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China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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基于热移除效率的层式通风节点模型

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2019-07-14

香港城市大学 张胜
重庆大学 程勇
西安科技大学 郇超
香港城市大学 林章

       【摘  要】层式通风室内空气温度在垂直方向上成三明治状分布,头部空气温度最低。空气温度分层使得层式通风比混合通风更高能效地提供热舒适。为了预测层式通风空气温度分层,传统节点模型需要深刻地理解室内流场,从而进行具体而复杂的描述,不便于工程应用。本文开发了基于热移除效率的层式通风节点模型。新开发的节点模型采用热移除效率表征室内流场,不需要对室内流场进行具体而复杂的描述。因此,在工程应用中,新开发的节点模型比传统节点模型更为便捷。实验表明,与传统节点模型相比,新开发的节点模型对空气温度分层预测的准确性和可靠性分别提升了30.6%和17.9%。由于简便性、准确性和可靠性,新开发的节点模型将有助于高能效的层式通风的推广应用。

       【关键词】空气温度分层,节点模型,热移除效率,层式通风

Abstract:Stratum ventilation creates a sandwich shape of vertical air temperature profile, with the lowest air temperature at the head level. This air temperature stratification contributes to both the improved thermal comfort and energy efficiency. To predict the air temperature stratification, the development of the conventional multiple-node model requires in-depth understanding, and detailed and complicated descriptions of the airflow pattern, which is not so practical in real applications. Therefore, this study proposes a heat removal efficiency based multiple-node model. The proposed model uses heat removal efficiency to represent the airflow pattern, which requires no detailed and complicated descriptions of the airflow pattern, thus is more convenient for practical applications. Experimental results show that, compared with the conventional model, the model proposed improves the accuracy and robustness of the predictions of the vertical air temperature profile by 30.6% and 17.9% respectively. Benefiting from the convenience, accuracy and robustness, the proposed model can prompt the practical applications of the energy-efficient stratum ventilation.  

1 引言

       空调系统被广泛地用来营造健康舒适的室内环境[1] 。同时,空调系统消耗了大量电能[2] 。与混合通风相比,层式通风可以高能效地提供热舒适。层式通风关注工作区,特别是人体热舒适最敏感部位-头部[3] 。层式通风室内空气温度在垂直方向上成三明治状分布,头部空气温度最低[3][4] 。因此,层式通风可高效地冷却人体、提供热舒适。现有研究表明,在保证热舒适的前提下,与混合通风相比,层式通风可以节能至少44.4%[5]

       室内空气温度分层的预测是层式通风空调系统设计与运行的关键[4] 。节点模型计算效率高、又可合理地预测室内空气温度分层[6] 。但是传统节点模型需要对室内流场有深入的理解、从而进行具体而复杂的描述。西安交大王丰浩教授团队基于如下室内流场描述,开发了层式通风的节点模型(图1) [6] 。送风(质量流量ms)从房间侧墙中部卷吸来自地板空气层的空气(mj)进入房间空气主体区与地板空气层。房间空气主体区的部分空气(ms)进入天花板空气层、并经回风口排出。地板空气层被卷吸的空气由来自房间空气主体区的空气和送风共同补充。用于补充地板空气层的来自房间空气主体区的空气与送风的质量比由实验确定。此外,外墙得热使得外墙空气层的气流上升(mw)。上升气流先进入天花板空气层,再回到房间空气主体区。外墙空气层上升的空气由来自房间空气主体区的空气补充。

图1 层式通风的传统节点模型: (a1)室内布置;(a2)室内流场;与(a3)室内温度节点

       室内流场描述微小的偏差,将导致传统节点模型的室内空气温度分层预测的显著偏差。比如,将上述室内流场描述中地板空气层的空气补充相关部分修改为:地板空气层被卷吸的空气全部由来自房间空气主体区的空气补充,将导致地板空气层节点温度(taf)的预测误差由0.3⁰C增大到2.0⁰C [6] 。此外,上述流场描述只对图(a1)中特定的通风设计有效。比如,图(a1)中回风口位置改变会引起室内流场的改变,故而上述流场描述不再准确,基于上述流场描述的传统节点模型也不再准确[6] 。在实际通风设计中,工程人员需要考虑多种通风设计,故而需要准确地描述室内多种流场。准确的室内流场描述具体而复杂,需要对室内流场有专业而深刻的理解。这对普通工程人员是个极大的挑战,使得传统节点模型在工程应用中的实用性受到限制。

       本文将新开发基于热移除效率的层式通风节点模型。新开发的节点模型采用热移除效率表征室内流场,不需要对室内流场有深刻的理解和具体而复杂的描述。针对不同的通风设计,新开发的节点模型仅需要利用多元回归技术基于实验/或者CFD模拟数据确定三个常参量。因此,新开发的节点模型可以便捷地应用于实际工程中。下文将先介绍新开发的节点模型,再通过实验数据验证新开发的节点模型。此外,新开发的节点模型将与传统的节点模型对比,从而体现新开发的节点模型对空气温度分层预测的准确性和可靠性的提升。

2 新开发的节点模型的介绍

       新开发的节点模型的温度节点分布如图2所示。新开发的节点模型主要包括整个房间,内壁面和室内空气的能量守恒方程。

图2 新开发的节点模型的温度节点分布

       整个房间的能量守恒方程如式1所示。

       

       式中,cp 是空气比热容(J/(kg•℃);  ms是送风质量流量(kg/s);Qec、Qef、Qei和Qew分别是通过天花板内壁面、地板内壁面、内墙内壁面和外墙内壁面进入房间的热量(W);Qin是室内热源(W);tr和ts分别是送、回风的温度(⁰C)。

       以外墙内壁面为例,其能量守恒方程如式2-6所示。其他内壁面的能量守恒方程与外墙内壁面的形式相同,除了天花板内壁面与天花板空气层的对流换热系数(式7[7])、及地板内壁面与地板空气层的对流换热系数(式8[8])。

       

       式中,Qcw是外墙内壁面与外墙空气层的对流换热量(W);Qrw是外墙内壁面与其他内壁面的辐射换热量(W);Qrsw是外墙内壁面与室内热源的辐射换热量(W),假设室内热源产热中辐射与对流的比例为1:1[9]

       

       式中,Aw是外墙内壁面的面积(m2);Dw是外墙内壁面的等效直径(m),即外墙内壁面的面积与周长比值的4倍;hcw是外墙内壁面与外墙空气层的对流换热系数 (W/(m2•℃)[10];taw和tw分别是外墙内壁面温度和外墙空气层温度(⁰C)。

       

       式中,hr是壁面1和2的辐射换热系数(W/(m2•℃);hrw是外墙内壁面与其他内壁面的辐射换热系数(W/(m2•℃);Ac、Af和Ai分别是天花板内壁面、地板内壁面和内墙内壁面的面积(m2);tc、tf和ti分别是天花板内壁面、地板内壁面和内墙内壁面的温度(⁰C);t1和t2是壁面1和2的温度(⁰C);ε1和ε2壁面1和2的发射率,房间内壁面发射率常取0.9[9];σ是黑体辐射常数,为5.67×10-8  W/(m2•K4)。

       

       式中,hcc是天花板内壁面与天花板空气层的对流换热系数(W/(m2•℃);ACH是送风体积流量,即房间每小时换气体积数。

       (8)式中,hcf是地板

       内壁面与地板空气层的对流换热系数(W/(m2•℃);Df是地板内壁面的等效直径(m);taf是地板空气层温度(⁰C)。

       室内空气的能量守恒方程包括外墙空气层能量守恒方程(式9-10)、及三个热移除效率方程(即地板空气层、房间空气主体区和天花板空气层)(式11-16)[11]

       
       式中,maw是外墙空气层中上升气流的质量流量(kg/s)。

      

       式中,HREaf、HREa和HREac分别是地板空气层、房间空气主体区和天花板空气层的热移除效率;k1、k2和k3是三个常参量。实际应用中,房间空气主体区的热移除效率可由1.1 m高度空气的热移除效率代替,以便于实验测量。房间空气主体区温度可通过房间平均体积温度得到(如式18和19)。

       利用上述新开发的层式通风节点模型的三个常参量可基于实验或CFD模拟数据、利用多元回归技术确定。输入房间尺寸、送风温度、送风体积流量、房间热源和从外墙内壁面进入房间的热量,新开发的节点模型可输出各节点的温度。

3 新开发的节点模型的验证

       新开发的节点模型的验证实验来自层式通风实验仓模拟的典型办公室(图3)[6]。且新开发的节点模型预测的室内空气温度分层将与传统的节点模型的进行对比。传统的节点模型来自文献[6]。该层式通风实验仓位于西安交通大学。实验仓模拟的办公室长、宽和高分别为3.8m、2.8m和2.6m,供两人使用。办公室仅有一侧外墙。从室外通过外墙进入房间的热量由电热膜模拟。室内热源包括两个人、两台电脑和两盏灯,共430W。实验温度测量的误差为1.0%。共有9组实验。各组实验用作节点模型的输入参数如表1所示。新开发的节点模型和传统节点模型要求的输入参数相同。详细的实验过程参见文献[6]。

图3 层式通风办公室实验布置
表1 新开发的节点模型和传统节点模型的输入参数
表2 新开发的节点模型和传统节点模型的空气温度预测误差对比

       注:实测和传统模型预测来自文献[6]。

       基于实验结果 [6] ,地板空气层和1.1m高度空气的热移除效率的3个常参量(k1、k2和k3)分别为1.047、-16.02和0.656,及-4.294、112.40和0.386。因为天花板空气层温度假设为与排风口温度相同 [6] ,所以天花板空气层的热移除效率为1(式16)。图4对比了实测、传统节点模型预测和新开发的节点模型预测的空气温度分层。整体上,新开发的节点模型预测的空气温度分层与实测的更接近。这表明新开发的节点模型比传统节点模型更能准确地预测空气温度分层。除了1.1m高度与0.1m高度的温度差外,针对地板空气层温度(taf)(即0.1m高度[6])、呼吸层空气温度(tab)(即0.9m高度)(式18)、1.1m高度空气温度(ta1.1)、房间空气主体区温度(ta)(式19)和天花板空气层温度(tac),新开发的节点模型预测值的平均绝对误差(式17)比传统节点模型的小(表2)。其中,房间空气主体区温度和呼吸层空气温度由式18和19计算。 新开发的节点模型的综合平均绝对误差为0.36⁰C(表2),相比传统节点模型的0.52⁰C,减少了30.6%;即与传统节点模型相比,新开发的节点模型对空气温度分层预测的准确度提升了30.6%。除了1.1m高度与0.1m高度的温度差、及天花板空气层温度外,针对地板空气层温度、呼吸层空气温度、1.1m高度空气温度和房间空气主体区温度,新开发的节点模型预测值误差的标准差(式20)比传统节点模型的小(表2)。新开发的节点模型综合的误差标准差为0.29⁰C,相比传统节点模型的0.35⁰C,减少了17.9%;即与传统节点模型相比,新开发的节点模型对空气温度分层预测的可靠性提升了17.9%。上述空气分层温度除了节点模型的空气温度节点外(图2),因为考虑室内环境品质的要求,新增了呼吸层空气温度、1.1m高度空气温度、及1.1m高度与0.1m高度的温度差[6]。

       

       式中,MAE为平均绝对误差;∣meaj-perj∣是预测与实测之间偏差的绝对值;下脚标j是实验组别。

       

       式中,tab是呼吸层空气温度(⁰C);ta1.1是1.1m高度空气温度。

      

       式中,SD是标准差。

4 结论

       本文新开发了基于热移除效率的节点模型,用于预测层式通风室内空气温度分层。新开发的节点模型采用热移除效率表征室内流场,不需要深刻理解地室内流场,更不需要具体而复杂地描述室内流场。而传统节点模型需要深刻地理解、具体而复杂地描述室内流场。因此,与传统节点模型相比,新开发的节点模型在实际工程应用中更为便捷。层式通风典型办公室的实验表明,与传统节点模型相比,新开发的节点模型可以将空气温度分层预测的准确性和可靠性分别提升30.6%和17.9%。新开发的节点模型的便捷性、准确性和可靠性将有助于高能效的层式通风的推广应用。

参考文献

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       备注:本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会青年优秀论文,收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期(第21届暖通空调制冷学术年会文集)。
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