CN112613182B - 大空间分层空调建筑内壁面吸热、放热过程的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了大空间分层空调建筑内壁面吸热、放热过程的计算方法，包括以下步骤：分层空调区墙体热工参数确定；建立墙体壁面热平衡方程；建立墙体各分层热平衡方程；墙体传热矩阵求解；分层空调区内壁面吸热放热计算结果。本发明可用于计算分层空调区内壁面吸热放热问题。基于热平衡原理，对大空间分层空调区的建筑墙体划分层，建立分层空调区建筑墙体传热矩阵，获得墙体各层动态温度分布规律，实现吸热放热过程的分析与计算。

Description

大空间分层空调建筑内壁面吸热、放热过程的计算方法
技术领域
本发明属于大空间建筑环境与节能技术领域，具体涉及大空间分层空调建筑内壁面吸热、放热过程的计算方法。
背景技术
为节约能源和改善空气品质，大空间建筑常采用分层空调。在大空间分层空调中，上部非空调区壁面温度高于下部空调区壁面温度，非空调区与空调区之间存在辐射转移热。从传热机理分析，来自非空调区的辐射转移热，先是被空调区壁面吸收，即内壁面吸热过程；导致空调区壁面温度升高，然后逐渐释放入空调区，即内壁面放热过程。分层空调区建筑内壁面吸热放热过程的计算是大空间分层空调负荷计算与节能分析的关键难点之一。
大空间分层空调建筑内壁面吸热放热过程与辐射转移热的热流密度、建筑墙体厚度、导热系数、墙体密度、比热等参数有关。一天中随着室外温度的变化，非空调区壁面温度也不断变化，非空调区对空调区的辐射转移热也不断变化，导致空调区壁面处于吸热放热的变化过程中，这为分层空调区内壁面吸热放热过程分析带来难度。
发明内容
有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供大空间分层空调建筑内壁面吸热、放热过程的计算方法，可用于计算分层空调区内壁面吸热放热问题。基于热平衡原理，对大空间分层空调区的建筑墙体划分层，建立分层空调区建筑墙体传热矩阵，获得墙体各层动态温度分布规律，实现吸热放热过程的分析与计算。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
大空间分层空调建筑内壁面吸热、放热过程的计算方法，包括以下步骤：
S1：分层空调区墙体热工参数确定：根据大空间建筑结构及分层空调特征，收集建筑墙体厚度、导热系数、墙体密度、比热等参数，收集24小时逐时壁面辐射转移热；对分层空调区建筑墙体按吸热放热方向进行分层；
S2：建立墙体壁面热平衡方程：依据分层空调区建筑壁面传热特征，分别建立建筑内壁面和建筑外壁面的热平衡方程；
S3：建立墙体各分层热平衡方程：依据分层空调区建筑墙体各分层的传热特征，建立基于差分方法的建筑墙体各分层的热平衡方程；
S4：墙体传热矩阵求解：构建分层空调区建筑墙体的吸热放热方程矩阵，并进行迭代求解计算；
S5：分层空调区内壁面吸热放热计算结果：获得分层空调区建筑内壁面吸热放热过程特征，得到建筑内壁面24小时逐时吸热放热热流。
进一步的，所述步骤S1中，在大空间分层空调中，非空区壁面对空调区壁面存在辐射转移热，选取下部空调区建筑墙体，沿墙体吸热放热方向划分层。
进一步的，所述步骤S2中，分层空调区建筑内壁面同时存在导热、对流、辐射，据此建立内壁面热平衡方程，式(1)；分层空调区建筑外壁面同时存在导热和对流，据此建立外壁面热平衡方程，式(2)：
式中：qR p+1为P+1时刻辐射热流密度，W·m-2；αn为内壁面放热系数，αw为外壁面放热系数，W·m-2℃-1；tn为分层空调区空气温度，tw为隔壁房间空气温度，℃；λ为墙体导热系数，W·m2K-1；ρ为墙体材料密度，kg·m-3；C为墙体材料比热，J·kg-1K-1；δ为划分层每层厚度；Δτ为时间间隔，h。
进一步的，所述步骤S3中，建立基于差分方法的分层空调区建筑墙体传热方程，采用向后差分的隐式差分格式：
式中：tk为第k层温度，单位为℃。
进一步的，所述步骤S4中，构建分层空调区墙体各层、内壁面、外壁面的吸热放热传热方程矩阵，并进行迭代求解计算，获得各分层24个时刻的逐时温度分布：
式中：F0＝a·Δτ/δ2＝(λ/ρc)·Δτ/δ2，A＝αn·δ/λ，B＝qp R·δ/λ，C＝αw·δ/λ。
进一步的，所述步骤S5中，依据上述计算结果，获得分层空调区建筑内壁面吸热放热过程特征，得到建筑内壁面24小时逐时吸热放热热流：qn＝αn(t1-tn) (5)；
式中：qn为内壁面放热热流，W·m-2。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的大空间分层空调建筑内壁面吸热、放热过程的计算方法，可获得分层空调区墙体各层温度分布，从而获得吸热放热计算结果，为大空间分层空调负荷计算与节能分析提供了科学依据；
(2)本发明基于热平衡原理构建墙体传热方程矩阵，从而实现吸热放热过程的计算与动态分析，可以通过改变某一参数来分析该参数对吸热放热过程的影响，从而获得其特性规律。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明大空间分层空调建筑内壁面吸热放热过程的计算流程图；
图2为本发明大空间分层空调建筑墙体划分层示意图；
图3为本发明大空间分层空调墙体24个时刻各层温度分布图；
图4为本发明大空间分层空调建筑24个时刻内壁面吸热放热图；
具体实施方式
下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
大空间分层空调建筑内壁面吸热、放热过程的计算方法，包括以下步骤：
S1：分层空调区墙体热工参数确定：根据大空间建筑结构及分层空调特征，收集建筑墙体厚度、导热系数、墙体密度、比热等参数，收集24小时逐时壁面辐射转移热；对分层空调区建筑墙体按吸热放热方向进行分层；
S2：建立墙体壁面热平衡方程：依据分层空调区建筑壁面传热特征，分别建立建筑内壁面和建筑外壁面的热平衡方程；分层空调区建筑内壁面同时存在导热、对流、辐射，据此建立内壁面热平衡方程；分层空调区建筑外壁面同时存在导热和对流，据此建立外壁面热平衡方程；
S3：建立墙体各分层热平衡方程：依据分层空调区建筑墙体各分层的传热特征，建立基于差分方法的建筑墙体各分层的热平衡方程；
S4：墙体传热矩阵求解：构建分层空调区建筑墙体的吸热放热方程矩阵，并进行迭代求解计算；
S5：分层空调区内壁面吸热放热计算结果：获得分层空调区建筑内壁面吸热放热过程特征，得到建筑内壁面24小时逐时吸热放热热流。
进一步的，所述步骤S1中，在大空间分层空调中，非空区壁面对空调区壁面存在辐射转移热，选取下部空调区建筑墙体，沿墙体吸热放热方向划分层。
进一步的，所述步骤S2中，分层空调区建筑内壁面同时存在导热、对流、辐射，据此建立内壁面热平衡方程，式(1)；分层空调区建筑外壁面同时存在导热和对流，据此建立外壁面热平衡方程，式(2)：
式中：qR p+1为P+1时刻辐射热流密度，W·m-2；αn为内壁面放热系数，αw为外壁面放热系数，W·m-2℃-1；tn为分层空调区空气温度，tw为隔壁房间空气温度，℃；λ为墙体导热系数，W·m2K-1；ρ为墙体材料密度，kg·m-3；C为墙体材料比热，J·kg-1K-1；δ为划分层每层厚度；Δτ为时间间隔，h。
进一步的，所述步骤S3中，建立基于差分方法的分层空调区建筑墙体传热方程，采用向后差分的隐式差分格式，从而保证计算结果的稳定性；采用向后差分的隐式差分格式：
式中：tk为第k层温度，单位为℃。
进一步的，所述步骤S4中，构建分层空调区墙体各层、内壁面、外壁面的吸热放热传热方程矩阵，并进行迭代求解计算，获得各分层24个时刻的逐时温度分布：
式中：F0＝a·Δτ/δ2＝(λ/ρc)·Δτ/δ2，A＝αn·δ/λ，B＝qp R·δ/λ，C＝αw·δ/λ。
进一步的，所述步骤S5中，依据上述计算结果，获得分层空调区建筑内壁面吸热放热过程特征，得到建筑内壁面24小时逐时吸热放热热流：qn＝αn(t1-tn) (5)；
式中：qn为内壁面放热热流，W·m-2。
针对上述步骤，本实施例中具体进行说明：
进一步的，某大空间建筑结构为20m(长)×14m(宽)×12m(高)，分层空调高度为4.8m。以ASHRAE材料数据库中M12作为大空间建筑楼板材料，其厚度为203.2mm，导热系数为0.534W·m2K-1，密度为1281.44kg·m-3，比热为837J·kg-1K-1。假定大空间分层空调的建筑楼板接受的24个时刻逐时辐射转移热及辐射热流密度，如表1所示，以此，描述该大空间分层空调楼板吸热放热过程的计算方法，流程如图1所示。
表1：该大空间建筑分层空调24个时刻逐时辐射转移热及辐射热流密度表
进一步的，建筑楼板M12厚度为203.2mm，将其划分为10层，每层20.32mm，如图2所示。依据建筑壁面的传热特性，建立壁面热平衡方程。内壁面存在导热、对流和辐射，其壁面热平衡方程如式(1)所示；外壁面没有辐射热，壁面存在导热和对流，其壁面热平衡方程如式(2)所示：
式中：αn和αw两者均取8.72W·m-2℃-1；tn取25℃；tw取26℃；δ为划分层厚度，本实施例中为20.32mm；Δτ为时间间隔，取1小时。
进一步的，除去建筑内表面和建筑外表面，中间有8个分层，其均仅存在导热传热。以第k层为例，构建基于差分方法的建筑墙体传热方程，如式(3)所示：
进一步的，对于实施例的大空间建筑楼板，分层空调区建筑楼板共划分为10层，构建墙体吸热放热的传热方程矩阵，共有10个方程，为10×10矩阵，如式(4)所示。通过迭代求解方式对式(4)进行运算，可得楼板10个分层24个时刻的逐时温度，如图3所示。采用循环迭代方法对该传热矩阵进行求解，当|tk p+1-tk p|≤0.001时，迭代停止，输出计算结果：
进一步的，由上述传热矩阵求解结果可获得楼板10个分层24个时刻的逐时温度，进而由式(5)计算内壁面24个时刻逐时放热热流，获得大空间分层空调建筑内壁面吸热放热过程结果，如图4所示：qn＝αn(t1-tn) (5)；
在大空间分层空调中，非空调区对空调区存在辐射转移热，由24时刻逐时辐射转移热，结合建筑墙体热工参数，可由本发明计算内壁面吸热放热过程，本发明为大空间分层空调负荷计算与节能分析提供了科学依据。
综上所述，本发明的大空间分层空调建筑内壁面吸热、放热过程的计算方法，可获得分层空调区墙体各层温度分布，从而获得吸热放热计算结果，为大空间分层空调负荷计算与节能分析提供了科学依据；本发明基于热平衡原理构建墙体传热方程矩阵，从而实现吸热放热过程的计算与动态分析，可以通过改变某一参数来分析该参数对吸热放热过程的影响，从而获得其特性规律。
以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.大空间分层空调建筑内壁面吸热、放热过程的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：分层空调区墙体热工参数确定：根据大空间建筑结构及分层空调特征，收集建筑墙体厚度、导热系数、墙体密度、比热参数，收集24小时逐时壁面辐射转移热；对分层空调区建筑墙体按吸热放热方向进行分层；
S2：建立墙体壁面热平衡方程：依据分层空调区建筑壁面传热特征，分别建立建筑内壁面和建筑外壁面的热平衡方程；
所述步骤S2中，分层空调区建筑内壁面同时存在导热、对流、辐射，据此建立内壁面热平衡方程，式(1)；分层空调区建筑外壁面同时存在导热和对流，据此建立外壁面热平衡方程，式(2)：
式中：qR p+1为P+1时刻辐射热流密度，W·m-2；αn为内壁面放热系数，αw为外壁面放热系数，W·m-2℃-1；tn为分层空调区空气温度，tw为隔壁房间空气温度，℃；λ为墙体导热系数，W·m2K-1；ρ为墙体材料密度，kg·m-3；C为墙体材料比热，J·kg-1K-1；δ为划分层每层厚度；Δτ为时间间隔，h；
S3：建立墙体各分层热平衡方程：依据分层空调区建筑墙体各分层的传热特征，建立基于差分方法的建筑墙体各分层的热平衡方程；
所述步骤S3中，建立基于差分方法的分层空调区建筑墙体传热方程，采用向后差分的隐式差分格式：
式中：tk为第k层温度，单位为℃；
S4：墙体传热矩阵求解：构建分层空调区建筑墙体的吸热放热方程矩阵，并进行迭代求解计算；
所述步骤S4中，构建分层空调区墙体各层、内壁面、外壁面的吸热放热传热方程矩阵，并进行迭代求解计算，获得各分层24个时刻的逐时温度分布：
式中：F0＝a·Δτ/δ2＝(λ/ρc)·Δτ/δ2，A＝αn·δ/λ，B＝qp R·δ/λ，C＝αw·δ/λ；
S5：分层空调区内壁面吸热放热计算结果：获得分层空调区建筑内壁面吸热放热过程特征，得到建筑内壁面24小时逐时吸热放热热流。
2.根据权利要求1所述的大空间分层空调建筑内壁面吸热、放热过程的计算方法，其特征在于：所述步骤S1中，在大空间分层空调中，非空区壁面对空调区壁面存在辐射转移热，选取下部空调区建筑墙体，沿墙体吸热放热方向划分层。
3.根据权利要求1所述的大空间分层空调建筑内壁面吸热、放热过程的计算方法，其特征在于：所述步骤S5中，依据上述计算结果，获得分层空调区建筑内壁面吸热放热过程特征，得到建筑内壁面24小时逐时吸热放热热流：
qn＝αn(t1-tn) (5)；
式中：qn为内壁面放热热流，W·m-2。
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