CN104008300B - 一种地下空间通风量算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下空间通风量算法，本算法针对地下空间以除湿为主的通风空调系统的通风量控制计算方法，以满足地下空间的IAQ为目标，从能源需求侧管理角度分析，以建筑能源管理控制系统为出发点，利用地下空间壁面地质体具有良好的建筑热工性能，体现湿空气各个状态参数之间非线性、强耦合的函数关系，体现地下空间使用维护时稳定状态和非稳定状态的不同通风量计算模型，将地下空间复杂的实际湿负荷通过动态平衡分析建立的数学模型实现简化计算，确保通风量既能满足消除地下空间内污染物、余热和余湿的需要，又能大大减少系统冬季采暖、夏季降温的能源需求，使地下空间室内的参数控制达到设计要求，同时利于开发壁面地质体浅层的地能资源。

Description

一种地下空间通风量算法

技术领域

本发明涉及一种地下空间通风量算法，具体是一种地下空间以除湿为主的通风空调系统的通风量控制计算方法，属于建筑节能技术领域。

背景技术

城市是人类文明的标志，但是随着人口迅速增长，城市出现了用地紧张、交通拥堵、环境恶劣、人类生存空间不足等一系列“逆城市化”现象，引发了城市立体化开发的另一种形式，即地下空间，使其成为增加城市用地、缓解城区高密度、提高土地利用效率、节省土地资源、疏导交通、人车立体分流、扩充基础设施容量、保护城市历史文化景观、减少环境污染、改善城市生态、提高城市总体防灾抗毁能力的最有效途径，因此，21世纪将是人类开发利用地下空间的世纪。

同时，随着现代城市发展模式的不断变革，城市已经进入多层次、立体化的发展新阶段，城市空间变得更加多元化，地下空间开发使用的力度更大，但是，当大量地下空间赋予城市发展新动力的同时，必将面临一个新的问题，即地下空间的能耗问题，特别是通风空调系统通风量设计计算所引起的设备能耗问题。

目前地下空间通风量的计算方法，更多针对的是SO₂气体、CO₂气体、CO气体、烟雾等污染物和余热作为控制对象，把污染物和余热进入大气后的垂直与水平方向的传输和扩散作为通风系统稀释能力的表征，重点关注余热的消除、污染物浓度的降低等，而忽略了地下空间温度相对较低，相对湿度明显升高，当壁面温度低于空气含湿量对应的露点温度时，就会出现凝结水致使地下空间潮湿的问题；同时，目前各种计算方法都是主要通过送排风的含湿量差和焓差来计算地下空间通风量，一方面没有充分体现地下空间含湿量的动态平衡，另一方面没有充分体现湿空气各个状态参数之间非线性、强耦合的函数关系，再一方面没有充分体现地下空间使用维护时稳定状态和非稳定状态的不同通风量计算模型；此外，目前各种计算方法都需要查图或计算确定有关含湿量和焓值等计算参数，一方面查得或计算的数值存在较大的误差，另一方面其详细的计算过程步骤烦琐且复杂，出现错误的概率也较高。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种地下空间通风量算法，该方法利用地下空间壁面地质体具有良好的建筑热工性能，将地下空间复杂的实际湿负荷通过动态平衡分析建立的数学模型实现简化计算，确保通风量既能满足消除地下空间内污染物、余热和余湿的需要，又能大大减少系统冬季采暖、夏季降温的能源需求，使地下空间室内的参数控制达到设计要求，同时也有利于开发壁面地质体浅层的地能资源。

为了实现上述目的，本地下空间通风量算法的具体步骤如下：

第一步，根据地下空间复杂的实际建筑功能概况，明确通风系统的设计基数，即地下空间相应建筑工作区初始的干球温度T₁、相对湿度以及与之相对应的含湿量d₁和湿空气密度ρ₁；

第二步，通过计算，确定地下空间的体积V_f和负荷状况，即余热量Q和余湿量W；

第三步，获取室外空气的状态参数，即干球温度T₀、相对湿度以及与之相对应的含湿量d₀和湿空气密度ρ₀；

第四步，根据地下空间复杂的实际建筑功能概况，明确通风系统的设计精度，即地下空间相应建筑工作区所需维持最高的干球温度T₂、相对湿度以及与之相对应最高的含湿量d₂和湿空气密度ρ₂；

第五步，根据全面通风稀释室内空气中的含湿量，在微元时间间隔dt内，室内得到的含湿量与从室内排出的含湿量之差应等于整个房间内含湿量的变化量，因而建立含湿量质量平衡的基本微分方程式数学模型：

即 Lρ₀d₀·dt+W·dt-Lρ(t)d(t)·dt＝V_fρ(t)·dt (1)

第六步，根据系统是连续性运行和间歇性运行的状况不同，确定系统为非稳定状态和稳定状态两种情况，由(1)式可以通过积分计算得到相应的表达式，即：

当系统为非稳定状态时，则 $L=\frac{W}{{\mathrm{\ρ}}_2{d}_2-{\mathrm{\ρ}}_0{d}_0}-\frac{V_f}{\mathrm{\τ}}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{d}_2-{\mathrm{\ρ}}_1{d}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2{d}_2-{\mathrm{\ρ}}_0{d}_0}---\left(2\right)$

当系统为稳定状态时，则 $L=\frac{W}{{\mathrm{\ρ}}_2{d}_2-{\mathrm{\ρ}}_0{d}_0}---\left(3\right)$

式中，L为地下空间除湿通风量m³/h；W为地下空间的余湿量kg；ρ为湿空气状态对应的密度kg/m³；d为湿空气状态对应的含湿量kg/kg_干空气；V_f为地下空间的体积m³；τ为间歇性运行时要求控制不满足设计精度要求的时间长短s；

第七步，计算确定不同空气状态所对应的含湿量；

即

式中，A为计算系数；B为标准状态对应的大气压力B＝101325Pa；P_qb为湿空气状态对应的饱和水蒸气压力Pa；为湿空气状态对应的相对湿度％；

第八步，计算确定不同空气状态所对应的密度；

即

式中，C、D均为计算系数；T为湿空气状态对应的热力学温度K；

第九步，计算确定不同空气状态所对应的饱和水蒸气压力；

即 $P_{\mathrm{qb}}=T^{E_1}\·\exp (E_2{T}^{-1}+E_3+E_{4}T+E_5{T}^2+E_6{T}^3)---\left(6\right)$

式中，E_n均为计算系数，n＝1，2，...，6；

第十步，计算确定地下空间的通风量，即将(6)式、(5)式、(4)式分别代入到(2)式和(3)式中，经过简化计算，可以得到以T为自变量关于L的关系表达式，求解出地下空间不同状态的通风量；

第十一步，根据上述计算步骤，应用Visual Fortran5.0程序软件，完成地下空间以除湿为主的通风量计算软件的开发，通过屏幕输入室外进风计算温度、室内设计计算温度、动态起始计算温度(非稳定状态)、室外进风计算相对湿度、室内设计计算相对湿度、动态起始计算相对湿度(非稳定状态)、湿负荷值、地下空间体积、动态时间控制变量(非稳定状态)等主要变量，即可以计算出稳定状态或非稳定状态时地下空间以除湿为主的通风量数值。

本发明针对地下空间所具有的自身特点，体现其能耗形式与地面建筑的截然不同，突出了通风空调系统以除湿为主，根据湿负荷的围护结构壁面散湿、设备和人员散湿、新风湿负荷的比例近似为1∶1∶1关系，针对性地开展适合地下空间节能设计和应用技术开发的地下空间通风量计算方法研究，特别是以满足地下空间的IAQ，即室内空气品质为目标，从能源需求侧管理角度分析，以建筑能源管理控制系统为出发点，利用地下空间壁面地质体具有良好的建筑热工性能，体现湿空气各个状态参数之间非线性、强耦合的函数关系，体现地下空间使用维护时稳定状态和非稳定状态的不同通风量计算模型，并将地下空间复杂的实际湿负荷通过动态平衡分析建立的数学模型实现简化计算，确保通风量既能满足消除地下空间内余湿量的需要，又能大大减少系统的冬季采暖、夏季降温的能源需求，节约系统运行维护的管理费用，使地下空间室内的参数控制达到设计要求，同时也有利于开发壁面地质体浅层的地能资源。

附图说明

图1是本发明的计算流程图；

图2是本发明的应用流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本地下空间通风量算法的具体步骤如下：

第一步，根据地下空间复杂的实际建筑功能概况，明确通风系统的设计基数，即地下空间相应建筑工作区初始的干球温度T₁、相对湿度以及与之相对应的含湿量d₁和湿空气密度ρ₁；

第二步，通过计算，确定地下空间的体积V_f和负荷状况，即余热量Q和余湿量W；

第三步，获取室外空气的状态参数，即干球温度T₀、相对湿度以及与之相对应的含湿量d₀和湿空气密度ρ₀；

第四步，根据地下空间复杂的实际建筑功能概况，明确通风系统的设计精度，即地下空间相应建筑工作区所需维持最高的干球温度T₂、相对湿度以及与之相对应最高的含湿量d₂和湿空气密度ρ₂；

第五步，根据全面通风稀释室内空气中的含湿量，在微元时间间隔dt内，室内得到的含湿量与从室内排出的含湿量之差应等于整个房间内含湿量的变化量，因而建立含湿量质量平衡的基本微分方程式数学模型：

即 Lρ₀d₀·dt+W·dt-Lρ(t)d(t)·dt＝V_fρ(t)·dt (1)

第六步，根据系统是连续性运行和间歇性运行的状况不同，确定系统为非稳定状态和稳定状态两种情况，由(1)式可以通过积分计算得到相应的表达式，即：

当系统为非稳定状态时，则 $L=\frac{W}{{\mathrm{\ρ}}_2{d}_2-{\mathrm{\ρ}}_0{d}_0}-\frac{V_f}{\mathrm{\τ}}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{d}_2-{\mathrm{\ρ}}_1{d}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2{d}_2-{\mathrm{\ρ}}_0{d}_0}---\left(2\right)$

当系统为稳定状态时，则 $L=\frac{W}{{\mathrm{\ρ}}_2{d}_2-{\mathrm{\ρ}}_0{d}_0}---\left(3\right)$

式中，L为地下空间除湿通风量m³/h；W为地下空间的余湿量kg；ρ为湿空气状态对应的密度kg/m³；d为湿空气状态对应的含湿量kg/kg_干空气；V_f为地下空间的体积m³；τ为间歇性运行时要求控制不满足设计精度要求的时间长短s；

第七步，计算确定不同空气状态所对应的含湿量；

即

式中，A为计算系数；B为标准状态对应的大气压力B＝101325Pa；P_qb为湿空气状态对应的饱和水蒸气压力Pa；为湿空气状态对应的相对湿度％；

第八步，计算确定不同空气状态所对应的密度；

即

式中，C、D均为计算系数；T为湿空气状态对应的热力学温度K；

第九步，计算确定不同空气状态所对应的饱和水蒸气压力；

即 $P_{\mathrm{qb}}=T^{E_1}\·\exp (E_2{T}^{-1}+E_3+E_{4}T+E_5{T}^2+E_6{T}^3)---\left(6\right)$

式中，E_n均为计算系数，n＝1，2，...，6；

第十步，计算确定地下空间的通风量，即将(6)式、(5)式、(4)式分别代入到(2)式和(3)式中，经过简化计算，可以得到以T为自变量关于L的关系表达式，求解出地下空间不同状态的通风量。

如图2所示，为本发明的应用流程图，根据上述计算步骤，应用Visual Fortran5.0程序软件，完成地下空间以除湿为主的通风量计算软件的开发，通过屏幕输入室外进风计算温度、室内设计计算温度、动态起始计算温度(非稳定状态)、室外进风计算相对湿度、室内设计计算相对湿度、动态起始计算相对湿度(非稳定状态)、湿负荷值、地下空间体积、动态时间控制变量(非稳定状态)等主要变量，即可以计算出稳定状态或非稳定状态时地下空间以除湿为主的通风量数值。

下面根据上述流程步骤及所述各公式计算稳定状态下的通风量：

(1)对于稳定状态下的通风量计算

设定温度对应饱和水蒸气分压力：

室外进风温度T0(1)＝31.00℃，室外进风饱和水蒸气分压力PQB01＝4547.993164Pa，

室内设计温度T0(2)＝28.00℃，室内设计饱和水蒸气分压力PQB02＝3825.556152Pa；

设定温度对应密度计算：

室外进风温度T0(1)＝31.00℃，室外进风相对湿度U0(1)＝81.00％，室外进风密度P01＝1.144738KG/m³，

室内设计温度T0(2)＝28.00℃，室内设计相对湿度U0(2)＝55.00％，室内设计密度P02＝1.163040KG/m³；

设定温度对应含湿量计算：

室外进风相对湿度U0(1)＝81.00％，室外进风饱和水蒸气分压力PQB01＝4547.993164Pa，室外进风含湿量D01＝0.023676040kg/kg_干空气，

室内设计相对湿度U0(2)＝55.00％，室内设计饱和水蒸气分压力PQB02＝3825.556152Pa，室内设计含湿量D02＝0.013422443kg/kg_干空气；

得到稳定状态通风量计算结果：

系统总湿负荷W0＝60.00kg/h，稳定状态通风量L0＝5221.01m³/h。

(2)对于非稳定状态下的通风量计算

设定温度对应饱和水蒸气分压力：

室外进风温度T0(1)＝31.00℃，室外进风饱和水蒸气分压力PQB01＝4547.993164Pa，

室内设计温度T0(2)＝28.00℃，室内设计饱和水蒸气分压力PQB02＝3825.556152Pa，

动态起始温度T0(3)＝32.00℃，动态起始饱和水蒸气分压力PQB03＝4813.803223Pa；

设定温度对应密度计算：

室外进风温度T0(1)＝31.00℃，室外进风相对湿度U0(1)＝81.00％，室外进风密度P01＝1.144738KG/m³，

室内设计温度T0(2)＝28.00℃，室内设计相对湿度U0(2)＝55.00％，室内设计密度P02＝1.163040KG/m³，

动态起始温度T0(3)＝32.00℃，动态起始相对湿度U0(3)＝90.00％，动态起始密度P03＝1.138192KG/m³；

设定温度对应含湿量计算：

室外进风相对湿度U0(1)＝81.00％，室外进风饱和水蒸气分压力PQB01＝4547.993164Pa，室外进风含湿量D01＝0.023676040kg/kg_干空气，

室内设计相对湿度U0(2)＝55.00％，室内设计饱和水蒸气分压力PQB02＝3825.556152Pa，室内设计含湿量D02＝0.013422443kg/kg_干空气，

动态起始相对湿度U0(3)＝90.00％，动态起始饱和水蒸气分压力PQB03＝4813.803223Pa，动态起始含湿量D03＝0.027920909kg/kg_干空气；

得到非稳定状态通风量计算结果：

系统总湿负荷W0＝60.00kg/h，非稳定状态通风量L0＝11325.01m³/h，

地下空间体积VF0＝5000.00m³，动态时间控制S0＝20.00min。

本算法针对地下空间以除湿为主的通风空调系统的通风量控制计算方法，该方法利用地下空间壁面地质体具有良好的建筑热工性能，将地下空间复杂的实际湿负荷通过动态平衡分析建立的数学模型实现简化计算，确保通风量既能满足消除地下空间内污染物、余热和余湿的需要，又能大大减少系统冬季采暖、夏季降温的能源需求，使地下空间室内的参数控制达到设计要求，同时也有利于开发壁面地质体浅层的地能资源。

Claims (1)

1.一种地下空间通风量算法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步，根据地下空间复杂的实际建筑功能概况，明确通风系统的设计基数，即地下空间相应建筑工作区初始的干球温度T₁、相对湿度以及与初始的干球温度T₁、相对湿度相对应的含湿量d₁和湿空气密度ρ₁；

第二步，通过计算，确定地下空间的体积V_f和负荷状况，即余热量Q和余湿量W；

第三步，获取室外空气的状态参数，即干球温度T₀、相对湿度以及与干球温度T₀、相对湿度相对应的含湿量d₀和湿空气密度ρ₀；

第四步，根据地下空间复杂的实际建筑功能概况，明确通风系统的设计精度，即地下空间相应建筑工作区所需维持最高的干球温度T₂、相对湿度以及与所需维持最高的干球温度T₂、相对湿度相对应最高的含湿量d₂和湿空气密度ρ₂；

第五步，根据全面通风稀释室内空气中的含湿量，在微元时间间隔dt内，室内得到的含湿量与从室内排出的含湿量之差应等于整个房间内含湿量的变化量，因而建立含湿量质量平衡的基本微分方程式数学模型：

即Lρ₀d₀·dt+W·dt-Lρ(t)d(t)·dt＝V_fρ(t)·dt (1)

第六步，根据系统是连续性运行和间歇性运行的状况不同，确定系统为非稳定状态和稳定状态两种情况，由(1)式可以通过积分计算得到相应的表达式，即：

当系统为非稳定状态时，则

当系统为稳定状态时，则

式中，L为地下空间除湿通风量，单位为m³/h；W为地下空间的余湿量，单位为kg；ρ为湿空气状态对应的密度，单位为kg/m³；d为湿空气状态对应的含湿量，单位为kg/kg_干空气；V_f为地下空间的体积，单位为m³；τ为间歇性运行时要求控制不满足设计精度要求的时间长短，单位为s；

第七步，计算确定不同空气状态所对应的含湿量；

即

式中，A为计算系数；B为标准状态对应的大气压力B＝101325Pa；P_qb为湿空气状态对应的饱和水蒸气压力，单位为Pa；为湿空气状态对应的相对湿度百分比；

第八步，计算确定不同空气状态所对应的密度；

即

式中，C、D均为计算系数；T为湿空气状态对应的热力学温度，单位为K；

第九步，计算确定不同空气状态所对应的饱和水蒸气压力；

即

式中，E_n均为计算系数，n＝1，2，…，6；

第十步，计算确定地下空间的通风量，即将(6)式、(5)式、(4)式分别代入到(2)式和(3)式中，经过简化计算，可以得到以T为自变量关于L的关系表达式，求解出地下空间不同状态的通风量；

第十一步，根据上述计算步骤，通过室外进风计算温度、室内设计计算温度、动态起始计算温度、室外进风计算相对湿度、室内设计计算相对湿度、动态起始计算相对湿度、湿负荷值、地下空间体积、动态时间控制变量，计算出稳定状态或非稳定状态时地下空间以除湿为主的通风量数值。