的cri值的计算公式如下：

其中：

xi:空间坐标；

θn：室内中性温度，无物理意义，仅在计算cri时使用；

θm,o：热因子m散热qm均匀扩散时室内温度；

δθm,o＝θm,o-θn：均匀扩散温度与中性温度温差；

θm(xi)：cfd计算得到的由热因子m在xi点造成的温升；

δθm(xi)＝θm(xi)-θn：热因子m散热温升与中性温度温差；

热因子m的对流传热量；

cp：室内空气比热容；

ρ：空气密度；

f：送风量。

在自然对流场的情况下计算cri分布，自然对流是没有外界驱动力但流体依然存在运动的情况，引起流体这种运动的内在力量是温度差。

由于在代表性流场内仅设置一个热源，没有热汇来满足热平衡，因此本发明建立一个均匀分布的虚拟热汇来抵消热源产热，此时热源或热汇m在xi点的cri定义如下：

其中：

^uθm(xi)：热源和热汇同时设置时cfd计算得xi点温度；

u：热汇均匀设置。

步骤s8，是否所有热源或热汇均计算完成，如果否，则返回步骤s6，如果是则到步骤s9；

步骤s9，计算得到所有的cri值之后，根据cri定义式，利用热源(或热汇)的发热量(或吸热量)计算得到各子温度场；

步骤s10、是否所有的代表性流场下的温度场均解耦完成，如果是则到步骤s11，如果否，则返回步骤s6。

步骤s11、温度分布分析完成，总温度场为所有子温度场的线性合成。

计算cri时，首先要确定空间内所有的热源或热汇，例如围护结构传热、空调系统送风、人体及设备产热等。确定热源或热汇后，应用cfd计算出包含热源或热汇的影响的代表流场(值得注意的是，由于墙表面的对流换热速率与墙表面之间的辐射换热以及墙的导热高度相关，本发明进行的是对流和辐射耦合模拟)，固定流场，设置单一热源，再次应用cfd计算出该热源影响下的温度分布，随后利用cri的定义，计算得到该热源的cri分布。

本实施例中，用一具体房间模型进行说明。如图2所示，假设一房间模型长3.6米、宽2.2米、高2.7米，排风口设在窗户上方，送风口设在其对面墙上。房间热负荷主要来自窗户、外墙和内部热发生器。送风被空调系统冷却，同时天花板也被冷却来吸收热，墙的外侧绝热性能良好。

图2中的各附图标记及相关参数说明如下：

1：冷却天花板(3.6m*1.8m)，冷负荷为232.6w；

2：送风口(0.2m*0.08m),风速为1.44m/s，与排风温度温差为-10℃；

3：隔离墙；

4：内部热源，热负荷为116.3w；

5：对称平面，设在房间对称位置(本实例以此对称平面上的cri分布为例)；

6：外墙，热负荷为34.89w；

7：外窗(1.2m*1.4m)，热负荷为360.53w；

8：排风口(2.0m*0.05m)，排风风速为0.26m/s。

通过对流换热和辐射换热的耦合模拟，对流场和温度场进行了数值模拟，如图3(a)至图3(f)所示。对于墙表面的温度边界条件，考虑了对流换热、辐射换热和壁面导热之间的热平衡问题。根据壁面与第一网格点之间的温差，利用给定的对流换热系数估算了对流换热速率。在分析流场时，包括所有的热负荷和空调因素。数值模拟的结果与全尺度房间模型的实验结果非常吻合。

根据对流传热和辐射传热的耦合模拟，得到每个固体表面的表面温度和对流换热速率，所有值列于表1。与中性条件的温差，即与排风温度的温差如图3所示。供气水平进入，由于冷空气的负浮力而下降到地板上，沿对面的墙和窗户上升的气流被加热。窗户周围的热空气部分由排风口排出，部分由天花板表面冷却。室内热负荷附近的空气受热明显，周围温度较高。隔断墙的表面被来自窗户和外墙的辐射加热，存在一定的对流换热。

表1

根据公式(3)和边界条件的公式(2)计算了带有固定流场的各热源或热汇的子温度场，各热源或热汇如表1所示。在这里使用的房间模型中，只有一个送风口和一个排风口，由于室内空气仅由一个送风口供应，送风口的热汇对应的子温度场是均匀的。

所得到的子温度场根据cri定义用代表性温差进行归一化，然后得到cri值。

图4(a)至图4(e)显示了每个热源或热汇的cri分布，具体说明如下：

(a)外窗的cri

如图4(a)所示，窗户的贡献率在0.5～0.7之间，在窗户的正上方有一个区域cri大于1。然而，在大部分空间中，它的值很低，这意味着窗户上方的排风口可以有效地排出来自窗户的热量。在送风口附近，cri非常低，影响很小。

(b)外墙的cri

如图4(b)所示，外墙的贡献率在0.8～1.0之间。与窗户相比，来自外墙的热量扩散较好，未被高效率排出。在窗户的正上方有一个区域cri大于1，然而，与窗户的情况相比，这种趋势是微弱的。在送风口附近，与窗户情况相似，cri值非常低。

(c)内部热负荷的cri

如图4(c)所示，内部热负荷的贡献率在0.8～1.2之间。与前两种情况相比，室内热负荷产生的热量没有有效排出，在内部热负荷的正上方有一个区域cri大于1。

(d)隔离墙和地板的cri

隔离墙和地板都是绝热的，然而，来自被加热墙的辐射换热引起了这些壁面的对流换热，如图4(d)所示，隔离墙和地面的贡献率在0.8～1.0之间。在送风口附近，cri值变的与前三种情况一样低。

(e)冷却天花板的cri

如图4(e)所示，冷却天花板的贡献率在-0.8～-1.2之间。冷却天花板对整个空间有较大的影响，能有效地从室内空气中吸收热量。

(f)送风口的cri

送风在整个空间是均匀分布的，其cri值恒为1。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。