热环境分析（精选12篇）
热环境分析 篇1
评价车间室内环境品质应结合生产环境,综合考虑工人的听觉舒适性、嗅觉舒适性、视觉舒适性以及热舒适性等方面综合评价[1]。如化工相关车间内部的温湿度以及空气流速对化学试剂挥发影响显著,而这些热环境要素是暖通专业研究的重点。本文以车间工人为中心,以中等劳动强度条件为代表,结合人体热平衡,从主、客观两个方面分析了影响其热舒适的因素。
1人体热平衡
人体与周围环境热交换方式主要为对流和辐射。考虑到人体与室内环境的热交换 ( 图1) ,首先给出人体能量平衡方程[2]:
式中: M———新陈代谢产热
W———人体机械功,通常取0
Qi———人体内部产热
C、R———分别为着装人体外表面对流和辐射散热
Esk———皮肤表面汗液蒸发散热
Cres、Eres———分别为呼吸蒸发散热和呼吸对流散热量
2影响操作工人热舒适的因素
2.1客观因素
2.1.1劳动强度
中等劳动强度下的工业车间操作工人,与处于办公环境或普通人居环境条件下的人相比,其活动强度对人体热感觉与热舒适的影响更加显著。根据人体热平衡方程,劳动强度主要通过影响新陈代谢产热量M和排汗以及呼吸散热量而改变人体核心温度。
在人体热平衡方程中,皮肤表面蒸发散热包括两部分,皮肤水分扩散散热Ed和控制排汗散热Ersw( pa为室内空气水蒸气分压力) :
劳动强度对皮肤表面蒸发散热的影响可以通过式( 2) 和( 4) 看出: 劳动强度加大,代谢产热M随之增加,使得控制排汗散热量增加,这部分热若不能及时散发至环境,则人体积累热量增加,从而增强热不舒适感。
呼吸散热量为显热Cres和潜热Eres两部分的和( 式( 5) 中ps为潮湿的操作温度下饱和水蒸气分压力) :
同样,式( 5) 也反映了呼吸散热量和新陈代谢产热M之间的正比关系,而呼吸散热与呼吸和心率密切相关,根据天津大学吕石磊等[3]提出的PHSI ( physiological heat strain index) 指标反映了心率值增大,热应力指数增加的关系:
式中,Toi、HRi分别为热暴露中任意时刻测得的人体口腔温度( ℃ ) 和心率值( bmp) ; To0、HR0分别为热暴露前静坐人体的口腔温度和心率值。当PHSI值超过5或6时就会对人体健康产生威胁。
2.1.2车间空气温度
温度是影响人体与环境热湿交换的最重要的因素。车间工人在中等劳动强度条件下,其与车间内环境的热湿交换量随温度变化见表1[4]。按照表1反映不同环境温度时人体向环境散热散湿散点图如图2所示。
结合图2和表1可知: 一定范围内,人体散发显热随环境温度升高而减少,这主要是因为人体与环境温差减小,使人体与环境显热交换强度减弱; 而人体散发潜热和散湿随环境温度升高而增大,这要结合人体热平衡方程以及排汗机理进行分析。排汗是人体核心温度、皮肤表面温度以及环境温度共同作用的结果,上述环境温度的提高并不能改变人体核心温度,但是对人体排汗有显著影响,出汗又能改变人体表面温度以及人体与环境的热湿交换量。
结合对流散热C和基于Stefan - Boltzmann定律的辐射散热R的表达式:
式中: ti、th———分别为室内空气温度和着装人体外表面平均温度
tmr———平均辐射温度
fclαc———服装面积系数与对流换热系数的乘积,其中表征服装面积与人体表面积的比
AD———人体表面积
m、h———人体重和身高
车间内空气温度升高,以对流和辐射为主的人体向环境散发显热减少,而人体出汗散发潜热和湿量可以补偿该部分的减少。空气温度过高或过低不仅会影响人的热舒适,还会影响人体的生理平衡,对人的健康产生威胁,如引起中暑、昏厥、虚脱等冷热不适症状。
2.1.3相对湿度与空气流速
相对湿度主要与空气温度、空气流速一起影响人体排汗, 反映了空气中水蒸气分压力的大小。室内相对湿度增加能在高温时增强热感,低温时加剧冷感,作用机理是影响人体皮肤润湿率[5]( w) :
式中: w———皮肤润湿率
Esk、Emax———皮肤实际蒸发散热和同一环境皮肤完全润湿可能的最大散热量,其表达式:
式中: Esw———汗液蒸发散热量,W/m2
h——— 着装人体表面的对流传质系数, W / ( m 2 ·k Pa )
Psk、Pa———皮肤表面和环境空气中的水蒸气分压力,k Pa
基于此,Nishi和Gagge给出了引起热不舒适的皮肤润湿上限: w < 0. 0012M + 0. 15,M为与劳动强度有关的新陈代谢率。
如果人体皮肤润湿率高于上值,则引起皮肤黏着性增加, 引起不舒适,因此建议环境空气相对湿度控制在40% ~ 70% 。
空气流速也能影响人体排汗,并且能显著影响人体与环境的对流换热和对流湿交换,一般室内空气流速不宜过大,控制在0. 7 m/s以下。
2.1.4气流组织及通风方式
气流组织与通风设计的目的是为了保证车间内部的空气品质,洁净的室内气流流动是所谓的空气品质除了狭义上的洁净度外还包括空气温度分布特性。均匀的温度分布不仅能保证整体舒适感,还能通过热压作用影响空气的流动,有利于污染物的畅通输送。但是在典型的高大空间工业厂房内部容易出现上部温度高、下部温度相对低,上下温度不均匀的现象,与 “头冷脚暖”的热舒适规律相悖,这就需要采用合理的气流组织和送风方式尽可能地减少局部热不舒适的发生。
对车间进行通风时,气流的波动也会对人的热舒适产生显著影响,人们更倾向于与自然风频率[6]相近的送风方式 ( 见图3) 。
2.2主观条件即热感觉
对人体能量平衡方程作以下改写:
式中,Qac为人体积累热量,当其值为0时,人感觉热适中; 其值大于0,人体温度上升、人感到热; 其值小于0,人体温度下降、感到冷。
由于热感觉受主观因素的影响,不能测量,所以多用问卷调查法研究,问卷调查研究的依据主要是ASHRAE提出的热感觉投票( TSV) 标度和热舒适投票( TCV) 标度,见图4。热舒适投票( TCV) 与Fanger[7]提出的PMV指标一致,TSV与PMV指标值之间的对应关系: PMV = TSV - 4。
对于大多数人而言,稍凉或稍暖的室内环境还是可以被接受的,影响热感觉和热舒适的主观因素有年龄、性别、着装、 季节以及心理因素等[8]。
3结论
通过对影响工业车间操作工人热舒适的主、客观因素的分析,对改善车间内部热环境提出以下建议:
( 1) 改善车间生产条件,提高生产的机械化和智能化,降低工人的劳动强度;
( 2) 在劳动强度一定的前提下,合理利用空气调节方式控制车间内部的温度分布、相对湿度以及风速,调节人体与车间环境的热湿交换量,保证整体和局部热舒适;
( 3) 在保证不影响生产的条件下,适当提高工作区的风速,环境温度较高时,适当的吹风感会提高人体的舒适度; 合理安排围护结构的开窗方向,尽可能地利用自然通风或模拟自然风波动频率的通风方式,提高工人对通风的满意率。
摘要：针对工业厂房的热环境,结合人体热平衡、劳动强度、温度与相对湿度连同空气流速等空气状态条件从主、客观两个方面分析了影响车间热环境的因素,从改善生产条件以降低劳动强度、采用通风与空气调节手段以调节车间内部温湿度、选用合理的送风形式以提高人们的满意率等方面提出了改善车间内部热环境条件的建议,旨在为车间环境优化设计提供理论参考。
关键词：工业车间,热环境,热平衡,影响因素
参考文献
[1]Ruixin Li,Sekhar S.C.,Melikov A.K.Thermal comfort and IAQ assessment of under-floor air distribution systemintegrated with personalized ventilation in hot and humid climate[J].Building and Environment,2010,45:1906-1913.
[2]Ioan Sarbu,Calin Sebarchievici.Aspects of indoor environmental quality assessment in buildings[J].Energy and Buildings,2013,60:410-419.
[3]吕石磊,朱能.PHSI指标下人体热耐受力评价研究[A].全国暖通空调制冷2008年学术年会资料集[C].2008.
[4]周义德,杨瑞梁,吴杲.纺织空调除尘节能技术[M].北京:中国纺织出版社,2009:7-8.
[5]王昭俊,赵加宁,刘京.室内空气环境[M].北京:化学工业出版社教材出版中心,2006:16-21.
[6]William J.Fisk,Douglas Black,Gregory Brunner.Changing ventilation rates in U.S.offices:Implications for health,workperformance,energy,and associated economics[J].Building and Environment,2012,47:368-372.
[7]P.Q.Fanger.Thermal Comfort.Robert E.Krieger Publishing company.Malabar,FL,1982.
[8]李先庭,石文星.人工环境学[M].北京:中国建筑工业出版社,2006:11-15.
热环境分析 篇2
城市的人为热对城市热岛的产生有重要作用,通过对北京冬季的居民采暖排放废热、汽车排放废热和工业生产排放废热的`估算,制定了考虑随时空变化的北京市人为热排放清单.利用北京大学城市边界层模式对北京冬季城市边界层结构特征进行模拟,通过考虑和忽略人为热的排放研究北京地面温度的变化,并通过几种方案减少人为热的排放对缓解城市热岛作用作出评价.
作 者：佟华 刘辉志 桑建国 胡非 作者单位：佟华(国家气象中心,北京,100081)
刘辉志,胡非(中国科学院大气物理研究所边界层物理与大气化学国家重点实验室,北京,100029)
桑建国(北京大学物理学院大气科学系,北京,100871)
冷环境中的UTM热 篇3
尽管Fortinet在国内知之甚少，但在世界网络安全领域，这家公司却是UTM(Unified Threat Management，统一威胁管理解决方案)概念的开山鼻祖与领导厂商。
统一之辩
所谓UTM是指将多种安全功能整合于一台设备上的网络安全设备。由于布署快速、建设成本低以及管理容易，从2004年推出后便一直呈现快速增长趋势。Fortinet是业界最早将杀毒、防火墙、反垃圾邮件及入侵侦测(IDS)整合于单一硬件而成为UTM先驱之一，随后的市场商机引来Check Point、Juniper、SonicWall等众多网络设备厂商的迅速跟进。
然而UTM多合一的特性也容易引发性能、效率低下，应用范围窄等弊端，连网络设备巨头思科公司都不愿意将自己的整合安全设备称作UTM，而是换了一个名词称作“下一代防火墙”。
Fortinet公司首席技术长官谢华承认，功能合一不可避免地会对网络性能有所影响，但他反驳单一安全产品分开布署可以解决问题。“当网络流量流经分开布署的机器，封包经过反复多道关卡的拆解与重新封包，反而对网络性能形成更大冲击，”他说。
他指出，UTM布署完成后性能的大规模下降，原因往往在于布署之前缺乏良好的规划，“不能因此归咎于UTM产品本身。”而目前Fortinet提供的网络安全系统，能够在安全、性能和TCO(总体拥有成本)三者之间取得良好平衡，而FOrtinet也是目前世界上唯一能够建造从底层向上提供多层威胁防御和管理综合平台的网络安全公司。前不久，Fortinet公司发布了包括FOS 4.0、FortiGate 620B、Fortiweb－1000B、FortiDB－1000B在内的几款新品，为用户提供更全面的防御技术。
“我们追求在同等价位上的更好效果，确保性能最好。如果仅为了突出自己，借某一指标做文章，而回避产品的整体性能，飞塔就不会八年多来一直保持如此持续强劲的增长。”谢华先生同时表示，Intel是最稳定过硬，性价比最好的芯片，但它同样有些弱点。Fortinet的ASIC技术恰好弥补了Intel的这些弱点，而且弥补的非常完善。
中国因素
在谢华的眼中，Fortinet的目标是要成为“网络安全行业的世界第一”，而要实现这一目标，“中国”因素举足轻重。从2003年进入中国市场后，Fortinet已经取得了不俗的发展，中国石油、中国电信、中国建设银行、中国民生银行、北京首都国际机场等公司都已成为其服务客户。不过，谢华也表示，Fortinet目前在中国市场的发展表现，与其在世界网络安全领域的地位还不相称，在未来的几年里，Fortinet将不断加大对中国市场的投入，现在在中国已经有近200人的研发力量，包括病毒的反应、以及移动通信的研发都是在中国做的，确保在中国区研发出来的最尖端技术能够立刻进入中国市场。
夏季城市广场热环境调研与分析 篇4
关键词：城市广场,微气候,热舒适性
城市广场, 在《人性场所———城市开放空间设计导则》中定义为“一个主要为硬质铺装的、汽车不得进入的户外公共空间。其主要功能是漫步、闲坐、用餐或观察周围世界。与人行道不同的是, 它是一处具有自我领域的空间, 而不是一个用于路过的空间”[1]。
微气候建筑设计是指在大范围的气候条件影响下, 针对建筑自身所处的具体的环境气候特征, 在建筑设计中对其气候因素加以充分利用和改善, 以创造能充分满足人们舒适条件的室内外环境的建筑设计[2]。我国在快速的城市化进程中修建了大量广场, 然而, 大多广场只追求形式上恢弘大气, 体验性与舒适性并不高。
城市广场不仅是一个供市民休闲游憩的场所, 同时对于缓解城市热岛效应、改善城市形象也具有重要作用。本文主要立足于广西柳州市人民广场, 采用理论分析与实测数据分析相结合的方法, 对于该广场夏季热环境的改善提出一些方法, 探讨具有一般意义的广场微气候设计原则。
1 柳州市人民广场概况
柳州市位于广西自治区中部偏东北, 属中亚热带季风气候, 夏半年盛行偏南风, 高温、高湿、多雨, 冬半年盛行偏北风, 寒冷、干燥、少雨。夏长冬短、雨热同季, 光、温、水气候资源丰富, 但地区差异较大。
柳州市人民广场位于市区中心, 是一个占地5 hm2, 集音乐喷泉、园林绿地和雕塑为一体的广场。它地处城市主干道龙城路的商业主轴线上, 广场周边建筑环绕, 公共设施齐全, 人流密集。人民广场成为开敞的“城市客厅”, 主要有集散功能, 集会功能, 游憩及改善城市物理环境的功能。
2 广场热环境分区体验
为研究人民广场的使用情况, 于2013年3月9日15:00~18:00 (当天天气晴、温度19℃~26℃、东南风一级) 、2013年33月月1122日日99::0000~~1122::0000 ( (当当天天天天气气晴晴、、温温度度1188℃℃~~2277℃℃、、东东南南风风二级) 到人民广场进行体验。
1) Ⅰ区是广场的主入口, 位于广场的南侧, 地面铺装以大理石为主, 两边设树池;整个Ⅰ区较干燥且气温偏高, 但由于入口正对城市主干道, 因此吹风感很强;
2) Ⅱ区为人民广场喷泉, 也是其主要景点。一条轴线贯穿南北, 偶有游客停下来戏水, 但周边乔木较少, 即使是在水边也感觉不到凉爽, 反而有点热, 几乎没有吹风感;
3) Ⅲ区约占整个广场中面积的1/3, 以草地为主, 草地上丛植乔木灌木, 有四条人形小道穿插其中, 此处温度较低, 走在Ⅲ区的小道上会有阵阵凉风吹来, 十分凉爽;
4) Ⅳ区以树池为主, 成排种植乔木, 乔木下便是供游人休息的座椅;此处温度适宜, 较Ⅰ, Ⅱ, Ⅴ区凉爽, 有阵阵的吹风感, 因此这里吸引了广场上大部分游客;
5) Ⅴ, Ⅵ区都是大理石铺地, 种植少量的棕榈树, 此区温度较高, 吹风感弱, 较干燥, Ⅴ区几乎没有游客会停留, Ⅵ区到了19:00以后会有很多游客聚集, 多是进行体育运动;
6) Ⅶ区种植几棵高大的榕树, 其遮阴面积几乎覆盖了整个Ⅶ区, 这里会有不间断的吹风感, 温度相对于其他区域比较低, 十分凉爽。
3 现场问卷调查与分析
采取现场调查问卷的形式研究地面铺装和广场人群热舒适性之间的关系, 问卷时间为2013年5月1日下午 (当天天气晴, 温度28℃~19℃, 湿度58%, 北风一级) 、2013年5月5日上午 (当天天气晴, 温度28℃~21℃, 湿度59%, 北风一级) 、2013年5月6日全天 (当天天气晴, 温度29℃~18℃, 湿度59%, 北风一级) , 共下发问卷100份, 收回有效问卷100份, 其中, 调研在有遮阴的硬质铺装上游客50人, 调研无遮阴的硬质铺装上游客20人, 调研在水水边边的的游游客客1188人人, , 调调研研在在草草地地上上的的游游客客1122人人。。问问卷卷的的结结果果见见表表11。。
个
从表1可以看出:
1) 人民广场大多游客喜欢在水边与草地上逗留, 水面上平均风速较大, 水面蒸发和蒸发耗热比陆面大, 具有降温效应[3]。有树荫的硬质铺装也受到不少游客欢迎, 但几乎没有游客喜欢在无树荫的硬质铺装上逗留。
2) 在湿度评价方面, 各有25名游客认为在有树荫的硬质铺装上感觉干燥和良好, 各占在此处调研游客总人数的50%;而在无遮阴的硬质铺装上有17人感觉干燥, 占调研在此处游客总人数的85%;在水边, 由于水面积过小, 有10人感觉此处干燥, 占调研在此处游客总人数的60%;而在草地上则有12人感觉湿度良好, 占在此调研总人数的100%。
3) 风速的改变主要受水陆粗糙度差异的动力作用和水陆热力差异作用影响[4]。在吹风感评价方面, 有50名游客认为在有遮阴的硬质铺装上基本感觉不到风或只能感觉到轻微空气流动;而在无遮阴的硬质铺装上, 有16名游客认为基本感觉不到风, 占调研在此处游客总人数的80%;在水边, 有14名游客认为基本感觉不到风, 占调研在此处游客总人数的79%;在草地上, 有12名游客认为风很大, 占此处问卷调研人数的100%。
4) 在温度评价方面, 逗留在有遮阴的硬质铺装上的游客, 有19人认为此处既不冷也不热, 占调研在此处总人数的38%, 有31位游客认为此处有点热, 占调研在此处总人数的62%;逗留在无遮阴的硬质铺装上的游客, 有80%的游客认为此处有点热、热和非常热;在水边, 有56%的游客认为此处非常热, 有44%的游客认为此处有点热;在草地上, 有58%的游客认为此处既不冷也不热, 剩余42%的游客认为有点热。
4 现状广场热环境优缺点
1) 广场内温度。
人民广场内部植被与硬质铺装区分明显, 大部分游客喜欢逗留于植被集中的区域, 觉得凉爽;而硬质铺装集中的地区, 遮阴措施处也会吸引游客前来逗留, 无遮阴措施处则少有人逗留;由于人民广场水面区域过小, 对于在附近逗留的游客的热舒适影响有限, 很多游客认为此处温度较高。
2) 广场内湿度。
从问卷中可以看出, 在硬质铺地无遮阴的条件下, 大多数人认为所处的区域是干燥的, 在硬质铺地有遮阴条件下, 50%的游客认为所处区域是干燥的, 另50%的游客认为所处区域湿度刚好。在水边的游客超过半数以上认为该区域是干燥的, 而在草地上的游客则认为该区域湿度刚好。这说明夏季人民广场整体湿度偏低, 人民广场的树荫和草地成为调节空气湿度的重要因素。
3) 广场内风环境。
从问卷中可以看出, 除了在水边, 无论是在硬质铺地上, 还是在草地上, 游客均感受到风感, 硬质铺地上特别是有树荫的区域, 导风作用更明显, 吹风感更强。然而部分人认为水域面积过小, 水边并没有吹风感。且由于对面高楼遮挡, 不利于风的进入。因此, 人民广场附近的建筑对于风的进入影响很大, 同时由于热岛影响, 广场在夏季风出现不均衡、不定向及不稳定等现象, 大大减小了风力降温作用。
5 结语
通过对广西柳州人民广场的现场体验感受与对参观游客的问卷调研, 总结出人民广场在使用过程中出现的一些问题:
1) 广场在设计时局部地方大量使用硬质铺地, 尤其是中央下沉广场区, 因此此处夏季气温度过高, 湿度低, 其使用率偏低;
2) 人民广场中央广场区缺少植被, 且无遮阳措施, 因此太阳辐射影响非常大;
3) 人民广场周边建筑设计没有进行过统一规划, 因此风环境较差。
为此, 针对这些问题, 以下措施可以有效改善人民广场的微气候质量:
1) 尽量减少单一硬质铺装的使用, 硬质铺装与植被水体结合会有效改善周围微气候质量;
2) 高大乔木与水体的运用可以有效遮挡太阳辐射与增加空气湿度;
3) 人工遮阳措施也可以有效遮挡阳光直射, 为游客提供更多遮阴。
参考文献
[1][美]克莱尔·库伯·马库斯, 卡洛琳·弗朗西斯.人性场所——城市开放空间设计导则[M].北京:中国建筑工业出版社, 2008:12.
[2]孙洪波, 石铁矛, 郭洪华.微气候建筑设计方法综述[J].沈阳建筑工程学院学报, 2000 (3) :171-175.
[3]李书严, 轩春怡, 李伟, 等.城市中水体的微气候效应研究[J].大气科学, 2008 (3) :552-560.
热环境分析 篇5
作业1——建筑热环境优化设计
要求：
1、内容
①优化建筑朝向②优化建筑体型（体形系数）③优化屋顶形式④优化建筑窗墙面积比⑤组织自然通风⑥优化建筑遮阳⑦选用热工性能更好的围护结构——节能设计策略
1）选取几个典型案例进行热环境分析
2）结合所设计的居住建筑进行热环境优化设计
2、成果提交
1）设计成果PPT汇报
3、提交时间
2013年10月日布置，11月19日提交
经典案例热环境分析：形成构成分析——环境应对策略
1）诺曼·福斯特
2）托马斯·赫尔佐格
3）查尔斯·柯里亚（印度气候环境）
热环境分析 篇6
【关键词】热桥；建筑环境；影响；建筑能耗
建筑围护结构中的一些部位，在室内外温差的作用下，形成热流相对密集、内表面温度较低的区域，这些部位成为传热较多的桥梁，故称为热桥（thermal bridges），有时又可称为冷桥（cold bridges）。重庆属于夏热冬冷地区，建筑热桥对建筑能耗和人们的生产生活质量有较大的影响。通过对重庆地区的建筑进行调研考察，发现建筑热桥对建筑环境的影响，并为改善其建筑人居环境提出防治措施，以供参考。
一、问题的提出及影响
重庆地处四川盆地，两江交汇之处，冬季多雾，日照严重不足，十分阴冷潮湿。对于这种气候特点，建筑热桥效应对建筑环境的影响突出，例如建筑内墙角、外墙角、窗左右侧、窗上下侧、阳台、屋顶、地角等部位，都有不同程度的结露、发霉等现象。这些建筑热桥现象严重影响了人们正常的工作和生活，长期在这种环境下工作学习和生活，对人们的健康状况有很大的危害，造成人们生理和心理的诸多疾病，如免疫力下降、关节炎、风湿病、颈椎疾病、肩周炎、皮肤病和呼吸道疾病等。
其次，建筑热桥效应对建筑节能也有很大的影响，在建立新型节能社会的今天尤为重要。建筑节能的一个重要方面是提高建筑围护结构的保温隔热性能。建筑物的节能保温，既是一项社会工程，也是一项系统工程，它涉及到标准、设计、施工工艺、建材品的防水防火，材料的稳定性、耐久性、安全性、实用性和美观性等。据了解，在节能建筑中，通过计算和实测表明：墙体耗热占总能耗的比例已经由 40 %下降到15 %，而热桥耗热占总能耗的比例却由 7 %提高到 20 %。夏热冬冷地区居住建筑的热桥问题对建筑能耗的影响较大 ，对同一工程 ，随着热桥面积比的增大 ，能耗值大致将成线性增长。特别是随着建筑技术的发展 ，剪力墙、薄壁柱等框架剪力墙结构的建筑越来越多 ，热桥部分所占外墙面积的比例也越来越大，更应加强热桥部位的节能措施。
第三，热桥的危害还在于其增加了墙体局部传热，降低墙体平均热阻，恶化围护结构内表面的温度环境，节点处内表面温度有可能低于室内露点温度，使得墙体内表面结露，传热在湿工况下进行 ，形成恶性循环。热桥影响着围护结构的整体保温效果 ，有必要对热桥进行准确的分析 ，采取各种技术措施降低热桥能耗 ，以促进保温结构的进一步完善。
二、热桥的常见部位分析及防治措施
由于热桥附加能耗占整体建筑能耗的比例不断上升 ，成为外围护结构能耗中的重要组成部分。根据调查和计算，在非节能型建筑中 ，各种热桥的附加能耗占建筑能耗的 3 %～5 %，而在新型节能建筑中 ，一般占节能建筑的20 %左右 ，所以应对热桥引起的附加能耗引起足够的重视。
1.窗口产生的热桥
窗口是外围护结构的复杂部位，对于保温建筑来说更是如此。我国在建筑物保温性能上与发达国家相比，外窗能耗是发达国家的 2.2倍，因此窗的节能尤为重要。具有保温层墙体的内层或外层遇到窗口与墙体联接时，即会出现热桥。窗口侧面的传热不能忽略 ，窗口侧面传热损失占墙体总传热损失的比例相当高 ，窗户在窗口侧面的安装位置也影响窗侧面传热损失的大小 。因此内保温和外保温墙体均应尽可能考虑在窗口侧面也采取保温措施。如窗上、下侧节点热桥、窗侧面节点热桥等。对于此类问题的解决，外保温情况比内保温好一些，由于外保温在楼板处保温层连续施工时一定要把墙体保温层从下延伸，与窗台板下部相接。如果在过梁的室内侧再贴以20～30mm的苯板，保温效果会更好。
2.挑出阳台板产生的热桥
阳台由于结构上的要求 ，大量使用混凝土 ，尤其对于复合保温墙体 ，阳台处外墙保温材料被切断 ，阳台门、阳台窗、阳台板处均存在着热桥。在非保温建筑中 ，一般阳台板是直接从建筑物外墙挑出 ，造成大面积的热桥。在寒冷的时段会造成靠近阳台的室内结露 ，甚至滴水。而在保溫建筑中 ，由于阳台板、楼板、门过梁处保温层被隔断 ，且为了增加阳台的强度而大量地使用钢筋混凝土 ，使得阳台门处成为热桥。对于这种情况的解决 ，最好把阳台板与墙体用保温材料隔开 ，只把混凝土阳台板的伸出钢筋穿过保温层伸入墙内。或在楼板末端加强保温。
3.外墙角、地角、层项等节点产生的热桥
由于外墙角受热面积小于散热面积且换热系数小于墙身的换热系数 ，所以墙角处的传热量要比墙身大。因此 ，造成了外墙角的内表面温度比墙身低 ，出现了结露等不利现象。地板以下是地沟 ，如果此处没有做保温 ，或保温做的不彻底 ，刚到室内地坪就不再保温 ，则室内地角产生的热桥就会加重 。所以应加强此处的保温 ，并把保温做到底。这种情况一般可考虑在室内侧距墙角内表面约 0.6-1.0m 以内加贴一层保温材料 ，如果已有保温 ，可加厚保温层。窗上部圈梁是主要热桥部位 ，应在圈梁的室内侧粘贴苯板进行保温处理。
4.楼板与外墙产生的热桥
在保温建筑中 ，一般墙体比较薄 ，墙、屋项等均已保温 ，整体保温性能提高 ，因此楼板与外墙间的热桥就比较突出。特别是楼板与圈梁相距比较近 ，处理不好 ，附加耗热量就会明显增加。若采用外保温方式 ，不存在热桥问题 ，若是内保温 ，一般在楼板端部进行保温。
鉴于热桥的影响，在建筑设计和施工阶段也应加强构造，对热桥的防治，根据规定，设计时要依据以下原则，以便最大程度降低建筑在以后使用过程中出现热桥引起的各种问题。
首先，尽量避免出现贯通式的热桥， 如图1形式（a）、形式（b）所示。贯通式热桥以钢筋混凝土框架的填充墙中的梁和柱最为典型。这类热桥即使其宽度远小于主体部分的厚度， 也能引起内表面温度的明显下降。因此，在必须使用贯通式热桥时，可在热桥部位采取局部保温措施加强保温，最好以硬质泡沫塑料，结合墙壁内粉刷综合处理。
其次，尽量将非贯通式热桥布置在靠室外的一侧， 如图2形式（c）、形式（d）所示。因为此时的内表面温度要比热桥靠近室内一侧时高得多。
最后，尽量减少热桥断面面积。热桥断面面积越小，通过热桥的热损失越小。因此，在不影响结构功能的前提下尽量减少断面面积。
三、结论
1.重庆地区建筑存在着各种各样的建筑热桥问题，且对使用者的工作生活学习影响较大。大大降低了建筑舒适度，同时降低了人们的正常生活质量。此外，由于建筑热桥的存在，造成了建筑能耗的大幅增加与资源的浪费。
2.各个部位的热桥问题可以通过诸如增加墙体外保温，增大已有保温层厚度等前述方法进行解决。重视住宅建筑围护结构节能，做好墙体、屋顶、门窗、地面等住宅围护结构的保温节能工作 ，设法减少围护结构的耗热损失 。同时在节能建筑工程设计中 ， 应优先考虑应用能防止建筑热桥产生的外保温复合墙体。
参考文献：
1. 南艳丽、冯雅、谷晋川、王磊，夏热冬冷地区热桥对节能围护结构的影响[J ].建筑节能 ，2007（03）.
2.《民用建筑节能设计标准 （采暖居住建筑部分）》，JGJ26–95
3. 重庆市居住建筑节能设计标准DB50/5024 - 2002[S].重庆：重庆大学出版社 ，2002
热环境分析 篇7
针对城市热岛问题以及河流对热环境的改善作用等方面的研究, 相关专家已做了大量工作。东南大学陈恩水等认为住区建筑布局的不同对住区热环境具有影响作用,且建筑高度与建筑之间间距的比值越小,建筑体与地面接收到的太阳辐射也就越大,使得温度升高[2]。陈宏等发现住区室外温度与住区的建筑布局有着紧密的联系,住区下风向的温度较高,热环境较差[3]。Yang等研究发现建筑布局方式、建筑密度以及绿地率等是影响白天住区热环境的主要因素[4]。赵炎等提出了热环境适应性的住区建筑布局优化方案[5]。Chen等为营造热环境适应性的街区规划提供规划设计策略[6]。清华大学林波荣等模拟得到了住区内部不同区域的热环境情况,并对其进行评价[7]。张志勤研究发现喷泉具有降低周围空气温度、增加湿度的作用,可以优化周围的热环境[8]。李书严等研究发现水体能够优化室外热环境,且当水体采用多点、分块布置与较大区域时,对热环境的改善作用越明显[9]。哈尔滨工业大学刘京等运用CFD方法模拟研究了松花江周边街区的热环境情况,研究发现随着离河岸距离增加,河流周边建筑区内空气温度呈递增趋势,其影响程度和河流形态、主导风向及建筑密度相关[10]。
总的来说,优化建筑布局可以改善室外热环境情况,但是目前的研究较多偏向于非滨水区域的建筑布局与降低城市热岛的关系;较少地考虑滨水区域,如何利用河流微环境气候效应进行建筑布局,从而改进滨水住区的热环境效果。在水体热环境效应研究方面,大多研究水体热环境的影响能力,较少地研究如何通过滨河住区建筑布局设计,将水体的热环境优化效应最大化地影响到住区内部。针对城市河流与建筑布局对滨河住区热环境的重要影响以及现有研究的不足,本研究以探讨热环境优化的滨河住区建筑布局策略为目的,运用CFD计算机模拟方法研究滨河住区建筑布局与室外热环境效应之间的关系,在相关模拟条件设置时,参考了刘京教授等的相关研究模拟条件设置经验。为合理利用城市河流微气候环境改善住区室外热环境,进行住区建筑布局规划提供理论依据,对城市生态环境的可持续发展具有重要意义。
1 滨河住区热环境模拟
为了研究河流对滨河住区热环境的影响,本研究探讨了不同建筑布局情景下,河流对住区热环境效果的影响。研究以深圳为主要案例,首先通过分析深圳68 条河流与60 个滨河住区的实际情况,总结了南方地区滨河住区的一般布局模式,并在基本的一般性布局模式基础上,进一步探讨了相应的布局变化方式。
1.1 滨河住区建筑布局的一般方式
本研究根据深圳滨河住区特点,总结出了行列式、围合式、点群式三种基本建筑布局。其中,行列式布局又分为正排式、山墙左右交错式和山墙前后交错式;围合式布局分为闭合围合式和开敞围合式;点群式布局分为正排列点群式和错排列点群式。表1 总结上述七种滨河住区建筑布局的基本模式,本研究将这七种基本布局模式归为A模式。此外,研究还探讨了建筑与河流呈0°、45°、90°、以及135°夹角时的住区热环境状况,本研究将这类布局变化归结为B模式。研究同时还探讨了开敞空间设置和建筑高度变化的住区布局的热环境变化状况,并将此类模式归结为C模式。针对建筑与河流夹角、开敞空间、以及建筑高度的变化状况,研究以正排行列式为例,进行了深入分析;并将与河流夹角变化的模式归为B类模式,将其它布局变化归结为C类模式。表2显示了B类模式的各种布局方式;表3 总结了C类模式的各种布局方式。
通过对深圳河流以及滨河住区的现状研究,确定三类布局的容积率范围为2.5~3.0,住区用地范围为5.0~6.0公顷,用地长宽值在200~300m之间。单体建筑的尺寸以常用的住宅尺寸作为依据,其中包含两单元拼接的板式建筑和点式建筑,间距设置以满足日照和消防间距进行设置。由于河面宽度较大时,河流对住区热环境的改善较为明显,基于河流现状分析的情况,选取最大河面宽度130m为研究条件,滨河住区第一排建筑距河岸堤70m。
1.2 热环境模拟
研究针对以上各种建筑布局的模拟条件设置基本一致。气候条件以深圳夏季的主导方向、平均温度、湿度和风速值为依据。在模型计算中,假设外界风是由河流中心吹向滨河住区;针对风向与住区建筑呈夹角的情况,通过讨论建筑与河流的夹角情况来分析(表2)。研究采用CFD计算流体力学方法进行模拟,首先应用ICEM软件对A、B、C三大类建筑布局模式的热环境模拟建立模型及划分计算网格,再将建立的模型与计算网格输入到Fluent中模拟计算[10]。图1(a)示意了模拟时的计算域及网格划分情况,由于每种建筑布局方案的地块大小存在一定的差异,为了减小计算域大小对研究结果的影响,对各种建筑布局方案的计算域统一设置为宽1000m,长1500m,高300m。模拟计算气候条件为实测的深圳市2014 年7 月15 日13:00~14:00 的平均风速2.5m/s,实测平均温度为28.9℃,实测平均相对湿度为60%,风向假设为由河面吹响住区。通过在Fluent软件中输入深圳市2014 年7 月15 日14:00 的太阳的入射角(-0.0096228,-0.3570631,0.9340307),设置太阳辐射强度参数。本文研究中,水体为研究区域的唯一散湿源,其表面含湿量可假定为饱和含湿量,其数值大小与水体表面温度密切相关。相关研究表明在无大型热源并在一定沿程范围内河流的温度变化很小[11],因此根据实测的水体平均温度将水面温度设置为24.3℃。由于水面与大气的含湿量不同,水体表面与大气之间的蒸发量采用Bulk系数法进行计算:
式中 ρa为空气的密度,kg/m3;Ct为Bulk经验系数,其数值大小与风速相关[12];u* 为风速,m/s;θs为水面温度,℃;θa为空气温度,℃;qs为水表面接近饱和的含湿量,kg/kg;qv为水面上方空气的含湿量,kg/kg。
在水体纵向水深较大的情况下,太阳辐射及水体表面传热对河床底部的温度影响较小,水体与河道地面的传热量较少,因此本文忽略河床底部传热,将其视为绝热条件。
Fluent中的用户输入界面采用水蒸气质量分数作为水蒸气扩散的指标,其与含湿量之间的关系式如下[13]:
式中m为空气中的水蒸气质量分数,无量纲;d为空气中的含湿量kg/kg。
图 1a 正排列行列式建筑布局计算域及网格划分示意图
图 1b 正排列行列式温度环境云图
图 1c 正排列行列式相对湿度环境云图
图 1d 正排列行列式风环境云图
综上,在空气温度为28.9℃、相对湿度为60%,标准深圳大气压1002.2 h Pa的情况下,计算得出相对应的水蒸气质量分数为0.014042。模拟得到的1.5m高度处的温度、相对湿度和风速值的分布图形,如图1(b)至图1(d)所示意。
本研究通过滨河住区热环境模拟模型,分析了A、B、C三大类、十三个滨河住区建筑布局模式的热环境状况。在计算过程中,监测了收敛曲线的回归性,使得针对每种建筑布局模式的计算过程均达到较好的收敛效果,确保模拟计算的准确性。
2 结果分析
通过对1.1节的建筑布局进行热环境模拟,得到温度、湿度与风速的模拟图。将整个住区从左下角开始划分1m网格线,并将网格导入温度、湿度、风速的计算结果中,在Fluent计算环境内获取每1m网格点的数值,进而计算出住区内的平均温度、平均湿度和平均风速值。由于标准有效温度(SET*)基本不受人的主观因素的影响,因此,本研究通过计算SET*值来获取并评价不同滨河住区建筑布局下的热舒适感受。由于深圳夏季的热舒适性较差,研究以2014年7月15日实测的深圳某河流区域13:00-14:00的气候(平均辐射温度52.7℃,风速测得为2.5m/s,湿度60%)为模拟的边界条件,并以服装热阻为上衣0.15clo,下衣为0.06 clo,活动量为1.9met作为SET*计算的依据。根据陈卓伦的研究,舒适的SET*温度为25℃左右,当SET*小于20℃或大于30℃时,人的热舒适感均会下降[14]。以SET*舒适温度为依据,以深圳市夏季典型天的气候状况为模拟条件,探讨不同滨河住区建筑布局的热环境效应,明确能够较好利用河流温湿环境的滨河住区建筑布局方式。
2.1 A模式建筑布局热环境分析
2.1.1 行列式布局热环境分析
对A模式行列式布局的住区热环境进行分析,可得出三种布局形式的住区平均温度、平均相对湿度、平均风速和平均SET*值(表4~6)。从SET*值来看,山墙前后交错布局的热环境舒适性比其他两种布局要好。这是由于这种布局的SET*温度最小,最接近舒适的25℃(虽然这一温度比25℃还是要高许多)。相比于山墙左右交错布局而言,正排列行列式布局的SET*温度低0.1℃,虽然好一点,但差别很小。从平均温度、平均相对湿度和平均风速来看,山墙前后交错的布局也好于其他两种形式。这是由于其平均温度低,而风速和相对湿度都高一点,从夏季来看能够更好地带走热量。
2.1.2 围合式布局热环境分析
从表5 可以看到,对于A模式围合式布局的住区,开敞式围合布局的SET* 平均值比闭合式围合布局的SET*平均值小了近2℃。说明开敞式围合布局住区的环境热舒适性高于闭合式围合布局。从住区平均温度、平均湿度和平均风速的数值来看,开敞式围合布局的温度较低,湿度和平均风速较高,也符合夏季热环境舒适的要求。
2.1.3 点群式布局热环境分析
从表6对A模式点群布局的住区热环境分析可以看出,正排列式点群布局的SET*值比错排列式点群布局的SET*值小近1℃。说明正排列式点群布局的热环境舒适性好于错排列式点群布局。从平均温度、平均相对湿度、和平均风速的数值来看,同样可以发现正排列式点群布局的温度低、相对湿度和平均风速较高的特点。这与行列式和围合式布局的分析结果是一致的,表明了夏季室外热环境舒适的温度、相对湿度和风速之间的一种趋势关系。即:温度越低越接近30℃以下越好。相对湿度在低于60%以下,风速在3m/s以下,两者越高越好。
2.2 B模式建筑布局热环境分析
对B模式行列式布局与河流角度的热环境分析结果见表7 所示。同样根据SET* 的数值来看,当建筑与河流呈90°夹角时,住区的SET* 值最低。说明此种情况下的室外热环境舒适性较好。然而,当建筑与河流呈45°夹角时,SET* 值也比其他布局情况低,而仅比90°夹角的布局高0.5℃,说明这种角度布局情况下的热环境舒适性也较好。从平均温度、平均相对湿度、平均风速的数值来看,也同样能得到与A模式布局情况相同的结果。也佐证了以SET* 值来表述热环境舒适的可靠性。虽然从室外热舒适来看,建筑与河流呈90°夹角时,环境舒适性比其他角度好,但这样的角度将导致建筑与风呈水平向关系,从而使得建筑室内难以进风,无法形成室内穿堂风,导致室内热环境较差的效果。因此,从建筑与河流的夹角分析来看,45°夹角最优。这一夹角虽然比90°夹角的室外热环境的SET* 值略高,但其对室内热环境的影响较小,综合考虑,应选45°夹角的建筑与河流布局方式。
2.3 C模式建筑布局热环境分析
2.3.1 等高建筑布局与前低后高布局分析
针对C模式开敞空间和建筑高度变化的布局的热环境分析结果见表8、9 所示。由于前高后低的建筑布局模式不利于河流冷湿空气的进入,因此,在研究中不考虑这种布局模式。从表8 来看,等高建筑布局温度环境和风环境较差,前低后高布局的SET* 值比等高建筑布局的SET* 值略高,说明前低后高的建筑布局更利于形成较舒适的室外热环境。这可能是由于前低后高建筑布局的前排建筑对进入住区的河流冷湿空气阻挡较小的缘故。从表8 中的平均温度、平均相对湿度、和平均风,也反映了同样的结果。
2.3.2 开敞空间设置建筑布局分析
从表9 可以看出设置开敞空间比不设置开敞空间的室外热环境舒适性要好;而前置式开敞空间比后置式开敞空间的室外热环境更舒适。这是由于这种模式的SET*值最小。但从平均相对湿度值来看,前置式开敞空间布局的平均相对湿度低于无开敞空间的。这与前面布局的分析结果略有不同。这种不同说明无开敞空间布局的住区相对湿度较大于有开敞空间布局的情况,但这种情况当风速较低时,依旧无法形成好的舒适环境。从SET* 反映的三个热环境参数值的综合情况来看,开敞空间前置的布局对热环境舒适最有利。当然,如果相对湿度能在50% 左右的范围内偏大一点值的话,这种布局的热环境舒适性将更好。
3 结论
由于河流对周边环境具有微气候调节作用。研究探讨了在深圳气候条件下,滨河住区布局与室外热环境舒适的关系。得出如下结论:
(1)从行列式、围合式和点群式三种常见的住区建筑布局来看,山墙前后交错行列式、开敞围合式、和正排点裙式的室外热环境舒适性比其它行列式、围合式、和点群式要好。从三种布局的横向比较来看,围合式和点群式比行列式要好。因为,围合式和点群式的SET* 值总体比行列式低2℃ ~3℃。
(2)从建筑与河流的角度关系来看,以行列式布局为例,当建筑与河流的角度呈45°以上90°以下变化时,室外热环境较好。且角度越大热环境舒适性越高,但高得程度不大,SET* 值在0.5℃范围内。而且,考虑室内穿堂风效果,建筑不宜与河流呈过大的角度。因此,从建筑与河流的夹角布局关系来看,45°左右较好。建筑与河流越呈平行关系越不好。
(3)从建筑高度的布置来看,一般不应考虑前高后低的建筑布局,这样阻碍了来自河流的空气进入到住区内,不利于良好热环境形成。建筑高度由低到高变化的住区布局的热环境舒适性好于建筑高度不变的住区布局。
(4)综合分析以上滨河住区建筑布局与热环境舒适性的结果可以发现,当住区布局有利于河流空气流入住区时,其热环境效果越好。且流入的范围较大、覆盖面较广时,热环境舒适性越好。一般来讲,好的滨河住区布局可以将其室外热环境的SET* 值提高1~3℃。由此可以发现,当滨河住区布局有利于形成冷湿廊道时,有利于改善其室外热环境。如山墙前后错排行列式布局、开敞围合式布局、以及建筑与河流呈一定夹角、建筑前高后低等布局,均是有利于冷湿廊道的形成。
(5)虽然河流对滨河住区的热环境有良好的调节作用。但建筑和地面吸收太阳辐射的不同也会导致不同的热环境效果。这与住区建筑的朝向有着密切关系。本研究重点分析基于河流效果的滨河住区布局问题。没有讨论河流走向与住区布局的关系。因此,无法分析建筑布局的朝向问题导致的墙体和地面的热辐射作用。总体来看,当建筑之间有一定遮挡效果,且东西墙面较少时,建筑吸收太阳辐射热较少,如果能同时辅以河流调节作用,将会达到更好的热环境舒适性。当然,这方面的研究还有待进一步开展。
图、表来源
本文图表均为作者绘制。
摘要：城市河流对住区热环境具有显著的改善作用。以深圳气候条件为参考,探讨河流与建筑布局对滨河住区热环境的影响,对改进滨河住区布局,提高住区热环境舒适性有重要作用。研究运用CFD模拟技术方法,分析在不同建筑布局模式下,基于河流影响的住区温度、相对湿度和风速的变化情况;以标准有效温度SET*为评价标准,探讨滨河住区建筑布局与热舒适的关系;基于河流产生的良好微环境气候效应,对住区建筑布局提出优化方法,为营造生态、舒适的滨河住区环境起到重要作用。研究表明,减小建筑面向盛行风的垂直投影面积、创造利于河流风向的通风降温廊道、以及营造相应的住区开敞空间等,是改善滨河住区热环境舒适性的主要建筑布局方法。
热环境分析 篇8
世界上所有的国家都依赖化石燃料的能源需求。不过, 为了符合京都议定书的要求, 履行减排义务, 一些国家需要转用无污染的可再生能源。在发达国家, 建筑能耗在总能耗中占很大比例。在欧盟, 约等于40%的能源消费总量[1]。这部分能量支出中有相当一部分用于热水的生产。减少耗能的一种方法是使用太阳能。在文献中, 各种热系统的环境及生命周期分析上有大量的研究。其中一些就是针对太阳能热水系统[2][3][4], 特别是希腊的研究调查了与电力和燃气采暖相比较时, 热虹吸家用太阳能热水系统的生命周期环境影响。在其他的研究中只提出了经济生命周期的节约量[5][6]。
本文先讨论了可再生能源系统, 接着分析其热性能、经济性及采用太阳能热水系统所带来的环境效益。此外, 相对于制造该系统所产生的污染, 检查了采用太阳能所减少的污染。
1 可再生能源技术环境效益
可再生能源技术是将自然界中的能量转换为有用能。这些技术直接和间接地使用了太阳能并影响着地球上的各种能源资源。这些资源有大量的能源潜力, 不过, 通常都是分散的, 不便获得, 且大部分具有间歇性和明显的区域差异性。这些特性带来了技术和经济方面的挑战。近年来, 工艺方面取得了重大进展, 产品效率提高, 降低了收集和转换能量所需的初始和维护成本, 改善了可再生能源系统的可靠性和实用性[7]。
可再生能源和节能技术中化石燃料燃烧的有害污染物排放以及当前与之相关的环境问题有两个可能的解决方案。许多国家认为今天的太阳能、风能和其它可再生能源技术, 是未来清洁能源的关键技术。可以预期可再生能源系统将对环境、经济和政治问题等方面产生有益的影响[7]。可再生能源系统的安装和运行所带来的效益可以分为三个类别:节能、提供新的就业机会以及减少环境污染。而最重要的是减少环境污染[8], 这是通过电和常规能源替代减少的排放来实现的。环境空气污染物的最重要的影响是对公共卫生、农业、建筑和历史古迹以及对森林和生态系统的影响[9]。对于农作物这样的贸易品, 容易衡量其经济性影响, 但对于人类卫生生态系统的非贸易品的时候, 就比较复杂了。本文论述了热虹吸太阳能热水系统, 都是很受欢迎的系统, 在许多国家有良好使用潜力, 如地中海国家。研究了家用系统的系统充分考虑其对进行能源性能、经济和环境的影响。
2 工作原理与热性能
热虹吸太阳能热水系统或自然循环太阳能热水系统 (也称为被动系统) 是使用最广泛的。太阳能收集和利用技术研究设备 (图1) 。其目的是供应热水, 供家庭使用的是基于自然循环或热虹吸原理。它由收集器、储罐和连接的管道构成, 供应温度约60度的热水。热虹吸系统加热自来水或热媒流体, 将其从收集器运到储箱时采用自然对流。水受热膨胀, 密度减小, 热水上浮, 冷水下沉, 产生热虹吸。只要日照充足, 循环即可连续。由于驱动力只是热水与冷水之间很小的密度差, 所以必须使管内摩擦最小化。若要考虑到一天内太阳辐射水平低, 储存罐大小通常设计为可以容纳约两天供应热水。应注意的是通过收集器的水流是转到用户的饮用水和淡水进口, 以免打破底部附近储罐中水的分层, 通过的热水使用连接线必须防止热损失、绝缘和倾斜, 防止影响流通的气泡的形成。在夜间, 或只要收集器凉下来, 热虹吸的方向将发生逆转, 储箱里的水因此比冷却的存水多, 除非收集器的顶部远低于 (约30厘米) 底部的储罐[10]。
热虹吸太阳能系统的大小取决于天气情况和热水需求。集热面积主要根据每日的热水需求变化来确定, 从一个地方到另一个地方根据当地风俗习惯和生活方式各有不同, 通常大约30升/人/天。良好环境中运行的典型装置, 通常由于面积在2.5和4平方米之间的两块平板太阳能集热器组成, 储罐容量在150和180升之间。辅助电浸入式加热器和热交换器, 为辅助的集中供热热水生产, 用于冬季日照不足时。这种系统涵盖的四人家庭热水需求占80%左右。平板收集器通常是适合永久固定的位置, 并因此倾斜的收集器主要考虑的是热水使用的主要季节。全年使用时, 集热器倾角为当地纬度加5度。在北半球, 收集器正南放置 (方位角=0) , 但向东或向西偏移几度对其性能影响不大[10]。太阳能热水系统的整体的日常系统效率是30%～40%, 收集器出口和进口之间的温差约10℃。储罐可水平或垂直放置, 虽然卧式的减少了分层, 但卧式罐直径大于500毫米, 相比于立式储罐, 损失很小。热虹吸系统的主要缺点是放置位置较高, 不够美观。通常情况下, 此外, 较硬的水或酸性水会引起水垢沉积, 阻塞或腐蚀吸收器流体通路。对于直接式系统, 压力大于工作压力时, 须装减压阀保证安全。本文研究的系统采用平板集热器, 是目前最常用的收集器类型。集热器的瞬时效率以下公式给出:
式中△T表示收集器入口 (Ti) 和出口 (Ta) 的温度差, 即= (Ti-Ta) 、Gt是总辐射。储罐很好的隔热, 以减少对环境的散热、加热辅助能源与水换热器的热损失。辅助能源可采用电力或柴油。柴油适用于集中供热锅炉的情况下, 供应整幢房子的供暖需求而不是只用作太阳能系统辅助装置。如果存储池里的水温度超过所需的温度, 就可以通过混合达到需要的温度, 实际中由用户通过水龙头来操作。夏季的消费量偏高。但是, 在此期间, 热水的温度要求不高于冬季。因此, 年需求基本稳定。
3 经济与环保效益
该系统显示了极具前途的经济性:采用电辅助的系统投资回收期为2.7年, 采用柴油辅助的系统投资回收期4.5年, 节约辅助柴油燃料1056欧元从结果还能证明, 通过使用太阳能, 避免了大量的温室气体污染。采用电力或柴油辅助的系统相对于传统系统节约了约有70%的电力或柴油备份。对面向生命周期评估的系统, 使用和安装太阳能系统的能量被收回约需要13个月, 而排放回收时间产生的能量、所需制造和安装系统的时间从几个月到3.2年不等, 根据系统的生命周期评价, 制造和安装太阳能系统的能耗需13个月的回收期, 因产品形式而异。此可以得出结论, 热虹吸太阳能热力系统有显著的环保作用, 为实现可持续发展, 应尽可能在实际中推广应用。
参考文献
[1]Argiriou, A., Klitsikas, C., Balaras, C., Asimakopoulos, D., 1997.Active solar space heating of residential buildings in northern Hellas a case study.Energy and Buildings26 (2) , 215-221
[2]Mirasgedis, S., Diakoulaki, D., Assimacopoulos, D., 1996.Solar energy and the abatement of atmospheric emissions.Renewable Energy7 (4) , 329-338
[3]Taborianski, V.M., Prado, R.T.A., 2004.Comparative evaluation of the contribution of residential water heating systems to the variation of greenhouse gases stock in the atmosphere.Building and Environment39 (6) , 645-652
[4]Tsillingirides, G., Martinopoulos, G., Kyriakis, N., 2004.Life cycle environmental impact of a thermosiphon domestic solar hot water system in comparison with electrical and gas heating.Renewable Energy29 (8) , 1277-1288
[5]Hasan, A., 2000.Optimisation of collector area in solar water heating systems.International Journal of Solar Energy21 (1) , 19-27
[6]Keyanpour-Rad, M., Haghgou, H.R., Bahar, F., Afshari, E., 2000.Feasibility study of the application of solar heating systems in Iran.Renewable Energy20 (3) , 333-345
[7]Kalogirou, S., 2004b.Environmental benefits of domestic solar energy systems.Energy Conversion and Management45 (1819) , 3075-3092
[8]Diakoulaki, D., Zervos, A., Sara dis, J., Mirasgedis, S., 2001.Cost bene t analysis for solar water heating systems.Energy Conversion and Management42 (14) , 1727-1739
[9]Diakoulaki, D., Zervos, A., Sara dis, J., Mirasgedis, S., 2001.Cost bene t analysis for solar water heating systems.Energy Conversion and Management42 (14) , 1727-1739
热环境分析 篇9
火箭基组合循环(RBCC)推进系统将火箭发动机和吸气式推进系统结合在一起,组成了一个一体化的推进系统。该推进系统整合了火箭发动机、亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机,共有四个工作模态:引射模态、亚燃冲压模态、超燃冲压模态和纯火箭模态[1]。
RBCC发动机推进系统具有大空域范围飞行、多模态一体化、结构简单的设计特点,并可在各种飞行状态下,通过进行模态转换更好的适应飞行状态,从而充分展现发动机的潜在优势,提高飞行器的性能,具有广泛的军事和民用航天应用前景[2]。其广泛的应用背景和应用价值,得到各国的关注,并进行了很多研究。如燃烧组织规律,发动机结构设计,总体设计,以及热防护设计。
由于发动机工作时间长,工作温度高(最高在3 000 K左右),流场不均匀性强(一次火箭及二次燃料的掺混燃烧),这些导致RBCC发动机面临着严酷的热环境,热防护问题已经成为RBCC设计的关键之一[2]。针对于RBCC发动机热防护相关问题,国内外进行了许多研究。Q.Liu等人将两种不同的传热模型与现有流体流动模型进行耦合求解,用于模拟包含多学科的冷却热防护问题[3]。NASA格林研究中心(GRC)对天地往返运载器GTX的推进系统RBCC的热环境进行了研究,编制了热管理分析软件VITMAC[4]。西北工业大学彭丽娜针对RBCC引射模态进行了一次火箭和燃烧室的一维热环境分析[5],王厚庆通过数值模拟对RBCC支板进行了热环境分析[6]。这些以准则关系式进行编程计算,无法较好体现发动机各个部位的热环境,并且由于发动机的构型不同,热环境特点也不同。
本文通过三维数值模拟的方法,对RBCC地面试验发动机进行研究,分析了RBCC亚燃模态下的热环境,得到了各个部位的对流换热系数和热流密度。给出一次火箭传热影响因素,燃烧室、凹腔和支板的热环境分布及特点,为发动机的热防护技术提供设计基础。
1数值模拟方法
1.1发动机构型
RBCC发动机构型如图1所示,实验发动机构型包括了隔离段、主支板,一次火箭(沿Y方向有两个)、小支板、两级燃烧室及两对凹腔结构。主支板内部嵌套一次火箭,一次火箭起点火与组织燃烧的作用。小支板起到喷注燃料的作用,还可以在燃烧室的局部区域内产生旋涡、形成回流区,增强了燃料的掺混,增加了混气的停留时间,燃烧组织和放热较为合理,保证了可燃混气的反应时间,提高了燃烧效率。凹腔可以用于火焰稳定。
1.2 数值模型
使用Fluent软件进行三维数值模拟,采用k-ω SST(shear-stress-transport)湍流模型。方程用中心差分格式进行离散,压力速度耦合采用SIMPLE算法。模拟发动机为对称结构,取发动机1/2作为计算区域,壁面区域加密,结构化网格为150万[7]。
1.3 化学动力学模型
一次火箭燃料为无水乙醇,二次燃料喷注选用JP10,采用三步化学反应模型,如表1所示。
1.4 边界条件
针对地面试验发动机,通过总体方案设计,得到边界条件。其中一次火箭和空气入口采用质量入口条件,出口采用压强出口,如下表2所示。一次火箭燃料选用酒精,氧化剂为氧气,氧燃比0.87,通过CEA软件计算出一次火箭参数。其中燃气的总温为2 047 K,质量分数为CO(0.568), CO2(0.132), H2O(0.259), H2(0.041)。
1.5 热边界计算
初始时壁面条件选为绝热壁面,计算到流场稳定。文献[8]研究表明:燃气温度与壁面温度相差较大时,壁面温度对流场结构及对流换热系数的影响较小。所以将壁面设为恒定壁温,考虑到发动机内许用温度为800 K,计算时将壁面改为800 K,可以提取各个表面上的对流换热系数以及800 K时各个部位的热流密度。
2 计算结果及分析
2.1 一次火箭热流密度分布
由于燃烧室存在背压,将导致燃烧室压力前传至一次火箭喷管内部,但至多传到喉部,对燃烧室及喉部没有影响。所以,针对表2中的四种工况,燃烧室及喉部部分可以进行对比。
图2为工况3.5Ma时一次火箭数值模拟得到的对流换热系数分布。RBCC发动机的一次火箭为二元结构,上下两个面没有型面变化,喉部左右壁面与上下壁面相比,对流换热系数较大,这是由于左右壁面存在型变,燃气流动参数变化大造成的。以速度为例,如图3所示,线1、2分别为距离下壁面和左壁面为0.01 mm处的速度曲线,在喉部区速度相差相约10倍。喉部是受热最严酷的地方,对流换热系数最大值为6 539 W/(m2·K)。取一次火箭中心线,读取燃烧室参数,参考液体火箭发动机的对流换热系数[9]计算方法进行计算对比:
式(1)中:Dt为喉部水力直径;μ为动力黏度;Pr为普朗特数;P为燃烧室压强;C*为燃气特征速度;R为喉部曲率半径,计算时取R为喉部水力直径。
经公式(1)计算喉部对流换热系数可达5 178 W/(m2·K),燃烧室可达1 389.5 W/(m2·K)。数值模拟读取右壁面喉部平均对流换热系数为5 230 W/(m2·K),喉部上壁面4 960 W/(m2·K),燃烧室为1 925 W/(m2·K),喉部部分公式计算与数值模拟相差约0.99%。所以液体火箭发动机的对流换热系数公式可以用来估算一次火箭喉部的对流换热系数。
如图4所示,一次火箭流量越大,燃烧室压强越大。几种工况初始条件一次火箭的流量不同,经对比,除压强外其它参数变化不大,参照液体火箭发动机对流换热系数的计算公式,燃烧室压强为最主要的影响因素。可以得出,一次火箭流量越大,一次火箭内表面对流换热系数越大。以3.5Ma,4.5Ma,4Ma这三种工况进行分析,三种工况下一次火箭流量递减,由图5可以看出相对应的对流换热系数也在递减。如图5所示,燃烧室对流换热系数逐渐减小,是因为一次火箭入口边界条件设置了湍流强度,并且入口位置边界层并未完全发展起来导致入口段对流换热系数偏大[8]。
根据传热的定义q=h(Taw-Twg),Taw为燃气的绝热壁温,Twg为壁面温度。四种工况下,在扩张段之前,燃气的绝热壁温相同。由对流换热系数的分析可知一次火箭流量越大,对流引起的热流密度越大。各工况下,喉部受热最为严重。工况3.5Ma时,800 K的壁温下,喉部最大热流密度可达8 MW/m2,平均值为6.49 MW/m2。一次火箭燃烧室的平均热流密度为2.8 MW/m2。
在燃烧室中嵌入一次火箭是RBCC发动机的特色,但是由于一次火箭的出口燃气的冲刷以及燃烧室中的高温燃气,一次火箭出口端面同样面临着严酷的热环境。工况为3.5Ma时,一次火箭出口端面热流密度最高可达3.3 MW/m2。
2.2 燃烧室热流密度分布
以3.5Ma进行分析,如图6所示,图中上半部分是发动机剖面Z=0(对称面)的燃气温度,下半部分是剖面Y=40的燃气温度。如图7所示,由剖面Y可以看出,在小支板之后二氧化碳浓度明显增大(由于来流空气与煤油充分掺混燃烧),并且形成了一个二氧化碳剪切层,在剪切层与壁面之间,燃气与空气无法进行有效掺混燃烧,来流空气贴壁流动,所以左右两个壁面受热并不严重,类似于气膜冷却[10],上下壁面以及凹腔受热严重。由图6,图7可以看出,一次火箭出口上下壁面,小支板,以及凹腔受热较为严重。
图8是四种工况下发动机上壁面中心线的热流密度。四种工况下放热规律及放热位置基本一致,点1、2、3、4都是受热较为严重的地方。点1处距离一次火箭喷管出口约 80 mm,这是由于燃气从一次火箭出口膨胀加速,在与壁面之间形成一个回流区,使得受热更加严重。点2是第一段凹腔的入口处,由于支板喷注的燃料燃烧的燃气加速,燃烧逐步放热,点2之前的一段热流密度是逐渐增加。点2和点3之间是凹腔,凹腔内部的流速低,受热不严重,凹腔出口是一个斜面,燃气加速流动,热流密度增大。点3和点4都是凹腔的出口,热流密度相对较大。
凹腔通过回流起到火焰稳定的作用,通过在腔内形成回流区延长了混气的停留时间,通过对流场的扰动进一步增强了燃料的混合性能[11],保证了燃料燃烧所必须的时间和混合比,是一个高温区。两段凹腔长度一致,由图8所示位置2是垂直于燃烧室的壁面,在这个壁面上气体流速小,得到的对流换热系数也较小。凹腔斜面燃气流速大,斜面受热也非常大。由于燃烧室内流场很复杂,现只给出凹腔处的最大热流密度。从图9中可也得到第一段凹腔的出口处热流密度最大已达到2.3 MW/m2。从图9中可知由于凹腔的回流,在凹腔的底部,对流换热系数和热流都是逐渐增大的。燃烧放热位置靠近第一段凹腔,导致第一段凹腔的热流大于第二段凹腔。
2.3 小支板热流密度分析
由于支板壁面喷注的燃料(JP10)温度低(300 K),随着煤油的破碎、雾化导致喷注点位置壁面附近燃温低,认为将支板壁面设为800 K会影响计算,所以将支板壁面设为300 K。图10为位于第一段燃烧室内的支板壁面热流密度分布图(负号表示传热方向由燃气向支板传热),图中四个喷注点后热流密度较低。支板受一次火箭高温燃气的冲刷,支板前缘热流密度较大,在壁温300 K时,前端最大热流密度为2.82 MW/m2。支板尾端由于二次燃料的燃烧,受热也十分严重,最大可达2.4 MW/m2。
3 结论
针对RBCC发动机亚燃模态,为研究其受热程度及热防护能力,对其进行了Fluent数值模拟。针对给定的四个工况,可以得出以下几点结论:
(1) 单纯的支板喷注会形成一个二氧化碳剪切层,它阻断了来流空气和燃气的掺混程度,影响了燃烧效率,但是对两个侧壁面形成了较好的冷却作用。
(2) 四种工况受热分布基本一致,一次火箭,小支板尾端,以及凹腔出口受热较为严重。
(3) 一次火箭传热可以采用液体火箭传热公式进行验证,二元的一次火箭有型面变化的壁面受热更为严重。一次火箭的流量越大,一次火箭燃烧室压强越大,对流换热系数越大。
摘要：针对RBCC(火箭基组合循环)发动机的亚燃模态,通过三维数值模拟计算,分析了不同的工况下RBCC发动机中的受热情况,得到热载荷分布。其中一次火箭、小支板尾端、凹腔出口受热最为严重。计算发现一次火箭的流量越大,对流换热系数越大。支板壁喷会产生二氧化碳剪切层,影响燃烧效率;但是会降低热流密度。通过较为系统的热力分析,为RBCC发动机热防护提供一定的设计依据。
关键词：火箭基组合循环,燃烧室,一次火箭,热防护
参考文献
[1]陈剑,王振国.火箭基组合循环(RBCC)推进系统研究进展.飞航导弹,2007;3:36—44
[2]潘科玮,何国强,刘佩进,等.RBCC混合燃烧模态对一次火箭燃烧稳定影响.推进技术,2010;31(5):544—548
[3] Liu Q,Luke E A.Coupling heat transfer and fluid flow solvers formulti-disciplinary simulations.AIAA,2004:996
[4] Traci R M,Farr Jr J L.A thermal management systems model for theNASAGTX RBCC concept.NASA/CR-2002-211587,2002
[5]彭丽娜.RBCC主火箭与燃烧室热防护分析与试验.西安:西北工业大学硕士论文,2007
[6] Wang Houqing,He Guoqiang,Liu Peijin.Heat transfer analysis andthermal structure design of RBCC engines.AIAA,2007—5388,2007
[7]潘科玮.RBCC一次火箭参数调节及燃料喷注方式对混合燃烧模式燃烧的影响.西安:西北工业大学博士论文,2010
[8]王明华,陈劲松.发动机喷管内流场对流换热系数影响因素的数值分析.火箭推进,2011;37(3):32—37
[9]Huzel D K,Huang D H.液体火箭发动机现代工程设计.朱宁昌,葛李虎。等译.北京:中国宇航出版社,2004
[10]任加万,谭永华.冲压发动机燃烧室热防护技术.火箭推进,2006;32(4):38—47
热环境分析 篇10
为了解在气候转向干燥的有利气候时间内室内热环境是否得到改善,于2009年11月28日～29日对一典型的广府民居进行了热环境测量,民居为广州市番禺区小谷围岛穗石村北约坊和兴里20号,民居距今约150年,处在正常使用中,户主姓林,测量中称为林伯。天气情况为:多云间阴天,14 ℃～25 ℃,吹轻微的偏东转偏北风[3]。民居如图1,图2所示。
1 室内温湿度情况分析
建筑功能分为客厅、主人房与杂物间等,室内热环境考察对象为客厅与卧室。参考图3得到室内温湿度分布情况为:
在白天午后时段,室外空气温度升高,空气饱和水蒸气分压力增高,相对湿度降低,民居室内受到围护结构的遮挡,温度变化小,湿度有所下降,高于室外湿度;在晚上,由于天空的长波辐射,室外空气温度降低较多,湿度升高,民居内则由于墙体的蓄热性能,温度变化不大,高于室外温度,这时室外湿度高于室内空气湿度。温度和湿度从室外空气至客厅到达卧室,绝对值变化幅度依次衰减:室外温度日较差为9.48 ℃,客厅温度日较差为4.59 ℃,卧室温度日较差为3.7 ℃;室外空气湿度日较差为32.04%,客厅空气湿度日较差为13.26%,卧室空气湿度日较差为9.54%。
2 室内风速情况分析
风速与热舒适采用了人工计量,民居中分别居住着一对老夫妇,大约晚上七八点钟老人们就准备睡觉,为不致特别打扰老人休息,故只在白天时段进行测量。
风从院落至天井至客厅再到卧室,风在流动过程中不断衰减,建筑内部风速约在0.2 m/s。风速流动特性为:院落为风速活跃的区域,风速稍大,为室内通风的主要动力来源;从院落至天井至客厅再到卧室,风在向内部进行流动的过程中有衰减,至卧室风速降至最低,甚至为0;客厅门白天一般打开,可接收来自院落和内天井的空气流动,但客厅内风速仅为0.1 m/s～0.2 m/s左右,稍有风感。
3 室内热舒适情况
当时人们一般穿一件长袖T恤与长裤或者外面加一件普通外套,故服装热阻大约为0.8 clo～1.0 clo,人们在室内的活动量比较小,测量过程中假设人们静坐或进行轻微活动,人体代谢率设置为1 Met,图4为热舒适测量曲线。在人的代谢率和服装热阻不改变的情况下,室内舒适与气温是密切相关的,起伏规律与温度变化相同;PMV变化范围为-0.1～1.4,传统民居内的热舒适性是十分良好的。在中午前后高温时段,人们一般可以通过减少衣物的方法,达到舒适。
4 结语
广府式民居是在不断适应珠三角地区热湿气候的过程中而不断发展定型的,形成别具特色,特点鲜明的建筑形式与建筑风格,体现着气候的适应性和文化的延续性。通过民居的热环境测量分析得到,室内温度约为19℃～25℃,湿度变化为60%～75%,风速为0.1 m/s～0.2 m/s,舒适感介于中性与微暖之间,是十分舒适且有效率的区间。测量结果表明随着室外气候向有利方向转变,各项室内舒适指标都得比较良好,温度昼夜变化较小;室内湿度降低;由于建筑不开窗或少开窗的缘故,室内风速低,依赖天井进行十分微弱的空气交换;昼夜通过适当增减衣物可以达到个人热舒适。
参考文献
[1]华南理工大学.建筑物理[M].广州:华南理工大学出版社,2002:8.
热计量系统故障特性分析 篇11
关键词 数学模型 计量误差 热计量
中图分类号：TU832 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2015）21-0002-02
一、引言
哥本哈根世界气候大会后，世界各国更加重视节能减排。我国从“十一五”开始将节能减排列入国家发展规划纲要。
集中供暖和分户计量是一种有效能源利用与管理方式，可以促进节能减排。分户热计量需在管道井内分别安装用户热量表，并在对应的采暖进、出水管上安装温度传感器，记录温度、水流量等信息。安装失误，容易出现温度传感器错接，引起用户热计量误差乃至错误，从而导致计费错误。由于管道工程的隐蔽性，这种错误往往难以发现。
本文建立了分户热计量管路系统连接的物理和数学分析模型，分析了热计量故障特性和管路连接错误可能导致的热计量放大程度。分析表明：在管路错接且两户用热不平衡的情况下，被计入的热量与实际水流量等异常，与实际用暖情况也不符，误差很大。论文结合记录数据对简化数学模型和分析结果进行了验证。
二、暖气热计量原理
图1所示热量表由流量计、供出水温度传感器、积算器等主要部件组成。其中，流量计通常测量的是通过热量表的采暖水体积流量qv；进出水温度分别由安装于进水、出水管路的温度传感器测得，并可以计算得到进出水温差△T；积算器则根据流量和温度差计算向用户提供的采暖供热量Q。
在t0到t1计量时段，向用户提供的采暖供热量Q与通过热量表的采暖水质量流量qm、进、出水温度差△T的关系可通过积分获得
Q=C·△T ·qm·dt （1）
式中，C=4.18kJ/kg·OC为水的比热容，即水在等压且只作体积功的条件下温度升高1OC所吸收的热量，qm=qv·p，为水质量流量，p为水密度。
三、供暖特性分析
根据单元楼管路连接情况，建立了双管路供暖分析模型，用以分析管路错接对热计量的影响规律。
现阶段，建筑大多都采取了室内保温措施。按照一般经验，水流量较大的情况下，热水循环快，因而进、出水的温差相应较小。为了便于简化分析，根据热量表记录某建筑面积住宅的实时数据及供暖情况作如下基本假设：
1.管路入水口温度，取整值为55OC，余下简单分析时均取整值温度；
2.正常室内、外温度取整值分别为20OC、5OC；
3.流量为零的情况下，出水温度为无供暖下室温，取整值为15OC；
4.除说明的管路连接错误之外，假设不存在其它错误或误差。
假设在相对短的△T时段内流量、温差均稳定，则积分公式简化为求和公式，热量可采用（2）式计算
Q=C·△t·qm·△T=Const·qm·△T （2）
式中系数Const=C·△t，单位时间下系数Const就是比热容常数Cp，正常采暖温度50OC附近C变化很小。则单位时间热量（热流量或热功率）可以表示为
Q=C·△t·qm （3）
由（3）式可見，热流量一定时，水流量与温差成反比，管路系统相似情况下，水流量越大，温差越小；反之，水流量越小，换热越充分，则温差越大。这是正常的供暖规律和生活常识。
依据这种生活常识和供暖规律，可判断供暖计量系统是否有故障，如果用户组管道接反，则反映的流量与温差会正好相反。因此可根据用暖情况（室温），对照热流量及温差判断是否存在系统故障，并及时进行纠正。
四、热计量故障特性分析
为进一步分析管路错接导致的计量故障情况，本文建立了双管路分析模型。假设甲乙两用户使用如图2所示的正确的独立暖气管路，热计量系统测量甲、乙用户采暖质量流量qm1、qm2，以及供出水温度Ti1及Tb1、 Ti1及Tb1。
根据公式（2）可以获得甲（左）、乙（右）用户各自的采暖热量分别为
Q1=Const·qm1·（Ti1-Tb1） （3）
Q2=Const·qm2·（Ti2-Tb2） （4）
在管路错接情况下，用户的流量计量正常，但温差计量数据恰好互换。由于两户的出水温度数据被相互对换，导致所测得的供出水温度差分别变为△T'1=Ti1-Tb2、△T'2=Ti2-Tb1。则计量表将采暖热量错计算为
Q'1=Const·qm1·（Ti1-Tb2） （5）
Q'2=Const·qm2·（Ti2-Tb1） （6）
显然，只有在甲乙双方使用情况完全相同情况下，温差等数据才一致。假设在甲乙两户面积等条件完全相同的情况下，甲用户正常使用暖气，而乙用户关闭阀门不使用暖气。根据常识，甲用户的进出水温差小，乙用户进出水温差达到最大。此时，乙用户计入的流量和热量都为0。为便于计算，以热量表记录的甲用户实时出水温度数据50℃为参考，温差为5℃。可算出甲用户实际用热为
Q1=Const·qm1·（55-50）=5Const·qm1 （7）
但是由于管路错接，甲用户温差变为40℃，被计入的热量为
Q'1=Const·qm1·（55-15）=40Const·qm1=8Q1 （8）
可见，由于管路错接导致流量与温差失配，甲用户热量计量与实际严重不符，为实际用量的8倍（800%）。如果流量更大，温差差别更大，计量被放大更多。
五、诊断方法的工程验证与应用
依据上述特性，就可对记录的采暖数据进行分析、故障查找。如表1所示，为某组用户的实际采暖记录数据和分析结果。由表1可见，2823相对25记录的总水量少，然而记录总热量却多，与实际使用情况也不符。
表1 热量表实时数据记录及分析
根据实时数据状态1-5，发现采暖温差异常。针对表1所列数据提示的问题，经用户及工程技术人员多次核实发现，两个用户的管路的确是错误地混接在一起了，导致了流量计量错误，因此应予实地检查并纠正。
如果用户热计量表的热流量、水流量和温差计量异常，则应及时检查管道连接与热计量表的运行情况，及时查找问题，提高热计量的准确性，小用户和管理部门的损失与麻烦。
六、主要结论及建议
本文提出了根据供暖热量、温差与水流量的特性分析查找热计量系统问题的方法，并结合采暖记录数据，对所建立的模型进行了验证。分析表明：1.在错接的两户用热不平衡的情况下，同一时段内水流量大的一户，被采集的温差偏大，将被显著地多计热量，甚至达到8倍或更多；2.水流量小的一户，所采集的温差数据偏小，则将被少计热量。
参考文献：
[1]张颖.集中供暖住宅分户热计量的探讨[J].建筑科学，2013，（8）.
[2]张兵，田雨忠，王逸雪，迟媛.关于集中供暖住宅分户热计量的几点思考[J].建筑热能通风空调，2012，（4）.
[3]杨静.居住建筑供暖系统中热计量的应用[J].建筑与预算，2012，（2）.
热环境分析 篇12
Mattsson[1]用假人模型模拟人体移动对室内情况的影响,发现人体移动在短期内会破坏室内的通风条件。由于测量的局限性,并不能够体现室内温度场与速度场的分布状况,也不能体现对热舒适性的影响。袁浩[2]针对上述实验研究的不足,采用CFD模拟软件在二维条件下,模拟装修过程中工人安装木地板时对室内TVOC分布与室内空气质量的影响,发现人体移动速度与对室内环境呈正相关,但是TVOC的分布受人体移动移动速度较小。张泉[3]针对热舒适性进行研究,采用CFD模拟软件在二维条件下,模拟在上送上回的通风条件下,人体移动时,室内气流分布状况以及该移动人体的热舒适。Brohus[4]针对整形外科手术时,使用CFD模拟软件,模拟医生的移动对室内污染物分布的影响,发现医生移动时会短暂地对室内空气场产生影响,使得细菌从非洁净区向洁净区扩散。Poussou[5]针对飞机客舱内人体移动对气体流场与室内污染物扩散的影响,通过将实验获得的数据用于fluent模拟验证,并使用fluent来观察局部模型中流量特性与污染物扩散的影响。
本文使用fluent模拟软件,建立三维模型,模拟室内人体移动时对室内热环境的影响,分析在自然通风下室内制冷、制热工况时,其温度场、速度场的分布,并进行了该移动人体与室内其他人员的热舒适分析。
1 数学与物理模型
1.1 物理模型
本文以华中科技大学西四楼某学生实验室为研究对象,建立两个几何模型,分别如图1(a)、(b)所示,为本文研究的空调房间和自然通风房间内,人进入房门与经过办公桌旁边通道时的状态。该房间内包括9台电脑,6个正在学习的学生与1个走动着的学生,同时空调房间增加一台立式空调。房间体积为10m×5m×3m;借鉴Brohus对人体的简化,将相应的人体模型简化为1.7m×0.3m×0.3m的长方体模型,将电脑简化为0.3m×0.3m×0.3m的正方体模型;两面窗户位于北墙,尺寸为2m×l.5m,离地高1.2m,窗间距为2m,夏季与冬季空调房间内,由于窗户紧闭,窗户的作用可以忽略不计。门位于南墙,尺寸为2m×2m,自然通风情况下,大门完全敞开,空调通风情况下将门半掩,其中北墙与南墙为外墙,而其他方向的墙壁为内墙。
人进入房门与经过办公桌的移动状态如图2所示,其运动方向为图1箭头方向,模拟为直线运动,总时长为3s。
(a)空调房间内人进入房门;(b)自然通风房间内人经过办公桌
1.2 数值计算模型
本文采用三维k-ε模型对室内空气的流动特性进行数值模拟,根据室内空气的流动特点作出以下合理的假设:
(1)室内空气不可压缩且为充分发展的湍流流动;
(2)流体物性不发生变化;
(3)忽略重力影响;
(4)考虑固体与流体流动间的耦合传热问题;
(5)入口的温度、速度分布均匀。
则需要求解的连续性方程、动量方程分别表示如下:
湍流模型采用标准的k-ε数学模型,其中k和ε是两个基本未知量,其输运方程为:
式中,Gk表示由于速度梯度引起的湍动能的产出,可定义为:
σT、σk和σε表示湍流普朗特数,其中σT=0.9,σk=1.0,σε=1.3;c1和c2是湍流的c2两个常数,c1=1.44,c2=1.92。μt=(cμρk 2/ε),且cμ=0.09。
1.3 边界条件
模型中气流为非稳态不可压缩湍流。房间内环境复杂,人体移动将影响着风口边界条件的设置。自然通风模拟夏季未开空调时的情况,而空调房间模拟夏季温度较高空调制冷的情况,为简化计算,所取边界条件如下:
(1)模型壁面均为无滑移壁面;
(2)自然通风时窗户为速度入口,风速为v=1m/s,温度室外温度T=303K,空调通风时空调口为速度入口v=3m/s,温度为制冷温度T=299K,且速度与温度分布均匀;
(3)自然通风与空调通风时门都为压力出口,压力值为大气压;
(4)壁面为恒温壁面,外墙壁面温度为303K,内墙壁面与其他空调房间相连,温度为300K。
(5)人与电脑简化为恒温热源,温度为人体正常体温310.15K,散热为100W。
1.4 计算模型
本模型采用有限体积法离散方程,收敛标准均取默认值。计算时采用单精度的分离隐性算法器进行求解,压力离散格式为PRESTO,压力与速度的耦合运用SIMPLE算法,3个坐标方向的速度方程和方程的对流项离散采用一阶迎风差分格式,扩散项的离散采用一阶中心差分格式。本研究采用动网格方法模拟人体移动引起的流体区域形状变化。人体移动区域属于刚体运动,运动方式由UDF进行定义。动网格构造选取基于弹性变形的网格调整和局部网格重构两种方法相结合。模拟时,非稳态计算的时间步长由人体移动速度和网格大小共同决定,为保证动网格更新后的网格质量,时间步长取为0.005s。
2 结果与分析
2.1 模型验证
模拟中采用非结构化四面体网格。为验证数值计算过程中网格的无关性,选取空调房间内人进入房门的计算模型采用了两种不同数量的网格(分别为214635和252125),分别对比在z=1.1m截面平均速度随时间的变化值,t=0s时分别为0.2365与0.2312,t=1s时分别为0.2617与0.2654,平均风速的最大误差值在1%以内,表示此模型中的网格是独立的,增加或减少网格对结果的影响很小。本文为节省计算时间,最终采用214635网格数的模型做数值计算分析。
2.2 室内温度场与速度场的分布
本文首先对恒定位移速度,四种工况下的温度场与速度场分布进行分析。选取位移速度,即模拟人在正常行走情况下对室内热环境的影响。由于离地1.lm时为人体主要活动区域,所以选取z=1.1m的剖面进行分析(图3-6)。
(a)t=0s,温度分布;(b)t=1.5s,温度分布;(c)t=0s,速度分布;(d)t=1.5s,速度分布
(a)t=0s,温度分布;(b)t=1.5s,温度分布;(c)t=0s,速度分布;(d)t=1.5s,温速度分布
(a)t=0s,温度分布;(b)t=1.5s,温度分布;(c)t=0s,速度分布;(d)t=1.5s,温速度分布
(a)t=0s,温度分布;(b)t=1.5s,温度分布;(c)t=0s,速度分布;(d)t=1.5s,速度分布
由图3～6所示可明显发现,当人体运动时,会破坏之前稳定的流动状态,人体产生的扰动对温度场与速度场造成了影响,但对二者的影响程度不一致,同时也发现在自然通风与空调制冷时,人体运动对速度场与温度场的影响也存在明显差异。
首先分析人体扰动对温度场与速度场的影响差异。图3(d)、图4(d)、图5(d)、图6(d)可明显看到,人体运动对温度场的影响,仅限于人体附近的流场,这是因为人体为恒温内热源,虽然人体运动时周围流速增加使对流换热系数增加,但由于人体与室内空气差异不明显,且运动仅增加了小部分尾流区的对流换热系数,所以使人体运动对温度场的分布局限于运动人体附近。但是从图3(c)与(d),图4(c)与(d)对比可明显看,人体运动对整个流场的速度分布产生了很大的影响,这是因为人体运动会对周围空气产生挤压,人体运动的机械能转换为空气流体的动能,同时将图5(c)与(d),图6(c)与(d)对比却没有前者明显是因空调制冷时,在z=1.1m剖面上平均速度远小于人体移动速度,而在自然通风时剖面平均速度与人体移动速度相近。由此可得出结论,人体在室内运动对整个温度场影响较小,但对整个速度场影响较大。
其次分析人体扰动在自然通风与空调制冷两种情况下,对室内热环境造成的影响。首先对温度场的影响,并无太大差异,而对速度场影响的差异,由前面分析得出是由人体移动速度与剖面平均速度的差异所产生。
2.3 人体移动速度对室内热环境的影响
人在室内的运动会有不同的行为状态,可用移动的速度来体现其行为的不同。本文中用移动速度,模拟人正常行走、缓行与急行时的运动状态。图7,8展示了当空调制冷运动的人经过办公桌时,z=1.1m剖面的平均速度与平均温度随位置变化的关系,由于行走路线一致,选取到达相同位置时的平均速度与温度进行对比。从图7中可明显看出,当人体运动时,室内的平均速度随着人体运动速度增加,这是因人体的速度增加导致机械能增加,挤压周围的空气使得空气的动能增加,同时可发现随着平均速度的增加,人体的移动过程对流场的扰动更加明显。
由图8可以知,随着人体移动速度的增加,会使得剖面的平均温度增加。是因速度增加使得对流换热系数增加,导致移动人体对周围流场的温度产生更大的影响,但可看出数值仅在小数点后第二位波动,影响区域很小,很难让人感受得到变化的差异。
2.4 人体移动位置对室内热环境的影响
人在室内运动时会处于不同的位置,本文主要模拟在空调制冷时,人进门步行一段距离与人经过电脑桌旁两种情况。当移动速度为时,平均温度与平均速度的改变如图9,10所示。
由图2～7可明显看到当人进门时对z=1.1m剖面平均速度产生的影响远大于人经过桌子时产生的影响,而从图10可以明显看到当人经过桌子对于z=1.1 m剖面平均温度产生的影响却大于进门时的影响,这就说明人体的移动位置会对室内的热环境产生影响,并且这与稳定时的流场有关,因为当空调制冷时,空调出风口为室内的速度入口,而大门为室内的压力出口,由图3(c)可以看出人体移动是逆风行走,相当于人体移动速度与流场主流速度相反,而由图4(c)可以看出人体移动是顺风行走,相当于人体移动速度与流场主流速度相似,所以人体在进门时对流场产生更多的扰动,导致进门时的平均速度高于经过桌子时的平均速度。但其温度反而低于经过办公桌时,这是因为人与人的距离增加,产生的热辐射更加强烈。
2.5 预计热指标PMV方程
在目前研究热舒适性的指标中,包括有效温度、热应力指标和预测平均热感觉指标(PMV)[6],本文选取PMV来评价热舒适性。PMV是对人体热感觉的预计,对影响热感觉的因素有较为全面的考虑,并可以反映人群中对热环境满意者的比例[7]。
Fanger的预计热指标PMV方程[8]为:
式中:TL为人体热负荷,人体热负荷即为为了维持舒适度人体需要散发的热量与人体产热量的差值;M为人体代谢率,W为人体所做机械功,Pα为水蒸气的分压;fcl为穿衣面积系数,着装时人的表面积与裸露时人的体表面积之比;
式中:Rcl为服装热阻;Tr为平均辐射温度。
式中:tg为室内黑球温度,黑球温度也叫实感温度,标志着在辐射热环境中人或物体受辐射热和对流热综合作用时,以温度表示出来的实际感觉温度;to为室内空气温度;var为室内风速。
为衣服外表面温度;
式中:dT=tr-20;hc为对流换热系数。
式中:v为空气对人的相对流速。
式中:φ为相对湿度。
可由式(5)计算人在多种衣着和活动状态下对热环境的舒适感觉,并将这种感觉分为7级,国际标准化组织推荐的PMV范围在之间,处在此种环境下人群的预计不满意者比例不大于10%。目前国内一般认为PMV值在之间可视为热舒适环境(表1-3)。
本文对空调制冷、人进入房门与经过办公桌时的过程进行计算,取z=1.1m剖面的PMV进行分析,如图11,12所示。
由图11,12所示高度剖面(z=1.1m)的PMV分布可以看出在空调房间内,人体移动对于PMV与其对温度分布的状况基本一致,这是因由式(5)已知PMV的分布差异主要与温度的差异有关,人体移动对整个房间的热舒适性影响不大。对整个房间的热舒适性起决定性影响的应当是通过自然通风或者空调制冷使整个房间达到的温度水平。
3 结论
综上所述,人体在室内的移动会对温度场与速度场造成影响,对温度场的影响仅限于移动人体附近,但是会影响整个速度场的分布,且其影响程度与人体移动速度与平均流速之差有关。同时人体的移动速度会影响热环境,速度越大影响越大,人体的移动位置也会影响热环境,并且与人体移动方向以及初始稳定流场相关。人体移动对整个房间的热舒适性影响不大,对整个房间的热舒适性起决定性影响的应当是通风或者空调制冷使整个房间达到的温度水平。
摘要：基于CFD方法分析了人体移动过程对某学生工作室内部环境热舒适性的影响。建立该学生工作时的全尺寸几何模型,并采用动网格方法模拟人体移动时引起的非稳态流动,求解三维非稳态雷诺时均N-S方程来获得室内的气流流动特性。结果表明,人体移动会对室内的温度场与速度场造成不同程度的影响,同时人体的移动速度大小与人体移动的方向都能够对室内热环境产生影响,分析结果可以为评估在大规模人员流动下的火车站或者大型商场的热舒适性提供一定的参考。
关键词：动网格,自然通风,数值模拟,PMV,热环境
参考文献
[1]Mattsson M,Sandberg M.Velocity field created by moving objects in rooms[C]//Proc.ROOM VENT.1996,96:547-554.
[2]袁昊.人体移动对室内环境的影响研究[D].长沙:湖南大学,2005.
[3]张泉,袁昊,张国强,等.室内人体移动过程对热舒适的影响研究[J].湖南大学学报:自然科学版,2007,34(8):1-5.
[4]Brohus H,Balling K D,Jeppesen D.Influence of movements on contaminant transport in an operating room[J].Indoor air,2006,16(5):356-372.
[5]Poussou S B,Mazumdar S,Plesniak M W,et al.Flow and contaminant transport in an airliner cabin induced by a moving body:model experiments and CFD predictions[J].Atmospheric Environment,2010,44(24):2830-2839.
[6]王强,黄义龙,曹芹.夏热冬冷地区“双层皮”玻璃幕墙节能技术研究[J].节能技术,2006,24(1):46-49.
[7]张立敏,雷振东.关中农村现有砌体材料建造技术与艺术的发展研究[J].建筑技术,2014,45(11):1015-1018.
[8]亢燕铭.建筑环境学[M].中国建筑工业出版社,2001.