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 14 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
下送风环境下夏季室内垂直温度分布特性的研究
2
算还不成熟。本文采用实验和理论两种方法研究大空间室内垂直温度分布的特性。
§1.2 大空间建筑下送风环境下室内热环境研究现状
§1.2.1 下送风空调发展与应用概况
本课题主要研究大空间建筑室内下送风空调下室内热环境，有别于置换通风
系统，下送风空调系统中送风方式为下部送风，而置换通风系统的送风可以是下
送风方式也可以是上送风方式，其气流组织形式多样化。置换通风系统中室内空
气通过置换不断补充新风，系统中不设回风系统，而下送风空调系统中可以设回
风系统。下送风空调与置换通风下的室内热环境的特点类似，所以本文中通过置
换通风系统下室内热环境的研究方法来研究下送风空调系统下的室内热环境。
在二十世纪七十年代末，置换通风系统首先发展于北欧，德国柏林一个铸造
车间在1978年首次使用了置换通风系统装置[2]。而后于二十世纪八十年代中，置换
式通风方式被用于办公室等商业建筑中。二十世纪九十年代后，Hakon Skisad对空
调末端设备产品技术从理论到实践做了系统的归纳整理[3]。国外如瑞士、德国等国
家的专业研究人员通过实验测试和理论分析的方法，对置换通风的空气质量和热
舒适性方面进行了细致的研究。在研究基础上配合相应的空气处理设备和控制手
段，将置换通风系统安装到部分办公室和会议室中，并取得了理想的效果。二十
世纪九十年代初，日本和美国开始关注置换通风这种空调形式，目的是改善室内
空气品质，并结合各自建筑特点，通过实验与数值模拟等方法展开相应研究，进
一步完善了置换通风方式中各项技术。国外研究人员已经对置换式通风系统做了
大量研究：挪威的SINTEF(The Foundation for Industrial and Technical Rresearch at
the Norwegian Institute of Technology)通过现场实测和模拟计算相结合的方法对置
换通风和混合通风下的气流速度和能效进行对比分析，分析结果表明在相同的空
调环境下，置换通风的送风量比混合通风下的减小了65-75%[4]；法国第三大国立
LET实验室在法国电力(EDF)的出资支持下对置换通风空调系统进行全面且系统的
研究。其建立的置换式通风实验台，主要研究送风量、热气流的流量和热气流的
温度等相关影响因素对置换通风系统的影响，并对此进行了细致研究和系统计算
机仿真，为置换通风系统的合理设计提供依据。现在置换通风空调系统已广泛应
用于工业建筑、民用建筑和公共建筑中，北欧的一些国家50%的工业通风系统和
25%的办公通风系统均采用置换通风空调系统。
国内对置换式通风系统的研究以及应用起步较晚，但是目前国内学者们对置
换通风系统中有关问题也已经做了很多的研究和讨论。同济大学建立了气流实验
第一章 绪论
3
室对置换通风系统种气流特性进行了实验研究[5]，同时开展置换通风空调系统的应
用研究，并与企业合作开发了具有国际先进水平的“置换通风装置系列产品”。东
华大学也多次参与法国LET实验室关于置换通风系统干扰因素的实验研究，倪波博
士对置换通风空调系统中的温度场等方面做了一定的研究[1,6]。华中科技大学的张
俊梅[7]、沈国民等学者通过研究，总结出CFD技术在研究置换通风系统方面的进展，
通过理论研究，提出了置换通风系统各项设计参数的确定方法，使设计的置换通
风空调系统既能保证室内较高的空气品质，又能防止出现吹风感、垂直温差过大
等现象。天津大学的朱能[8]、刘珊提出置换通风与冷却顶板结合的新型空调方式，
并对这种空调方式下各种参数对人体热舒适性的影响进行分析，提出基于人体热
舒适性要求最合适的设计参数值，并通过研究知置换通风与冷却顶板结合的新型
系统的适用性较广。
置换通风空调系统在国内也已应用于一些实际工程方面，上海大剧院就同时
采用了座椅下送风的置换通风和楼层局部诱导送风和包厢的局部上送风的送风体
系；上海松江Tiger Park公司的塑料制袋生产厂采用置换通风空调系统方式，为了
不影响车间的有效使用面积，置换通风设备均设在两侧墙离地约2.2m处，而空调
设备就设在车间内的平台上，回风直接回到空调设备的回风口处，在吹塑工段顶
部另设有排风机，将热量及污浊空气外排；南京爱立信通讯有限公司江宁厂房采
用了落地风口送风的置换通风空调系统，该系统投入使用以来，业主已经感觉到
该系统所提供的良好空气品质以及较高的通风效率，在节能方面也取得了令人满
意的效果；由上海轻工业设计研究院所设计的几个大型造纸厂(如常熟亚太纸业公
司、金红叶纸厂)造纸车间的补风均使用了置换通风空调末端装置，部分装置结合
土建侧墙设置，部分设置在车间一定高度上以节省车间的生产面积。
§1.2.2 下送风空调室内热环境研究现状
大空间建筑中置换送风系统下的室内热环境的研究主要借助于理论分析、实
验研究和数值模拟等方法。目前，对置换通风下的室内热环境研究主要包括室内
的垂直温度分布、热力分层、热源对热环境的影响、末端设备的气流流动特性等。
斯洛伐克的 Barbora Halvoova 通过实验的方法，对置换通风与个性通风相结合
的送风方式与单独的置换通风方式下室内有人员走动时的气流分布进行现场实
测，人员走动时，室内地板附近干净的冷气流与上部污浊的热气流混合，扰乱了
置换通风的气流分层，从而导致空气品质的下降，通过比较分析知置换通风与个
性通风相结合的方式下的空气品质高于单独的置换通风方式下的空气品质[9]。英国
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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