基于缩尺模型的大空间下送风室内热环境及对流热转移负荷研究 pdf

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3.0 侯斌 2025-01-09 5 4 4.7MB 85 页 15积分

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摘要

随着国民经济的发展以及建筑技术的进步，国民对物质、文化生活均有了更

高的追求，因而体育馆、商场等大空间公共建筑、高大厂房等越来越多，其建筑

形式上也越来越多样。由于大空间建筑的特殊性，采用分层空调是较为经济合理

的选择。

大空间建筑分层空调的气流组织、室内热环境、空调负荷的研究，是大空间

分层空调研究中最重要的三个部分。其中气流组织和室内热环境对人员舒适度等

具有很大的影响，已引起国内外学者的广泛关注。大空间建筑的负荷计算对于设

备选用以及建筑节能具有非常重要的作用，目前国内大部分大空间建筑都采用喷

口送风的气流组织形式，设计规范中的计算方法也多是针对喷口送风，对于近年

来应用逐渐广泛的下送中回分层空调，其负荷计算方法在研究领域中尚未引起足

够的重视，更需要广泛、深入的研究。大空间室内热环境与其室内冷负荷之间有

着密不可分的联系，现有的文献中缺乏二者结合的研究，本文采用理论与实验结

合的方式，对大空间下送中回空调形式下的热环境及其对流热转移负荷进行研

究。

本文以上海理工大学大空间室内热环境实验基地为研究对象，通过应用相似

原理，设计并搭建空气缩尺模型实验台，进行缩尺模型与原型室内热环境对照实验、

室内热环境及对流热转移负荷实验；针对与实际大空间下送中回建筑热环境现场

实测对照的缩尺模型实验结果，分析模型实验与实际建筑实测结果的吻合度与模

型实验各相似比例尺等主要因素的影响特点，提出大空间下送中回缩尺模型实验

工况设计的建议；根据缩尺模型热环境实验结果，分析大空间下送中回分层空调室

内热环境的特征，为下送中回分层空调设计提供一定的依据；以空调区和非空调区

空气热平衡为基础，结合课题组对回风口风量占比的研究，建立大空间建筑下送中

回分层空调对流热转移负荷计算方法，并针对缩尺模型对象，用模型实验结果进行

验证。利用论文提出的计算方法，针对研究对象，研究大空间建筑下送中回分层空

调对流热转移负荷特性。

本文通过理论和实验研究，得出以下结论：大空间建筑下送中回缩尺模型实验

的设计需要以阿基米德数 Ar 为主要准则数，同时应在条件允许的情况下尽量在 Re

自模区内接近原型的雷诺数 Re，Re 数越接近原型，模型实验室内热环境越接近原

型室内热环境。只考虑 Ar 数和仅要求 Re 数在自模区的方法会造成较大偏差。在

假定屋顶热量占室内总负荷 45%时，模型空调区的室内热环境与原型接近程度好

于非空调区的接近程度。在假定屋顶热量占室内总负荷的 75%时，模型非空调区

的垂直温度梯度更接近原型。大空间下送中回分层空调室内热环境垂直方向上可

以分为三段，即送风区，回风区与热滞留区。其中不同工况下，回风区的无量纲温

度梯度变化很小，送风区无量纲温度梯度变化次之，热滞留区的无量纲温度梯度则

变化较大。以往进行大空间分层空调设计时参考的《实用供热空调设计手册》中对

于大空间建筑分层空调负荷的计算方法对于下送中回形式的分层空调并不适用，

文中提出的基于分区热平衡及回风占比的对流热转移负荷计算方法可以计算空调

区、非空调区特征温度，以及房间的对流热转移负荷。其中空调区特征温度与实测

空调区垂直温度平均值之间的误差在 8%以内，非空调区特征温度与实测非空调区

垂直温度平均值之间的误差也在 8%以内。对流热转移负荷计算值与实验值之间的

误差大部分在 15%以内，认为其可以用于计算大空间下送中回分层空调缩尺模型

的对流热转移负荷计算。大空间建筑下送中回分层空调的室内热环境、空调总负荷、

对流热转移负荷受送风参数和室外参数的共同作用，在室外参数一定的情况下，可

以通过文中总结的规律调整送风参数使得室内热环境达到期望值。

关键词：大空间分层空调下送中回缩尺模型热环境对流热

转移负荷

III

ABSTRACT

With the progress of national economics and architectural technology, Chinese

residents have developed higher taste for material and culture, thus leading to a larger

number of large space buildings such as factories and shopping malls with a wider range

of styles. Due to the specialty of the geometry, it is economical to equip large space

buildings with stratified air conditioning systems.

The air distribution, thermal environment and the space cooling load are the three

most important issues in the research field of stratified air conditioning systems. Among

the three issues, air distribution and thermal environment have distinct influence on the

comfort of people, and have caught the attention of many researchers at home and aboard.

On the other hand, the space cooling load of large space building is key to equipment

selection and building energy saving. Because most large space buildings in China are

equipped with nozzles to supply air, and the calculation methods of space load are targeted

for this kind of stratified air conditioning system. When it comes to the stratified air

conditioning system with low-sidewall air supply and middle air return, the space load

calculation method is lack of attention, and wider and deeper research is long overdue.

The space cooling load is strongly associated with the thermal environment of large space

building, but there is still absence of the combination of the two aspects in existent

researches. This paper studies the thermal environment and the convective heat transfer

of the stratified air conditioning system with low-sidewall air supply and middle air return

in both theoretical and experimental aspects.

This paper took the similarity theory as guide, designed and built a reduced-scale

model based on the large space experimental site in University of Shanghai for Science

and Technology. The thermal environment contrast experiments between the model and

the prototype have been conducted in the model. The thermal environment and convective

heat transfer experiments have also been conducted. Based on the results of the contrast

experiments, the coincidence between the model and the prototype have been analyzed,

and the influence of the scale ratios are explored. The suggestions of the model

experiment design have been proposed based on the analysis. The characteristics of the

thermal environment of the stratified air conditioning system with low-sidewall air supply

and middle air return are analyzed based on the thermal environment experiment results.

A convective heat transfer calculation method has been built on the thermal equilibrium

of the air conditioned zone and non-air-conditioned zone, and the air return volume ratio

calculation method which was explored by another researcher in the research group

previously. The calculation method is validated by the experiments conducted in the

model. Using the calculation method, this paper has also probed into the characteristics

of the convective heat transfer of the stratified air conditioning system with low-sidewall

air supply and middle air return.

With theoretical and experimental research, some conclusions have been achieved.

First, Ar number should be regarded as the dominant principle number when designing

the model experiment for large space building with low-sidewall air supply and middle

air return, and Re number of the model experiment should be as close to the prototype

experiment as possible when it is in the self-similarity zone. The less the difference of the

Re number, the better coincidence of the thermal environment. When Ar numbers are

made the same in model and the prototype, and the Re numbers are only kept in self-

similarity zone, the thermal environment of the model will deviate from the prototype to

some extent. Second, when the heat volume of the roof accounts for 45% of the total heat

volume of the room, the thermal environment of air-conditioned zone in the model is

closer to the prototype than that in the non-air-conditioned zone. While when the heat

volume of the roof accounts for 75% of the total heat volume of the room, the vertical

temperature distribution is closer to the prototype. Third, the thermal environment of the

stratified air conditioned room can be divided into three parts vertically, namely air supply

zone, air return zone and heat stagnant zone. Under different experiment conditions, the

dimensionless temperature gradient varies in a small range in the air return zone, while it

varies in a larger range in the air supply zone, in the largest range in the heat stagnant

zone. Forth, the space cooling load calculation method proposed in the handbook is not

suitable for the stratified air conditioned room with low-sidewall air supply and middle

air return, and the method proposed in this paper which based on the zonal heat

equilibrium and air return volume ratio can be used to calculate the temperatures of the

air-conditioned zone, non-air-conditioned zone, and the convective heat transfer in this

kind of building. The calculated temperature of the air-conditioned zone has a deviation

less than 8% to the experimental vertical temperature average value, the temperature

deviation of the non-air-conditioned zone is less than 8% as well. The calculated

convective heat transfer has a deviation less than 15% to the experimental data in most

experimental conditions, thus the method is regarded suitable for the reduced-scale model

of the large space building with this kind of stratified air conditioning system. Fifth, the

thermal environment, space cooling load, convective heat transfer are subjected to the

supply air parameters and the outdoor climate parameters. When the outdoor climate

parameters are identified, thermal environment can be controlled as expected according

to the pattern described in the paper.

Key Word: large space, stratified air conditioning system, low-sidewall

air supply and middle air return, reduced-scale model,

thermal environment, convective heat transfer

摘要 ............................................................................................................................... I

ABSTRACT ................................................................................................................... III

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

1.1 课题研究背景及意义 ........................................................................................... 1

1.2 国内外研究现状 ................................................................................................... 2

1.2.1 模型实验在室内热环境中的应用 ................................................................. 2

1.2.2 置换通风及下送风室内热环境研究 ............................................................. 4

1.2.3 大空间建筑分层空调负荷计算研究 ............................................................. 6

1.3 本文主要研究内容 ................................................................................................ 8

第二章热环境缩尺模型实验台简介及缩尺比例确定 .............................................. 10

2.1 相似原理在下送中回分层空调室内热环境中的应用 ..................................... 10

2.1.1 相似原理的演绎过程及其应用 ................................................................... 10

2.1.2 大空间下送中回缩尺模型对流传热微分方程及相似准则数的推导 ....... 11

2.1.3 下送中回分层空调房间缩尺模型各比例尺的确定方法 ........................... 15

2.2 缩尺模型实验台缩尺比例设计计算 ................................................................. 16

2.2.1 大空间实验基地简介 ................................................................................... 16

2.2.2 缩尺模型实验台各比例尺关联及其计算 ................................................... 17

2.3 实验台测试系统概况及仪器标定 ..................................................................... 20

2.3.1 实验台测试系统概况 ................................................................................... 20

2.3.2 温度传感器标定 ........................................................................................... 23

第三章缩尺模型下送中回室内热环境实验研究 ...................................................... 25

3.1 实验方案 ............................................................................................................. 25

3.1.1 实验测点布置 ............................................................................................... 25

3.1.2 缩尺模型实验工况设计 ............................................................................... 30

3.2 预实验及其结果分析 ......................................................................................... 35

3.2.1 壁面温度及热流密度代表测点的预实验研究 ........................................... 35

3.2.2 实验室风量与热量平衡预实验 ................................................................... 38

3.3 原型与模型热环境对比实验 ............................................................................. 39

3.3.1 室内垂直温度对比分析 ............................................................................... 39

3.3.2 下送中回缩尺模型实验缺陷分析 ............................................................... 44

3.4 模型实验热环境结果及其对流热转移负荷量分析 ......................................... 45

3.4.1 不同因素影响时垂直温度分布分析 ........................................................... 45

3.4.2 无因次垂直温度分布特性分析 .................................................................... 46

3.4.3 置换通风（地板送风顶回）与下送中回（侧下送）热环境比较分析 ... 48

3.4.4 下送中回缩尺模型对流热转移负荷实验原理及实验结果分析 ................ 49

第四章下送中回分层空调对流热转移负荷理论与实验研究 .................................. 51

4.1 全室空调与分层空调负荷分析 ......................................................................... 51

4.2 传统大空间对流转移负荷计算方法及其存在的问题 ..................................... 53

4.2.1 《实用供热空调设计手册》中的大空间负荷计算方法 ........................... 53

4.2.2 现有对流热转移负荷计算方法的分析及其不足 ....................................... 56

4.3 下送中回分层空调对流热转移负荷计算新方法 ............................................. 58

4.3.1 大空间建筑下送中回对流热转移负荷稳态模型的建立 ........................... 58

4.3.2 缩尺模型对流热转移负荷理论模型的验证 ............................................... 60

4.4 下送中回分层空调室内热环境及负荷特性 ..................................................... 62

4.4.1 下送中回分层空调室内热环境、负荷随送风温度变化特性 ................... 62

4.4.2 下送中回分层空调室内热环境、负荷随送风量变化特性 ....................... 64

第五章结论与展望 ...................................................................................................... 68

5.1 结论 ..................................................................................................................... 68

5.2 展望 ..................................................................................................................... 69

参考文献 ........................................................................................................................ 70

附录 1 ............................................................................................................................. 74

附录 2 ............................................................................................................................. 77

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 79

致谢 ................................................................................................................................ 80

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着国民经济的发展以及建筑技术的进步，国民对物质、文化生活均有了更高

的追求。特别是上海国际大都市国际交流频繁，各种大空间公共建筑越来越多，因

技术发展需要的高大厂房也越来越多，大空间形式上也趋于多样化[1]。由于大空间

建筑的特殊性，其空调形式多为分层空调。分层空调是指仅对高大空间的下部区域

进行空气调节，而对上部区域不要求空气调节的空调方式[2]。根据文献[2]，分层空

调与全室空调相比，夏季可以节省 30%左右的冷量，因而对于工作区只占整个空

间高度一半甚至更少的高大建筑，采用分层空调既能保证人员活动区域环境的舒

适性和优良的空气品质，同时又是较为经济合理的选择。

大空间建筑分层空调的气流组织、室内热环境以及空调负荷的研究，是大空间

分层空调研究中最重要的三个部分。其中气流组织和室内热环境对人员舒适度具

有很大的影响，已引起国内外学者的广泛关注。大空间建筑的负荷计算对于设备选

用以及建筑节能具有非常重要的影响，而国内的空调设计手册中只有针对大空间

喷口送风形式的分层空调负荷计算方法，而没有下送中回分层空调形式的计算方

法，因而针对大空间建筑下送中回气流组织下的分层空调负荷计算方法是工程界

亟待解决的问题。

根据文献[2]，大空间建筑分层空调的空调冷负荷包括空调区围护结构得热形

成的负荷、空调区热源形成的负荷、新风或渗透负荷、辐射热转移负荷和对流热转

移负荷。其中围护结构得热形成的负荷，热源形成的负荷，新风或渗透负荷都有较

成熟的计算方法，而辐射热转移负荷和对流热转移负荷以往并未引起足够的关注。

Chen Huang[3]等针对上海国际体操中心进行了喷口送风分层空调下室内冷负荷计

算，结果显示，在不同分层高度下，辐射热转移负荷和对流热转移负荷之和占该建

筑总负荷的比例均处于 30%~40%的范围内，其比例之高使得二者的计算准确度会

影响设备的选用和运行，从而影响空调节能性。

目前国内大部分大空间建筑都采用喷口送风的气流组织形式，而下送中回分

层空调是最近几年才逐步应用。大空间下送中回的气流组织形式作为置换通风应

用到大空间建筑的一种变形，它的使用可使空调区域的温度和污染物浓度有一定

的梯度，这将使营造空调区热环境的能耗可进一步降低，同时还可进一步提高空调

区的空气品质。

在大空间建筑下送中回室内热环境方面，蔡宁等[4,5]对上海理工大学大空间实

上海理工大学硕士学位论文

验基地进行了下送中回气流组织下的室内热环境实验，并对下送中回气流组织的

热环境建立了理论模型，探索了在不同因素影响下室内热环境的特点。在负荷计算

方面，国内进行大空间建筑喷嘴送风分层空调设计时，一般参考《实用供热空调设

计手册》[2]，该方法引用了上世纪 80 年代由中国建筑科学研究院空调研究所和原

第一机械工业部设计研究总院等单位共同负责的“分层空调技术研究课题组”的研

究成果[6,7]，这一方法的提出在当时丰富了我国空调负荷计算方法在大空间建筑中

的应用，为大空间建筑的分层空调理论及其节能机理提供了科学依据。但直至目前，

对于大空间建筑下送中回分层空调的负荷计算还没有成熟的方法可以借鉴。

随着下送中回形式的分层空调在大空间建筑中的应用越来越广，下送中回分

层空调的负荷计算方法也愈加重要。目前《实用供热空调设计手册》[2]中推荐的方

法是针对喷嘴侧送下回分层空调形式，由于下送中回分层空调的气流组织与喷嘴

侧送下回不同，室内热环境及负荷的形成机理也有所不同，因此套用《实用供热空

调设计手册》

[2]的方法计算下送中回分层空调负荷显然是不合适的。同喷口送风形

式的分层空调相似，下送中回分层空调也存在辐射热转移负荷和对流热转移负荷。

其中对流热转移负荷与气流组织形式具有一定的关系，且也直接影响了整个分层

空调负荷，本文主要针对下送中回分层空调中的对流热转移负荷展开研究。由于大

空间室内热环境与其室内冷负荷之间有着一定的联系，现有的文献中缺乏这二者

关联性的研究，因而也有必要对其进行研究。

本文研究工作首先是依据上海理工大学大空间实验基地设计并搭建相应的缩

尺模型实验室，通过模型与原型对照实验探索下送中回模型实验的设计准则；通过

一系列下送中回热环境缩尺模型实验，结合理论研究，探索大空间下送中回空调形

式下的热环境特性，及其对流热转移负荷的计算方法。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 模型实验在室内热环境中的应用

由于大空间建筑热环境实测具有一定的不可控性，且非常依赖于室外气候状

况，而模型实验可以严格控制室外环境，突出实验中的主要影响因素，因而采用模

型实验对大空间下送中回分层空调室内热环境与对流热转移负荷进行研究是十分

有必要的。

在以往的科学研究中，人们在进行各种现象的研究时，常常会遇到一些通过直

接实验无法解决的问题，或者受到一定的环境限制无法进行实验研究，从而诞生了

借助相似理论与模型实验的研究方法[8]。模型实验的优势在于模型实验可以严格控

制实验对象的主要参量而不受外界条件或者自然条件的限制，突出主要矛盾，便于

把握发现现象的本质特征和内在联系[8]。国内外很多学者早已将相似理论引入至多

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