下送风环境下夏季室内垂直温度分布特性的研究

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3.0 陈辉 2024-11-20 10 4 1.63MB 78 页 15积分
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I
摘 要
随着人们对室内环境空气品质的要求逐渐提高，建筑空调能耗与日俱增，对
大空间建筑而言，室内空调系统气流组织的合理设计对能源的有效利用具有重要
的意义。大空间建筑的高度远高于人员活动区域的高度，为避免不必要的空调能
耗，在夏季工况下，往往采用分层空调来实现室内垂直温度的分层，使建筑下部
人员活动区域的热环境满足人体热舒适性的要求，建筑上部区域则不属于空气调
节的范围。下送风空调方式能够形成空气温度的热力分层，通过合理的气流组织
设计可以改善室内人员活动区域的环境热舒适性并降低空调能耗，目前对大空间
下送风环境下室内热环境的研究是建筑环境与空调设计中一个重要的研究方向。
大空间建筑室内空气垂直温度梯度是表征大空间室内热环境特性的重要指
标。本文采用实验与模型计算相结合的方法，研究了大空间建筑在下送风空调方
式下室内空气垂直温度和壁面垂直温度分布特性。
本课题对大空间建筑在下送风空调环境下室内垂直温度分布和壁面垂直温度
分布进行了夏季工况的实测研究，测试内容包括不同影响因素（室外温度、送风
量、室内热源、气流组织方式）作用下的室内空气垂直温度分布、壁面垂直温度
分布； 实验结果表明，在单一影响因素下，室内垂直温度分布变化规律基本一致，
可将室内空气温度在垂直方向上分为人员活动区、回风区和空气滞留区；送回风
温差对回风口高度 4.5m 以下区域有较明显的影响，送风量的大小对下部区域的影
响较为明显，而屋顶温度和屋顶附近的空气温度受室外参数的影响较大；对各影
响因素下室内不同高度处的温度进行多元线性回归分析，结果表明各影响因素与
室内各高度处的空气温度之间有很明显的线性关系。
以目前大空间建筑室内空气温度和壁面温度分步求解模型为基础，建立室内
空气温度和壁面温度同步求解模型，对实验工况下的室内空气垂直温度和壁面垂
直温度进行了理论计算和验证，计算结果和实测值吻合良好，垂直空气温度与壁
面温度的计算结果与实测结果最大误差不超过±10%；在此基础上进行了变工况（不
同围护结构传热系数、不同室外温度、不同送风量）计算，围护结构传热系数的
变化对建筑上部区域空气温度的影响相对较大，室外温度对建筑上部区域空气温
度和上部内壁面温度的影响相对较大。
本文对大空间建筑室内空气温度和壁面温度的特性研究对气流组织的合理设
计、空调负荷准确计算有很重要的作用。
关键词：大空间建筑 下送风 垂直温度分布特性 同步求解模型
II
ABSTRACT
Energy consumption of building is increasing as indoor air quality requirement
gradually increasing. Reasonable design and application of air conditioning are of great
significance for sustainable development of energy. As the height of the large space
building is far higher than the height of the occupied zone. In summer, the indoor
vertical temperature should be stratified to meet the air quality requirement in the
occupied zone and save energy. The thermal environment on low sidewall air supplies
meets with these characteristics. The indoor air quality can be improved in the occupied
zone and the energy consumption can be reduced through reasonable design on low
sidewall air supply, and it is a main direction of studying of the thermal environment
and air conditioning design on low sidewall air supply in large space building.
The indoor vertical temperature distribution is the characteristic parameter of
indoor thermal environment in a large space building. In this paper, experimental and
mathematical model are used to study indoor vertical temperature distribution on low
sidewall air supply in large space building.
Indoor vertical temperature distributions were experimentally studied in a large
space building in summer. The main test objects were indoor vertical temperature and
wall vertical temperature distributions under different factors, such as outdoor
meteorological parameters, supply air volume, indoor heat source and air flow mode.
The results of experiment showed that there was similar trend of indoor vertical
temperature distributions under different factors, and the vertical temperature
distribution was divided into three sections: the lower zone, the central zone and the
upper zone. Temperature in the zone at the height below 4.5m was impacted greatly by
the temperature difference between supply air and return air. Supply air volume had
great impact on temperature in the occupied zone, while the ceiling temperature and the
air temperature near the ceiling were impacted mainly by outdoor meteorological
parameters. Linear regression analysis was used for air temperatures at different heights
under different factors, the results showed that factors and indoor air temperature at
different heights has linear relationship obviously.
Synchronous calculating model was established to calculate the indoor air
III
temperature and wall temperature, and Synchronous calculating model is used to
calculate the indoor air temperature and wall temperatures based on the experiment
cases. The results of calculation and experiment were in good agreement, the error
between them was no more than ±10%. And synchronous calculating model was used
to calculate temperatures on different factors on low sidewall air supply in the large
space building, such as wall heat transfer coefficient, outdoor temperature, indoor heat
source and supply air volume. They showed the wall heat transfer coefficient had
greater impact on the air temperature of the upper zone, that outdoor temperature had
greater impact on thermal environment and wall temperature in the upper zone.
It is of great significance to study on the characteristics of air and wall temperature
vertical distributions for reasonable design of airflow distribution and accurate
calculation of air-conditioning load.
Key words: Large space building, Low sidewall air supply,
Vertical temperature grad, Synchronous calculating mode
IV
目录
中文摘要
ABSTRACT
摘 要 ...............................................................................................................................1
ABSTRACT ......................................................................................................................2
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题的提出及其研究意义 ..............................................................................1
§1.2 大空间建筑下送风环境下室内热环境研究现状 ..........................................2
§1.2.1 下送风空调发展与应用概况 ...............................................................2
§1.2.2 下送风空调室内热环境研究现状 .......................................................3
§1.2.3 BLOCK 模型发展概况 ......................................................................... 5
§1.3 本课题的主要研究内容 ..................................................................................6
第二章 大空间建筑室内垂直温度分布特性实验研究 .................................................7
§2.1 实验概况 ..........................................................................................................7
§2.1.1 实验目的及实验对象 ...........................................................................7
§2.1.2 测点布置方案 .......................................................................................8
§2.1.3 实验方案及实验工况 .........................................................................12
§2.1.4 温湿度测试仪标定实验 .....................................................................14
§2.2 室内空气温度分布特性实验结果及其相关性分析 ....................................17
§2.2.1 室内空气温度分布测定结果及分析 .................................................17
§2.2.2 相关性分析方法 .................................................................................23
§2.2.3 相关性分析结果及比较 .....................................................................25
§2.2.4 多元线性回归分析 .............................................................................27
§2.3 壁面温度分布实验结果及分析 ....................................................................29
§2.4 小结 ................................................................................................................31
第三章 垂直空气温度与壁面温度同步求解模型的建立与求解方法 .......................33
§3.1 同步求解模型的提出 ....................................................................................33
§3.2 同步求解模型各子模型的建立 ....................................................................34
§3.2.1 物理模型的建立 .................................................................................34
§3.2.2 壁面流模型 .........................................................................................35
§3.2.3 区域热质模型 .....................................................................................38
§3.2.4 主流区域模型 .....................................................................................39
§3.2.5 多区壁面换热模型 .............................................................................41
V
§3.3 同步求解数学模型 ........................................................................................47
§3.4 求解流程及方法 ............................................................................................49
§3.5 小结 ................................................................................................................51
第四章 同步求解模型验证及其应用 ...........................................................................52
§4.1 同步求解模型验证 ................................................................................52
§4.1.1 用于验证的实验工况确定 .................................................................52
§4.1.2 计算参数确定 .....................................................................................53
§4.1.3 同步求解模型验证 .............................................................................54
§4.2 基于同步求解模型的垂直温度分布特性研究 ............................................57
§4.2.1 变工况计算参数的确定 .....................................................................57
§4.2.1 垂直温度分布特性计算结果及分析 .................................................58
§4.3 小结 ................................................................................................................61
第五章 结论及展望 .......................................................................................................62
§5.1 结论 ................................................................................................................62
§5.2 展望 ................................................................................................................63
参考文献 .........................................................................................................................65
附录 1角系数计算结果 ................................................................................................68
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................74
致 谢 ...............................................................................................................................75
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题的提出及其研究意义
近年来，大空间建筑的应用越来越广泛，大空间建筑空间范围大，建筑高度
高，普通体育馆、音乐厅、剧场的高度一般为 10-20m，而高层建筑的中庭高度经
常达 100m 以上，空气密度差会造成大空间室内较大的上热下冷的垂直温度梯度。
在夏季工况下，为了满足人体热舒适性的要求，同时避免不必要的空调能耗，往
往采用分层空调对大空间下部的人体活动区域进行空气调节，建筑上部的非空调
区则不属于空气调节的范围。大空间建筑室内垂直温度分布是表征室内热环境特
性的重要指标，因此，研究大空间室内垂直温度分布的特性对合理的气流组织设
计有重要的意义。
为了创造更加舒适且节能的室内环境，下送风空调方式越来越多地应用到大
空间建筑中。下送风空调形式供冷风只送到人员活动区，满足人员对环境热舒适
性与空气品质的要求，利用空气密度差在室内形成自下而上的通风气流。室内下
部冷空气受热源上升气流的卷吸作用、后续新风的推动作用及上部排风口的抽吸
作用而缓慢上升，上升过程中与周围空气进行换热，从而建筑上部非空调区域的
温度明显高于下部空调区域，垂直温度分层现象明显。这种下送风空调系统更好
地利用了空气密度热轻冷重的自然特性和部分污染物自身的浮升特性，通过自然
对流运动达到对人员活动区域空气调节的目的，下送风空调系统的层状特点，将
余热和部分污染物锁定于人员活动区域之上，使人的活动区保持了较好的空气品
质。置换通风房间在垂直方向上存在温度梯度，形成了脚寒头暖的现象，与人的
正常生理规律相悖，因此在置换通风系统的设计时就要求保证头脚温差不超过人
体所容许的程度。但由于置换通风空调气流方式的独特性和大空间建筑本身受到
多方面因素干扰，其最大难点仍然是难于准确有效地预测室内气流的流动情况，
无法在设计阶段预知室内空气温度分布，从而很难得到较为合理的设计。
下送风条件下的室内垂直温度分布受诸多因素影响：送风装置、送风量、室
外气象条件、气流组织形式、室内热源等。目前对小空间内下送风环境下室内热
环境影响因素的研究较多，鲜见于大空间内的研究，文献 1研究表明处于房间下
部的热源，随着高度的增加，热源对空气温度的影响越小，到房间顶部，空气温
度比较均匀[1]。研究大空间建筑中室内空气垂直温度和壁面垂直温度分布特性对于
室内负荷计算有重要的意义，目前对于大空间室内空气温度和壁面温度的理论计
摘要：

I摘要随着人们对室内环境空气品质的要求逐渐提高，建筑空调能耗与日俱增，对大空间建筑而言，室内空调系统气流组织的合理设计对能源的有效利用具有重要的意义。大空间建筑的高度远高于人员活动区域的高度，为避免不必要的空调能耗，在夏季工况下，往往采用分层空调来实现室内垂直温度的分层，使建筑下部人员活动区域的热环境满足人体热舒适性的要求，建筑上部区域则不属于空气调节的范围。下送风空调方式能够形成空气温度的热力分层，通过合理的气流组织设计可以改善室内人员活动区域的环境热舒适性并降低空调能耗，目前对大空间下送风环境下室内热环境的研究是建筑环境与空调设计中一个重要的研究方向。大空间建筑室内空气垂直温度梯度是表征大...

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