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      1. 行業資訊
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        輕鋼活動板房車間降溫工程熱環境計算研究

        來源:華泰車間降溫工程 發布時間:2011年03月13日 瀏覽量:3508

        前言

        在我國建筑能耗日益增大的情況下,新型圍護結構的利用以及自然通風等節能措施在建筑節能的研究和實際工程中越來越受到得視。活動板房在建筑工地上廣泛應用,其結構為鋼架結構,圍護結構為隔熱夾心板,具有面密度小、阻燃、隔聲、保溫等特性,而且運輸便捷,安裝方便,防潮效果好。鑒于多數活動板房沒有空調設備,對其在自然通風條件下的熱環境進行研究具有重要的意義。對輕鋼活動板房車間降溫工程也有著重要的意義

        國內外學者在建筑熱環境領域中做了大量的研究,Kosny J 和Kossecka E在建筑圍護結構多維傳熱的研究中引入了熱等效墻的概念,清華大學的DeST開發組開發了建筑環境模擬系統(DeST),天津大學的楊昭等對節能建筑復合墻體的非穩定態熱工作性能進行了研究,姜坪和趙秉文進行了單層建筑自然通風量計算的研究。

        本文在以聚苯乙烯夾芯板(EPS)為圍護結構的輕鋼活動板房基礎上構建幾何模型,建立了圍護結構傳熱的一維非穩態傳熱方程、室內空氣溫度變化的熱平衡及建筑自然通風量的換氣方程。考慮室外逐時溫度,太陽照度等參數的變化,計算了該建筑在自然通風條件下24H內的圍護結構溫度與室內空氣溫度。

        1.物理模型

        以活動板房為基礎的物理模型如圖1所示。建筑的外墻與房頂采用聚苯乙烯(EPS)夾芯板,板材厚度為51mm(中間聚苯乙烯泡沫層厚度為50mm,內外表面各覆蓋0.5mm的薄鋼板)。計算時假設該建筑不受相鄰建筑的影響,且該建筑內部沒有內熱源。建筑外部的熱源考慮太陽直射輻射、天空散射、大氣長波輻射、地面反射和輻射的作用,建筑外部的散熱考慮外表面與外界環境的對流與輻射換熱。建筑內表面的換熱考慮內表面間的輻射換熱、內表面與室內空氣的對流與輻射換熱,通過門、窗的太陽輻射對內表面的作用。

        2.數學模型

        2.1圍護結構傳熱的計算

        由于圍護結構的厚度遠小于其長度和寬度,沿其厚度方向的傳熱遠大于長度和寬度方向,因此采用一維非穩態導熱式進行計算。

        式中:ρwCp,w  λw 和tw 分別為圍護結構材料的密度,kg/m3;比熱,(kg·K)導熱系數,W/(m·K)和溫度,℃;τ為時間,s;x為沿厚度方向的坐標,m,內表面指向外表面方向為正。式(1)在內外表面上的邊界條件:

        式(2)、式(3)中:tw,0和tw,1分別為圍護結構內表面溫度及其相鄰溫度節點的溫度,℃;τ和τw,i-1分別為圍護結構外表面溫度及其相鄰溫度節點的溫度,℃;τin和τf分別為室內和室外空氣溫度,℃;Qri為內表面凈輻射換熱量(吸熱為正),W/m2;I8為外表面凈輻射換熱量(吸熱為正),W/m2hin;和hout分別為室內和室外對流換熱系數,取hin=3W/(m2·K)[6];hout由文獻[7]中的公式(1)確定。對式(1)~式(3)使用控制容積法進行離散,得出一全隱格式方程組,其系數矩陣為三對角陣,用追趕法進行求解。

        2.2 室內空氣溫度的計算

        假定室內空氣溫度均勻,換熱考慮室內空氣與圍護結構內表面的輻射和對流換熱以及通過門窗吸收的太陽輻射。由此建立室內空氣的熱平衡方程,并按顯示格式 進行離散得式(4):

        式中:V為房間的體積,m3; σ為黑體輻射常數;εw為圍護結構的發射率(輻射率),取εw=0.7; ρin、Cp,in和αin分別為室內空報導的密度,kg/m3比熱,J/( kg·K)和吸收率(取αin=0.18)G為自然通風量,kg/s;F為門窗總面積,m2;qbi為垂直通過門的太陽輻射熱流,W/m2;Awj、tw,0,j和hin,j分別為圍護結構內表面j的面積,m2、溫度,℃和對充換熱系數,W/(m·K);Tw,0,j和Tin分別為圍護結構內表面和室內的溫度,Ko

        2.3 自然通風量的計算

        為簡化自然通風的計算,把窗戶面積與門面積合并為一個開口。計算建筑在熱壓作用下的自然通風量。設開口中和面高度為為。中和面把開口分為現風口A和上風口B。當時,空氣從上風口B流入,從下風口A流出。自然通風量G:

        解方程(6)可得中和面高度,代入式(5)可求得自然通風量。同量,當時,空氣從下風口A流入,從上風口B流出自然通風量G:


        式中:φA和φB分別為通過下風口A和上風口B空氣的流量系數(φAB=0.65);F為門、窗的總面積,m2; ρout為室外空氣密度,kg/m3;H為開口的高度,m;Tf為室外空氣的溫度,K;K8為與當地大氣壓有關的系數,取K8=3460Pa·K/m

        2.4 圍護結構內表面凈輻射熱流的計算

        經簡化處理,把圍護結構內表面的輻射換熱分為內表面間的熱輻射換熱以及內表面與室內空氣之間的輻射換熱2部分考慮。將開啟的門、窗的輻射視為黑體輻射,其輻射即為通過法向投影面積的太陽輻射能,并把門窗合并為一個開口處理。考慮內表面輻射為灰體輻射,在計算時根據灰體封閉腔輻射理論,運用網絡法求出各內表面以及房間地面的有效輻射。房間地面視為溫度等于地表溫度的恒溫表面。


        根據有效輻射計算內表面間輻射換熱的凈熱流為:


        考慮內墻與室內空氣的輻射換熱,則內表面總的凈輻射熱流為:

        式中:為內表面j的有效輻射,為內表面j的對內表面K的角系數;為內表面j對開口F的角系數。

        2.5圍護結構外表面輻射熱流的計算

        外表面凈輻射熱流

        式中:qb為外表面上太陽的投入輻射,W/m2; εb為外表面對太陽輻射的吸收率(對外墻,取εb=0.3;房頂上取εb=0.8);qt為外表面與外界(包括大氣和地面)的長波輻射換熱,W/m2;太陽的投入輻射包括太陽的直射輻射、天空散射、大氣長波輻射和地面反射輻射,其數值按太陽照度查文獻[10]得到。圍護結構外表面與大氣的輻射換熱按式計算

        式中:fg為圍護結構外表面對地面的輻射系數(對于垂直的外墻,取fg=0.5)房頂是雙坡結構,其吸收的地面輻射相對較少,取fg=0);Tw,i為圍護結構外表面溫度,K;Tg為地表溫度,K

        3 計算結果分析

        計算圖1所示建筑在夏季某一天的圍護結構及室內的溫度變化。圍護結構材料的參數根據文獻[10]中的數據選取。

        圖2和圖3分別為東房頂和西房頂內、外表面的溫度變化。從早上5:00開始,由于房頂所受的太陽輻射逐漸增強,房頂外表面溫度迅速上升,而內表面溫度則逐漸上升,內外表面溫差開始增大,外表面溫度高于內表面。東房頂外表面溫度在11:00左右達到最大值81.6℃;內表面溫度在13:00左右達到最大值42.3℃.西房頂內、外表面溫度在13左右達到各自最大值43.6℃和80.2℃。在房頂內、外表面溫度達到各自的最大值后,隨著太陽輻射的減弱,內、外表面溫度開始下降,內、外表面溫差也逐漸減小。在晚上19:00后,隨著太陽輻射的消失,內、外表面溫度基本相等并繼續緩慢下降,其下降過程一致持續到第2天早上5:00。從房頂內、外溫度的比較來看,夾芯板起到了很好的隔熱效果;但由于房頂所受的顧陽照射較強,其內表面會向房間及其它圍護結構的內表面發出輻射,導致各圍護結構內表面的溫度升高。

         

        圖4、圖5分別為南墻和北墻內、外表面的溫度變化。由于南北墻受到太陽照射比其它圍護結構少,在經過各內表面間的輻射換熱后,房頂發出輻射,南北墻的內表面會吸收熱量。當墻體內表面吸收的熱量大于外表面時,就出現內表面溫度高于外表面溫度的現象。其中南墻受到的太陽照射比北墻高,而門窗設在南墻上(見圖1),因此在自然通風條件下,南墻內、外表面溫差比北墻小。早上8:00到晚上19:00,南墻內表面溫度高于外表面溫度。在13:00左右,南墻內、外表面溫度達到各自最大值39.7和39.1.而北墻內表面濁從5:00開始迅速上升,并在19:00前始終高于其外表面溫度。在13:00左右,北墻內、外表面達到各自的最大值42.7℃和39.0℃

        圖6和圖7分別為東墻和西墻內、外表面的溫度變化。在白天太陽照射下,東墻早上所受的太陽輻射較高,而西墻下午所受的太陽輻射較高。早上,東墻外表面吸收的熱量比內表面多,其外表面溫度高于內表面溫度;西墻外表面吸收的熱量比內表面少,其外表面溫度低于內表面溫度。下午,東墻外表面吸收的熱量比內表

        面少,其外表面溫度低于內表面溫度;西墻外表面中收的熱量比內表面多,其外表面溫度高于內表面溫度。東墻外表面溫度在9:00達到最大值42.7℃;內表面溫度在13:00達到最大值40.1℃。西墻外表面溫度在15:00達到最大值44.6℃;內表面溫度在13:00達到最大值41.3℃

        圖8為室內、外空氣的溫度變化。在自然通風條件下,室內和室外的溫度變化趨勢基本相同。從早上5:00開始,室內溫度高于室外溫度,室內、外溫差逐漸增大。13:00時,室內溫度達到最大值36.5,室外溫度達到最大值35.2,之后,室內、外溫度開始下降,溫差逐漸減小。在19:00時,室內外溫度基本相等,并在此后一直到第2天早上5:00,室內溫度略低于室外溫度。室內外溫度的下降趨勢也一直持續到第2天早上5:00

        4 結語

        本文建立了輕鋼活動板房熱環境分析的理論模型,計算自然通風條件下南方地區夏季一天24h中,其圍護結構溫度和室內空氣溫度變化。計算結果表明,聚苯乙烯夾芯板有良好的隔熱作用。但在外界太陽照射較強烈時,房頂內表面的溫度還是偏高。房頂的熱狀況對其它內表面影響很大,通過內表面間的輻射換熱,其它外墻的內表面溫度均會相應升高,這也在一定程度上影響了建筑的熱舒適性。因此,加強房頂的隔熱,在夏季中對提高室內環境的熱舒適性有重要的意義。建筑的室內溫度隨著室外溫度的變化而變化,兩者的溫差沒有明顯增大。在自然通風條件下,室外溫度變化對室內溫度的曩十分顯著。

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