CN111985026A - 基于热分层高度的建筑高效自然通风设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于热分层高度的建筑高效自然通风设计方法，包括确定目标建筑室内热源的形式以及热源的总余热量；假定一个热分层高度，根据热分层高度确定室内有效开口面积，根据热分层高度和总余热量确定室内自然通风量；根据总余热量、有效开口面积、热分层高度与进风温度确定室内排风温度，根据进风温度与排风温度校核工作区温度；若校核工作区温度符合预设值，并根据有效开口面积确定所述目标建筑各窗孔的进风口与排风口面积；若校核工作区温度不符合预设值，则重新假定一热分层高度值重新进行计算，该方法适于高余热建筑中自然通风排热过程的室温与通风量耦合求解计算，且具有准确、合理的优点。

Description

基于热分层高度的建筑高效自然通风设计方法

技术领域

本发明涉及室内通风技术领域，更具体地，涉及基于热分层高度的建筑高效自然通风设计方法。

背景技术

近年来，随着社会经济的发展，建筑耗能有了较大的增长，例如工业厂房生产过程中往往会散发大量热负荷，热源形式复杂多样，如点、面、体热源等以及位置、高度也多有不同，这些因素使热压自然通风的精确设计变得十分复杂。在高余热建筑空间内，室内温度分布随通风量的改变而改变，室温与通风量两者需在耦合条件下求解，热源因组合条件不同而改变的几何物理参数又都直接与室温及通风能力有关，从而使得高余热建筑自然通风分析方法区别于一般已知室温的问题。

现有的自然通风计算方法大体包括两类：一类是设计计算，即根据已确定的工艺条件和要求计算必需的全面换气量，确定进、排风窗孔位置和窗孔面积；另一类是校核计算，即在工艺、土建、窗孔位置和面积确定的条件下，计算能达到的最大自然通风量，校核工作区温度是否满足卫生标准的要求。其中设计计算步骤分为：(1)计算建筑自然通风量；(2)确定窗孔的位置，分配各窗孔的进、排风量；(3)计算各窗孔的内外压差和窗孔面积。其中步骤(1)中计算通风量需要设定建筑的排风温度和总余热量，而高余热建筑自然通风排热过程的室温与通风量互为因果关系，只能耦合求解，因此其准确性不足。此外，由于实际建筑中热源条件千差万别，导致使用的经验系数与实际情况相差甚远，造成设计通风量与实际需要通风量相差巨大。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，发明提供基于热分层高度的建筑高效自然通风设计方法，解决现有技术使用的经验系数与实际情况相差甚远，造成设计通风量与实际需要通风量相差巨大问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

基于热分层高度的建筑高效自然通风设计方法，其特征在于，包括：

S10：确定目标建筑室内热源的形式、数量以及热源的总余热量；

S20：假定一个热分层高度，根据热分层高度确定室内有效开口面积，根据热分层高度和总余热量确定室内自然通风量；

S30：根据总余热量、有效开口面积、热分层高度与进风温度确定室内排风温度，根据进风温度与排风温度校核工作区温度；

S40：若校核工作区温度符合预设值，并根据室内有效开口面积确定所述目标建筑各窗孔的进风口面积与排风口面积；

S50：若校核工作区温度不符合预设值，则返回步骤S20重新进行计算。

热源为散热设备，总余热量E：

E＝h_v(t_w-t_f)A

其中，h_v、对流换热表面传热系数，t_w、壁表面温度，t_f、流体温度，A、换热面积，C₀、由试验确定的第一常数，Gr、格拉晓夫数，Pr、普朗特数，n、由试验确定的第二常数，λ、流体导热系数，l、壁面定型尺寸，g、重力加速度，β、流体容积膨胀系数、ν、动力粘度，Δt、流体与壁面温度差。

所述假定的热分层高度为h_s，室内有N个相同热源时，确定室内有效开口面积A^*：

ξ＝h_s/H

其中，H、进风口与排风口高度差，C、已知热源羽流体积流量常数，ξ、热分层无量纲高度，h_s、热分层高度，

第i个热源虚拟极点距热源上表面无量纲垂向距离，

为第i个热源虚拟极点距热源上表面垂向距离。

室内自然通风量Q_E：

Q_E＝1.58NCB₀ ^1/3(h_s-z_v)^5/3

其中，B₀、热源的浮力通量，z_v、热源虚拟极点距热源上表面垂向距离，c_p、为定压比热容，T₀、为进风温度。

所述排风温度T_t：

其中，A^*、室内有效开口面积。

校核工作区温度时，设工作区室任意高度处空气温度为t：

t＝T₀+0.5(1+erfH^*)(T_t-T₀)

x＝z_m-h_s

其中，H^*、计算式中间参数，u、羽流主体外热分层界面上的气流垂直分速度，z_m、为房间任意高度，a、为空气导温系数，k、房间内气流速度与距热分层高度距离的比例系数，x、空间中距热分层高度的距离。

根据工作区的高度，确定工作区的温度，当工作区的温度值小于预设温度时，确定所述目标建筑各窗孔的进风口面积与排风口面积。

预设进风口面积、排风口面积与有效开口面积A*的关系如下：

其中，c_t、出流风口的流量系数，c_b、进风口压力损失系数，a_t、各窗口的排风口面积，a_b、各窗口的进风口面积。

各窗口的排风面积

各窗口的进风面积

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的通风设计方法计算准确性高，本发明预先假定热分层高度，将自然通风的室温与通风量耦合求解，然后再校核室温情况进行反算，解决了原有方法无法保证分析系统的闭合条件问题，使自然通风系统设计更加准确。

(Ⅱ)本发明的通风设计方法计算参数少设计步骤简单，本发明运用六个基本方程，只需要设定进风口与排风口的高差H以及假定热分层高度h_s，即可计算出最终的进风口与排风口面积，无需计算热分布系数值、温度梯度等数值。

(Ⅲ)本发明的通风设计方法设计计算快，原有的CFD模拟追求更准确的计算精度往往需要对建筑模型进行网格划分然后进行模拟计算，在没有详细准确的边界条件情况下，计算结果并不准确，而且需要大量的计算设备和计算时间。通过实施例验证，运用Matlab软件进行计算仅需要不到1s。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的通风设计方法的流程图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本实施例给出基于热分层高度的建筑高效自然通风设计方法，如图1所示，该方法包括：

S10：确定目标建筑室内热源的形式、数量以及热源的总余热量；

S20：假定一个热分层高度，根据热分层高度确定室内有效开口面积，根据热分层高度和总余热量确定室内自然通风量；

S30：根据总余热量、有效开口面积、热分层高度与进风温度确定室内排风温度，根据进风温度与排风温度校核工作区温度；

S40：若校核工作区温度符合预设值，并根据室内有效开口面积确定所述目标建筑各窗孔的进风口面积与排风口面积；

S50：若校核工作区温度不符合预设值，则返回步骤S20重新进行计算。

其中，总余热量是指：热源的总对流散热量；热分层高度是指：对于下部进风，上部排风的房间中的热源上部热羽流，上升到达排风口以后，一部分热气流从室内排出，一部分热气流在上部空间形成掺混较均匀的区域，在室内形成稳定的上热下冷的两个分区，此时两个分区的分界面高度即为热分层高度；室内有效开口面积是指：按照室内进风口与排风口面积对通风量的影响进行组合，以室内有效开口面积代替室内进风口与排风口面积进行计算；室内自然通风量是指：热压驱动产生的自然通风的排风量，也等于进风量。

做为本实施例的一种优选方案，热源为散热设备，总余热量E为热源壁面与空气的对流换热量：

E＝h_v(t_w-t_f)A

为了得到对流换热表面传热系数h_v的数值，须通过自然对流换热准则关联式求解：

其中，h_v、对流换热表面传热系数，t_w、壁表面温度，t_f、流体温度，A、换热面积，C₀、由试验确定的第一常数，Gr、格拉晓夫数，Pr、普朗特数，n、由试验确定的第二常数，λ、流体导热系数，l、壁面定型尺寸，g、重力加速度，β、流体容积膨胀系数、ν、动力粘度。

在本实施例中，以某地下水电站发电机层尺寸为126(x)×20(y)×22(z)(m³)为例，主要热源为四台发电机组的机墩风罩分别1#机组、2#机组、3#机组和4#机组，直径为3.9m，高0.94m，每两个机组的中心距离为22m。发电机组热源壁面温度t_w＝32℃，t_f＝18.4℃，运动粘度室内进风温度v＝1.55×10^-5m²/s，导热系数λ＝2.64×10^-2W/m·K，体积膨胀系数β＝1/T_m＝3.31×10^-3K^-1，普朗特数Pr＝0.702。

发电机组的机墩风罩为离散的相同热源，在本实施例中，热源为体热源，进行设备散热量计算。

计算定性温度为t_m＝(t_w+t_f)/2＝25.2℃，发电机组顶部定型尺寸l为直径的0.9倍，d'＝0.9d＝0.9×3.9m＝3.51m。发电机组侧面壁面定型尺寸l为机组高度h_c，h_c＝0.94m。

由于热源上部的热羽流流动为自然对流，需要先计算出热源壁面的Gr如下：

水平壁面

竖直壁面

然后，由自然对流换热准则关联式，得：

水平壁面Nu₁＝0.15×(Gr×Pr)^1/3＝573.2；

竖直壁面Nu₂＝0.1×(Gr×Pr)^1/3＝102.28；

进一步计算热源散热量,其中机组顶部对流散热量：

机组侧面壁面对流散热量：

机组总对流散热量：E_D+C＝E_D+E_C＝1150.3W。

做为本实施例的一种优选方案，所述假定的热分层高度为h_s，室内有N个热源时，确定室内有效开口面积A^*：

ξ＝h_s/H

其中，H、进风口与排风口高度差，C、已知热源羽流体积流量常数，ξ、热分层无量纲高度，h_s、热分层高度，

第i个热源虚拟极点距热源上表面无量纲垂向距离，

为第i个热源虚拟极点距热源上表面垂向距离。

由于热源相距较远，故视为不存在相互作用的离散热源，计算室内有效开口面积A*，首先进行虚拟极点距的计算：

δ＝0.11×(32-18.4)^-0.1×0.94^0.7＝0.081m

z_v＝-2.1(3.9+2×0.081)＝-8.53m

为了保证发电机层厂房内人员热舒适以及呼吸环境的相对洁净，选取人员工作区高度上限2m为热分层高度值，则此时h_s＝2m，离散等强度热源个数N＝4，进风口与排风口上下高差H设为18m，且假设下部进风口位于地面高度处，将这些参数代入离散点热源热分层计算公式：

可以得到室内有效开口面积A*＝24.31m²。

做为本实施例的一种优选方案，运用虚拟极点法可以得出体热源羽流流量公式：

z_v＝-2.1(d+2δ)

对于紊流：

δ＝0.11Δt^-0.1h_c ^0.7

自然通风量与热源上部热羽流在热分层高度处的羽流量相等，

即室内自然通风量Q_E：

Q_E＝1.58NCB₀ ^1/3(h_s-z_v)^5/3

Q_E＝10.64m³/s

其中，B₀、热源的浮力通量，z_v、热源虚拟极点距热源上表面垂向距离，c_p、为定压比热容，T₀、为进风温度。

做为本实施例的一种优选方案，形成热分层流动的热压自然通风房间的通风量计算公式还可用温度表示为：

所述排风温度T_t：

其中，T₀、进风温度；

将热分层高度，热源对流换热功率，有效开口面积A*，进风口与排风口高差及进风温度均代入上式计算排风温度T_t＝18.76℃。

做为本实施例的一种优选方案，校核工作区温度时，室内任意高度处空气温度t，由于实际中室内空气温度并不是泾渭分明的两层分布，而是在热分层高度附近有一定厚度的温度急剧变化层，因此应用室内空气温度分布公式如下进行检验：

t＝T₀+0.5(1+erfH^*)(T_t-T₀)

其中，x＝z_m-h_s＝z_m-2，一定高度处羽流流量之和为：

Q＝1.58NCB₀ ^1/3(z-z_v)^5/3＝0.21(z+8.53)^5/3

室内地板面积F＝2520m²，热源上顶面面积为f＝4π(d/2)²＝47.78m²

则求解k值如下：

此时查空气热物理性质图表可知，导温系数a＝0.0000212m²/s，那么

因此可知室内空气温度分布情况：

t＝18.4+0.18{1+erf[4.01(z_m-2)]}

取z_m＝2m可知，此时人员活动区的最高温度为

符合人员舒适要求。

其中，H^*、计算式中间参数，u、羽流主体外热分层界面上的气流垂直分速度，z_m、为房间任意高度，a、为空气导温系数。

做为本实施例的一种优选方案，根据工作区的高度，确定工作区的温度，当工作区的温度值小于预设温度时，确定所述目标厂房各窗孔的进风口与排风口面积。

做为本实施例的一种优选方案，预设进风口面积、排风口面积与有效开口面积A*的关系如下：

其中，c_t、出流风口的流量系数，c_b、进风口压力损失系数，一般取0.6；a_t、各窗口的排风口面积，a_b、各窗口的进风口面积；

对于截面积小于墙体50％的四边形开口，本章节均取c_t＝c_b＝0.6。

做为本实施例的一种优选方案，排风面积

进风面积

例如当排风面积a_t＝30m²时，进风面积可求出为a_t＝97.46m²。且当进、排风口面积相等时取得最小串联面积和，此时排风面积a_t＝a_b＝A^*/c_t＝40.52m²，进、排风口面积仅为81.03m²即与前述进、排风口面积为127.46m²时效果相同，节约土方开挖量36.4％。由于地下工程开挖困难，土方开挖耗费巨大，本研究成果对于地下水电站等地下建筑自然通风设计具有积极影响。此外，本案例可以看出由于厂房空间巨大，热源功率相对较小，造成进、排风温度均较低，热源活动区温度并没有超过设计要求，此时可以适当降低热分层高度，达到进一步减小进、排风口面积的效果。

针对本实施例中涉及的各物理量参数，表1中给出具体的参数单位。

表1

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (9)

1.基于热分层高度的建筑高效自然通风设计方法，其特征在于，包括：

S10：确定目标建筑室内热源的形式、数量以及热源的总余热量；

S20：假定一个热分层高度，根据热分层高度确定室内有效开口面积，根据热分层高度和总余热量确定室内自然通风量；

S30：根据总余热量、有效开口面积、热分层高度与进风温度确定室内排风温度，根据进风温度与排风温度校核工作区温度；

S40：若校核工作区温度符合预设值，并根据室内有效开口面积确定所述目标建筑各窗孔的进风口面积与排风口面积；

S50：若校核工作区温度不符合预设值，则返回步骤S20重新进行计算。

2.根据权利要求1所述的通风设计方法，其特征在于，所述室内热源为散热设备，总余热量E：

E＝h_v(t_w-t_f)A

其中，h_v、对流换热表面传热系数，t_w、壁表面温度，t_f、流体温度，A、换热面积，C₀、由试验确定的第一常数，Gr、格拉晓夫数，Pr、普朗特数，n、由试验确定的第二常数，λ、流体导热系数，l、壁面定型尺寸，g、重力加速度，β、流体容积膨胀系数、ν、动力粘度，Δt、流体与壁面温度差。

3.根据权利要求2所述的通风设计方法，其特征在于，所述假定的热分层高度为h_s，室内有N个相同热源时，确定室内有效开口面积A^*：

ξ＝h_s/H

其中，H、进风口与排风口高度差，C、已知热源羽流体积流量常数，ξ、热分层无量纲高度，h_s、热分层高度，

第i个热源虚拟极点距热源上表面无量纲垂向距离，

为第i个热源虚拟极点距热源上表面垂向距离。

4.根据权利要求3所述的通风设计方法，其特征在于，所述室内自然通风量Q_E：

Q_E＝1.58NCB₀ ^1/3(h_s-z_v)^5/3

其中，N、室内热源数，B₀、热源的浮力通量，z_v、热源虚拟极点距热源上表面垂向距离，c_p、定压比热容，T₀、进风温度，ρ、空气密度。

5.根据权利要求4所述的通风设计方法，其特征在于，所述室内排风温度T_t：

其中，A^*、室内有效开口面积。

6.根据权利要求5所述的通风设计方法，其特征在于，校核工作区温度时，设工作区任意高度处空气温度为t：

t＝T₀+0.5(1+erfH^*)(T_t-T₀)

x＝z_m-h_s

其中，H^*、计算式中间参数，u、羽流主体外热分层界面上的气流垂直分速度，z_m、为房间任意高度，a、为空气导温系数，k、房间内气流速度与距热分层高度距离的比例系数，x、空间中距热分层高度的距离。

7.根据权利要求6所述的通风设计方法，其特征在于，根据工作区的高度，确定工作区的温度，当工作区的温度值小于预设温度时，确定所述目标建筑各窗孔的进风口面积与排风口面积。

8.根据权利要求3所述的通风设计方法，其特征在于，预设各窗孔的进风口面积、排风口面积与室内有效开口面积A*的关系为：

其中，c_t、出流风口的流量系数，c_b、进风口压力损失系数，a_t、各窗口的排风口面积，a_b、各窗口的进风口面积。

9.根据权利要求8所述的通风设计方法，其特征在于，各窗口的排风面积

各窗口的进风面积

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