CN111444646B - 建筑空间尺寸对空气温度垂直分布模式影响的研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种建筑空间尺寸对空气温度垂直分布模式影响的研究方法，基于地板辐射供冷系统，包括以下步骤：(1)定义两个参数，即无量纲高度Zi以及该无量纲高度位置的空气温度与室内空气平均温度的差值ΔTi，通过Zi与ΔTi的多组对应关系来表征室内垂直温度分布模式；(2)定义屋顶特征计算温度，(3)对模拟软件FLUENT进行相关设置；(4)选取L₁×W₁×H₁的典型建筑空间尺寸，通过FLUENT模拟各屋顶特征计算温度作用下的室内空气垂直分布模式；(5)保持底面积L₁×W₁不变，改变空间高度，在与H₁m不同高度的空间中，进行FLUENT模拟得到六个屋顶特征计算温度作用下的室内空气垂直分布模式，将不同于H₁的各个高度的分布模式与H₁高度的分布模式对比，研究高度的影响。

Description

建筑空间尺寸对空气温度垂直分布模式影响的研究方法

技术领域

本发明专利涉及地板辐射空调技术领域，具体涉及一种为了研究地板辐射供冷系统下建筑空间尺寸对于室内空气温度的垂直分布模式所发明的模拟研究方法。

背景技术

随着社会经济和科学技术的发展，人们对于建筑节能性、舒适性、健康性和美观性要求越来越高，传统的对流型空调已经日渐不能满足用户需求，辐射空调开始进入人们的视野并且进入快速发展期，成为低能耗建筑、绿色建筑重点考虑的空调系统形式之一。随着对辐射空调领域科学研究以及工程实践的深入，其系统节能性和舒适性得到多内外诸多学者的普遍认可。辐射空调包括辐射供冷系统和辐射供暖系统。相对于成熟的辐射供暖系统，辐射供冷系统的研究和应用起步较晚，学术界对其供能机理、负荷计算、舒适性能、控制策略、气候适应性等方面的认识尚未成熟。辐射供冷系统按照辐射板位置可分为地板辐射供冷系统、顶板辐射供冷系统和墙面辐射供冷系统，其中，地板辐射供冷系统的提出和应用最晚，其研究的深度和广度最为欠缺。

总结地板辐射供冷系统的相关研究成果发现：空气温度在空间中的分布均匀性是辐射空调环境调节的重要指标；部分学者在研究地板辐射供冷系统室内环境时引入建筑空间尺寸，并发现建筑空间尺寸对于地板辐射供冷系统的室内环境营造效果具有影响；未发现涉及上述二者结合的相关研究，即基于地板辐射供冷系统的建筑空间尺寸对空气温度垂直分布模式的影响研究。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种建筑空间尺寸对空气温度垂直分布模式影响的研究方法，本发明利用模拟软件FLUENT对地板辐射供冷系统的建筑空间尺寸进行建模分析，引入以无量纲高度描述室内空气温度垂直分布模式的方法，通过模拟研究建筑空间尺寸对地板辐射供冷系统室内空气温度垂直分布模式的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

建筑空间尺寸对空气温度垂直分布模式影响的研究方法，基于地板辐射供冷系统，包括以下步骤：

(1)定义两个参数，即无量纲高度Zi以及该无量纲高度位置的空气温度与室内空气平均温度的差值ΔTi，通过Zi与ΔTi的多组对应关系来表征室内垂直温度分布模式；根据各工况的工况高度将空气沿垂直方向分成n个空气层，每个空气层的界面高度Zi简化为一无量纲数：

Zi＝Zcentroid,i/Ceiheight

式中，Zcentroid,i为第i层空气层中央垂直高度；Ceiheight为室内净高；

ΔTi＝Ti-Tave

式中，Ti为无量纲高度Zi处空气温度；Tave为室内空气平均温度；

(2)对于地板辐射供冷系统，只考虑屋顶负荷，定义屋顶特征计算温度，分别取屋顶特征计算温度295K、300K、315K、325K、335K和345K，用于代表建筑屋顶在寒冷地区夏季工况的典型气象条件下可能出现的负荷情况；

(3)对模拟软件FLUENT进行相关设置；

(4)选取L₁×W₁×H₁的典型建筑空间尺寸，通过FLUENT模拟得到该建筑空间尺寸在295K、300K、315K、325K、335K和345K六个屋顶特征计算温度作用下的室内空气垂直分布模式；

(5)保持底面积L₁×W₁不变，改变空间高度，在与H₁不同高度的空间中，进行FLUENT模拟得到六个屋顶特征计算温度作用下的室内空气垂直分布模式，将不同于H₁的各个高度的分布模式与H₁高度的分布模式对比，研究高度的影响；

(6)建立L₂×W₂×H₂和L₃×W₃×H_3......L_n×W_n×H_n(n≥1)的模型，对比底面积对室内空气温度垂直分布模式的影响。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明引入以无量纲高度描述室内空气温度垂直分布模式的方法，利用FLUENT模拟研究建筑空间尺寸对地板辐射供冷系统室内空气温度垂直分布模式的影响，能够得到夏季地板辐射供冷系统下适用于不同底面积和空间高度的室内空气温度垂直分布模式，此模式可用于地板辐射供冷系统在不同尺寸建筑空间中的室内环境评价，并可用于房间热过程、房间负荷的模拟计算等。

2.本发明可用于辐射空调空间中人体热舒适评价指标的开发以及地板辐射空调系统运行控制策略研究。与空间高度和空间体量相关的室内人环境参数有人体舒适区空气温度梯度、空气平均流速和地板辐射热流密度均值。引入以无量纲高度描述室内空气温度垂直分布模式的方法，可用于不同空间高度和体量的室内人体热舒适的评价。基于室内人体热舒适以及人体舒适区空气温度梯度、空气平均流速和地板辐射热流密度均值等，此方法有助于指导地板辐射空调运行控制策略的及时调整。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于地板辐射供冷系统的建筑空间尺寸对空气温度垂直分布模式影响的模拟研究方法。

首先，为了呈现室内温度垂直分布模式的结果，以统一的方式表征和对比不同高度的室内空气垂直温度情况，定义两个参数：无量纲高度Zi以及该无量纲高度位置的空气温度与室内空气平均温度的差值ΔTi通过Zi与ΔTi的多组对应关系来表征室内垂直温度分布模式。

根据各工况的工况高度将空气沿垂直方向分成n个空气层，每个空气层的界面高度Zi即可简化为一无量纲数：

Zi＝Zcentroid,i/Ceiheight

式中，Zcentroid,i为第i层空气层中央垂直高度；Ceiheight为室内净高。

ΔTi＝Ti-Tave

式中，Ti为无量纲高度Zi处空气温度；Tave为室内空气平均温度。

然后，对于本专利涉及到的理论做出如下说明。因本专利聚焦地板辐射供冷系统，研究建筑空间尺寸对室内温度垂直分布模式的影响作用，因此可对辐射地板内部构件进行简化处理，将辐射地板简化为恒温平面。由于建筑的屋顶围护结构得热和地板冷辐射的作用是造成空气温度垂直温差的主要原因，因此在探究高度对室内空气垂直温度梯度影响的模拟中忽略竖向墙体传热对室内空气垂直温度梯度的影响，只考虑屋顶负荷。在阐述空气垂直分布模式模拟方法前，先定义“屋顶特征计算温度”，具体如下所述。

夏季典型气象日的天气情况，从统计学意义上可以代表夏季最热时段的特征，是空调负荷计算输入条件的重要来源，本专利的模拟基于夏季典型日气象参数开展。首先，根据夏季室外综合温度计算方法和夏季典型日气象参数，得到水平屋顶的夏季室外空气综合温度逐时值，根据逐时值的大小进行水平屋顶特征计算温度的抽取，分别为295K、300K、315K、325K、335K和345K，用于代表建筑屋顶在寒冷地区夏季工况的典型气象条件下可能出现的负荷情况。特征温度与夏季典型日24小时的对应关系如下表。

最后，针对模拟软件FLUENT的相关设置进行如下说明。

模拟过程中地板温度设定为19℃。采用结构化网格；为优化网格划分质量，允许模型不同实体间共享拓扑，支持节点悬挂。开启能量模型；湍流模型采用k-εRealizable模型，选择强化壁面函数方法作为近壁面处理模式，计算中需考虑浮升力对室内流场的影响，因此考虑全浮力效应，并在材料设置中开启空气密度的Boussinesq假设。辐射模型选择DO模型。

对于边界条件设置：内墙外表面的边界类型设置为Symmetry，计算中由软件进行对称计算处理，可认为内墙连接的邻室亦为空调空间；屋顶外表面和地板下表面的边界类型为Wall，边界条件按对流换热形式处理，对流换热系数取20W/m²，自由流体温度由综合室外温度与太阳辐射强度的室外空气综合温度确定。仅加载屋顶负荷，将四个朝向的墙体按照内墙设置，围护结构的构造以及材料根据实际情况从我国国家标准中相应选取。

模拟计算的求解方法选用三维不可压缩模型的非耦合隐式求解方法。采用SIMPLEC算法进行压力-速度耦合，采用二阶迎风格式；计算残差要求能量项和辐射项残差均小于1*10-6，各流动项残差小于1*10-3；计算过程同时监测围护结构内外表面温度和室内空气温度，当残差达到要求且监视参数无变化时停止计算。

具体的，为探究建筑空间尺寸对地板辐射供冷系统室内空气温度垂直分布模式的影响，进行如下示例。

首先，在3m*3m*3m的典型建筑空间尺寸，通过FLUENT模拟得到该建筑空间尺寸在6个屋顶特征计算温度作用下的室内空气垂直分布模式；

紧接着，底面积3m*3m不变，改变空间高度，在5m、7m和9m高度的空间中，进行FLUENT模拟得到6个屋顶特征计算温度作用下的室内空气垂直分布模式，将5m/7m/9m高度与3m高度的分布模式对比，研究高度的影响；

最后，建立6m*6m*9m和9m*9m*9m的模型，对比底面积对室内空气温度垂直分布模式的影响。下表，展示上述其中一种建筑空间尺寸3m*3m*3m的空间对6个屋顶特征计算温度作用下的室内空气垂直温度分布模式，表中无量纲高度的数值计算如下:室内净高Ceiheight为3m，将3m分为10个空气层即每层为0.3m，第1层空气层中央垂直高度Zcentroid,i即为0.3/2＝0.15，初始无量纲高度Zi＝Zcentroid,i/Ceiheight＝0.15/3＝0.05；第2层空气层中央垂直高度Zcentroid,i即为0.3+0.3/2＝0.45，初始无量纲高度Zi＝Zcentroid,i/Ceiheight＝0.45/3＝0.15；…。

具体见下表，其中层数可根据实际情况自行选取；6个屋顶特征计算温度下的各数值表示ΔTi。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.建筑空间尺寸对空气温度垂直分布模式影响的研究方法，基于地板辐射供冷系统，其特征在于，包括以下步骤：

(1)定义两个参数，即无量纲高度Zi以及该无量纲高度位置的空气温度与室内空气平均温度的差值ΔTi，通过Zi与ΔTi的多组对应关系来表征室内垂直温度分布模式；根据各工况的工况高度将空气沿垂直方向分成n个空气层，每个空气层的界面高度Zi简化为一无量纲数：

Zi＝Zcentroid,i/Ceiheight

式中，Zcentroid,i为第i层空气层中央垂直高度；Ceiheight为室内净高；

ΔTi＝Ti-Tave

式中，Ti为无量纲高度Zi处空气温度；Tave为室内空气平均温度；

(2)对于地板辐射供冷系统，只考虑屋顶负荷，定义屋顶特征计算温度，分别取屋顶特征计算温度295K、300K、315K、325K、335K和345K，用于代表建筑屋顶在寒冷地区夏季工况的典型气象条件下可能出现的负荷情况；

(3)对模拟软件FLUENT进行相关设置；

(4)选取L₁×W₁×H₁的典型建筑空间尺寸，通过FLUENT模拟得到该建筑空间尺寸在295K、300K、315K、325K、335K和345K六个屋顶特征计算温度作用下的室内空气垂直分布模式；

(5)保持底面积L₁×W₁不变，改变空间高度，在与H₁不同高度的空间中，进行FLUENT模拟得到六个屋顶特征计算温度作用下的室内空气垂直分布模式，将不同于H₁的各个高度的分布模式与H₁高度的分布模式对比，研究高度的影响；

(6)建立L₂×W₂×H₂和L₃×W₃×H_3......L_n×W_n×H_n(n≥1)的模型，对比底面积对室内空气温度垂直分布模式的影响。