植物展览温室热压自然通风降温预测模型应用_王海东.pdf

第 卷 第 期 年 月 中 国 水 运 植物展览温室热压自然通风降温预测模型应用 王海东 聂 喆 汤 毅 陆 飞 徐春健 王 琳洁 杨庆华 上海理工大学 上海 上海市安装工程集团有限公司 上海 上海机电工程智能化控制及系统调试工程技术研究中心 上海 上海世博文化公园建设管理有限公司 上海 摘 要 展览温室作为植物展示和生长的空间 常常面临温室效应和过热的问题 在展览温室的初步设计阶段 以 经验公式得到的开口流量系数 用于展览温室自然通风计算是不严谨的 文中以上海某展览温室为例 结合室内热 量平衡与自然通风理论 建立了基于热量平衡的自然通风数学模型 并采用 数 值模拟方法对窗 口流量系数 进 行校核 最终通过全尺寸数值模拟验证了展览温室的自然通风预测模型 研究结 果对于植物园展览温室的自然通风 预测具有指导意义 关键词 热压 自然通风 展览温室 数值模拟 数学预测模型 中图分类号 文献标识码 文章编号 展览温室建筑为植物提供生长和展览空间 通常是高大 和开放的大空间建筑并且有大面积的玻璃幕墙或天窗 造成 温室效应极为突出 玻璃容易透过太阳短波热辐射 而不 容易透过地面 墙体及植物表面等发出的长波热辐射 使得 太阳辐射大量积蓄在温室内从而使温室增温 夏季温室效 应导致升温和过热则对植物生长不利 因此 必须采用一定 的降温措施 对植物展览温室而言 透明围护结构造成的太 阳辐射得热是促进热压自然通风的重要影响因素 与开口的 流量系数相结合 共同影响自然通风的风量和降温效果 文中以上海某展览温室为例 基于对太阳辐射得热量和 围护结构传热理论的分析 建立展览温室基于热量平衡的自 然通风数学模型 对于影响自然通风量的孔口流量系数 采 用 数值模拟 总结了单热压下的上悬窗等建筑开口 自然 通风的窗 口流量系数 分 析了开度 窗 墙比和开窗形式对展 览温室通风的影响规律 最终对展览温室进行全尺寸的数值 模拟以验证温室自然通风预测模型 为植物园展览温室自然 通风设计与运营提供 一定的指导作用 一 研究方法 展览 温室负荷理论 采用热压自然通风对温室进行降温 室内温度一般高于 室外温度 因此围护结构热传递方向应向室外散热 在近似 稳定的条件下 温室内的热量平衡方程如式 所示 式中 为太阳辐射得热量 为自然通风带走的 热量 为温室围护结构向室外的传热量 建筑表面接受的太阳辐射得热量包括直射辐射和散射辐 射两部分 直射辐射和散射辐射计算如公式 所示 式中 心为水平面与垂直面接受直射辐射与散射辐射 之和 忍为水平面 直射辐射强度 心为垂 直面直射辐射强度 为水平面散射辐射强度 为垂直面散射辐射强度 太阳辐射对室内负荷主要有两个方面的影响 一方面太 阳辐射透过透明的围护结构形成负荷 另一方面 温室围护 结构吸收太阳辐射 会将一些热量留在围护结构内部形成负 荷 根据能量守恒方程 上述太阳辐射各部分热量进入室内 形成得热可以写成式 式中 为建筑水平面面积 心为建筑垂直面面 积 为透明围护结构透射率 为透明围护结构吸 收率 展览温室自然通风进行降温 热压计算采用公式 式中 为重力加速度 为空气进口与空气出口的中 心高度差 为室内外空气密度 空气从室外流入温室内 结合伯努利方程可通过开口的 通风量表示为式 式中 为空气密度 为开口流量系数 为开口面 积 为通风量 对于自然通风带走的热量如式 所 示 式中 为空气比热容 通过围护结构向外传递的热量包括门 窗 墙壁向室外 的传热量和地面传热量两部分 其具体计算公式如下 收稿日期 作者简介 王海东 上海理工大学 基金项目 上海市 年度 利 技创新行动计划 社会发 展科技攻关项目 课题编号 第 期 王海东等 植物展览温室热压自然通风降温预测模酿用 开口角度 窗墙比 图 流量系数与建筑窗墙比拟合曲线 在图 中 横纵坐标分别表示窗墙比大小和流量系数计 算值 流量系数与窗墙比成正比关系 其拟合曲线公式如式 所示 式中 为流量系数 为建筑窗墙比 建筑开口角度对流量系数的影响分析 文中对建筑开 口角度 对流量系数的影响进行分析 开 口 使用上悬窗开口形式 建筑窗墙比为 建筑开口角度对 流量系数的影响共计 种工况 结果如下图所示 流量系数计算结果如图 所示 随着窗墙比的不断增加 流 量系数会随之变大 不同工况流量系数在 之间 种工 况的平均值为 将不同工况下得到的流量系数进 行拟合 结果如图 所 示 图 流量系数与建筑开口角度拟合曲线 在图 中 横纵坐标分别表示开口角度大小和流量系数 计算值 随着建筑开口角度的不断增加 流量系数也会随之 变大 不同工况流量系数在 之间 开口角度对流 量系数的影响较大 不同开口角度间流量系数相差明显 其 拟合曲线公式如式 所示 式中 为建筑开口角度 建筑开口形式对流量系数的影响分析 在建筑窗墙比为 开口角度为 的条件 下对建 筑不同开 口形式 对流量系数的影响进行分析 建筑开 口形式 对流量系数的影响共计 种工况 流量系数计算结果如表 所示 式中 罵为温室围护结构传热系数 朽为 温室围护结构面积 为 室内 外 环境温度 为温室地面各分区传热系数 为温室地面 各分区面积 温室 自然通风预测模型 考虑展览温室热平衡时 温室冷负荷和自然通风带走的 热量相等 因此将以上公式联立可构建出温室室内温度与自 然通凤的相关关系 如式 所示 沾 沾 句 对于式 与中的 建筑平面接受太阳辐射强度与室外空 气密度均可通过气象数据确立 但对于开口流量系数的取值 文中通过理论模型确立 模拟基对理论 展览温室属于典型的高大空间建筑 具有非常复杂的边 界条件下 涉及的控制方程 主要包括 动量方程 能量方程 连续性方程 方程表达如下通用形式 己 炉 式中 为空气密度 屮为通量 代表空气的速度 温 度 揣流动能 湍流耗散率及温度等 在连续方程中屮 为时间 为各变量屮对应的扩散系数 为 源项 二 开口流量系数模拟计算 流量系数计算模型 为了使温室自然通风数学模型结果更加准确 需要在热 压驱动力计算准确的基础上 对开 口流量系数 进行精确地计 算 文中将温室展览建筑理想化为如图 所示的模型 本研究采用 进行数值模拟 建筑雛尺寸 为 长 宽 高 模拟采用 软 件进行 压力速度解耦采用 算法 对流项采用混 合差分格式 收敛判据为各计算项残差值低于 迭 代次数约 次能够确 保模拟基本收敛 窗口流量系数应用 因素分析 建筑窗墙比对流量系数的影响 结合模拟结果 针对建筑围护结构窗墙比对流量系数的 影响进行分析 开口使用上悬窗开口形式 采取五种工况 模拟值 拟合曲线 毅 中 国 水 运 第 卷 距地面高 图 展览温室夏季高太阳辐射工况不同高度温度分布云图 从图 中可以看出 选取温室不同高度的室内平均温度 分别为 和 室内平均温度为 卩 根据模拟与计算结果 模拟值与预测值之间存在约 的相对误差 整体而言 自然通风预测模型仍能较好地预测 室内的温度分布 四 结论 通过对某植物园温室展览馆的自然通风理论模型中的窗 口 顏系数校核与 模拟结 果对比验证 得出以下结论 自然通风开 口流量系数与 建筑窗墙比大小 建筑开 口角度 大小成正比 且建筑开 口角度 对流量系数的影响较为 明显 温室自然通风预测模型结合实际工程 植物园展览温 室窗墙比约为 使用上悬窗开口形式 且开口角度最 大为 开口流量系数按照 进行计算 舰数值麵验证温室自然通网预测麵 滕了全 年夏季最不利工况 即室外温度为 太阳辐射强度为 建節 口全开 根据温室展览馆的自靡顧膜拟 与预测计算结果 存麟 的相 对體 总 体贿 自然 通风预测樹类纖筑的设计 运营提供了可靠的参考依据 参考文献 王亮 卢军 越 等 窗户 开启方式对居室 内部 自 然通风 的影响分析 重庆大学学报 北京植物园展览温室设计组 展览温室人工环境设计 建筑创作 付祥钊 檀姊静 热压自 然通风网络模型及通风量计算方 法 煤气与热力 距地面尚 距地面高 类别 名称 输入值 开窗总面积 模型输入值 室外湛度 太阳輻射强度 温室 自然通风预测结果与验证 以上各参数输入到自然通风预测模型中可以得到以下数 据 如表 所 示 表示在室外温度和太阳辐射强度分别为 和 情 况下 室内温度理论值为 表 自然通风预测模型结果 类别 名称 输出值 开口面积 预测结果 开口面积所占比例 室内温度 结合预测结果 本研究使用 软件按照展览 温室场馆实际尺寸进行建模 以预测模型的输入参数与结果 设置边縣件 进行数值觀 以麵预测模型的准确性 表 不同开口形式下的流量系数计算结果统计 工况 窗墙比 面积 开窗形式 压差 流量 流量系数 上悬窗 下悬窗 平开窗 根据表 可以看出 不同开 口形式 对流量系数并无较大 影响 相比而言 上悬窗流量系数略大 自然通风效果会更 好 一些 上 述模拟总结的自然通风开 口流量系 数 可以用于 计算温室自然通风的风量和温度 为工程简化评估自然通风 提供参考 三 温室自然通风预测模型验证 工程概况 文中选取坐落于上海的某植物园温室展览馆为对象 对 比理论模型计算结果和 娜结果进行校核 该温室外形 为不规则结构 围护结构为玻璃幕墙 是一个典型的含大面 积透明围护结构的大空间建筑 展览温室侧面和屋顶的围护 结构面积分别为 和 开口总面积约 为 通风开口与透明屋顶如图 所示 图 温室屋顶平面图 模型参数确定 结合温室自然通风预测模型 将室外温度和太阳辐射强 度作为输入项 输出项为室内温度 为了直观体现开口大小 将开口所占比例也作为输出项输出 本项目展览温室窗墙比 约为 窗口为上悬窗形式 流量系数取 参数来源使用 气象数据中上海典型年气象参数 选取的日期为 月 日 时间为下午 点 此时室外温度 和太阳辐射强度分别为 和 表 自然通风预测模型输入输出参数