中庭建筑混合式通风垂直温度分布的机械模型和实验研究外文翻译资料

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中庭建筑混合式通风垂直温度分布的机械模型和实验研究

摘要

这篇文章的目的是对于大面积建筑的一个gebhart块模型的扩展，将被用于混合式通风垂直温度分布的预测。数学模型是自然通风再加上空调系统。空调系统和自然通风形成的室内热环境也可以为潜力分析和自然通风的最佳利用做指导。实验在上海建筑科学研究协会的中庭建筑中执行。这篇文章描述了上述模型，并发现计算结果显示此模型与测量数据一致。

1、介绍

混合式通风是一个双模系统，包括机械通风系统和自然通风。混合式通风可以应用在大空间建筑在维持可接受的室内空气质量和热环境的情况下能源消耗最小。

尤其是像中庭建筑一样的大空间，特征是开放和自然光，玻璃屋顶和墙壁被广泛应用于外壳，所以在外界环境情况的作用下垂直温度增大。上部开口形成的自然通风在消耗较低能量的情况下去除多余的热量上很有效率。因此，预测混合式通风造成的热环境垂直温度分布变得越来越重要。

以下是这篇文章的目的：

1. 建立一个新的扩展模型来预测大空间建筑中混合式通风造成的垂直温度分布；
2. 学习自然通风在垂直温度分布上的影响；

近些年，研究人员在大空间建筑中机械通风的温度分布上做了很多重大的研究工作。为了建立一个模型来预测温度分布，Nishioka et al.在一个大的巨蛋中进行了测量。他们的结果对规划空调系统很有帮助，其他研究人员也做过类似的现场测量。

为了给设计者提供决定通风系统执行情况的重要参数，一些模型产生了，例如Togar et al.和Heiselberg et al.的简化模型。一个更复杂的方法是基于湍流模型纳维叶-斯托克斯方程的数值解。

以上的方法和研究结果对一般环境下室内热环境的预测很有帮助，然而，他们不适用于描述大空间环境混合通风条件下的垂直温度分布。

考虑到这些因素之后，我们提出了一个预测混合式通风造成的垂直温度分布差异的扩展模型。在这个模型中，大空间中空气运动的主要元素假定为沿竖直壁面的气流，通过上部开口的自然通风气流和供应气流。沿壁面气流的计算是基于平板上边界层的分析。自然通风气流的描述是基于ASHARE标准的理论分析。供应气流的计算是基于非等温射流的理论模型。

2、扩展块模型

Togari et al.初次提出了用于预测垂直温度的方块模型。在他们的模型中，空间被竖直的分割成许多区域。壁面对流热流产生的沿垂直墙壁的上升和下降气流被测量出来。当空间有空调时，送风方式和从每个区域产生的风量也被测量。接下来，通过求解各区域的风流平衡方程和热平衡方程，就能得出垂直温度分布。

然而，在方块模型中做了很多假设：（1）供应空气是分布在整个大空间工作区域，没有考虑室内热源在气流上的影响；（2）墙体温度给定且恒定；（3）湿度转换对温度分布没有影响；（4）此模型仅用于没有自然通风和室内热源的封闭空间。

在此研究中，扩展块模型完善了上述因素的影响。如图一所示，我们的扩展模型包括了以下四个部分：

2.1 Gebhart吸收系数法与内墙表面温度的计算

在现实情况下热传导，热对流和热辐射在大空间区域的墙面上同时发生。另外，空气温度和像光源和其他设备一样的内部热源产生的辐射也会造成内表面间的辐射热交换。由于辐射传热非常依赖于墙壁的表面温度，预测室内和室外热环境影响下的墙体温度很有必要。根据墙体的能量平衡，就可以得出包括热传导，热对流和热辐射在内的能量公式。

图 1 混合式通风

在内表面上的辐射热交换实际上包括直接辐射和间接辐射。其中间接辐射包括单次反射辐射和多次反射辐射。Gebhart吸收系数是辐射热源从表面i得到的能量j和表面i的辐射总能量之比。众所周知单次反射辐射足以描述热交换，因为内表面的辐射热交换是长波辐射。所以直接辐射和单次反射辐射被用于此Gebhart吸收系数法。

我们认为热交换是一个稳态热分析，且内部热源以辐射平板为特征。

2.2 简单气流计算

如图1所示，空间被分成8个吸收区域，供应气流在区域（2），条件与之后描述的实验一致。供应空气与区域（2）产生的气体一起下沉最终到达区域（1）。在这种情况下，假定区域（1）的气流是总供应空气和产生气体的总和。所以供应空气在垂直温度分布上的影响可以通过气流计算模型取得。

在一个大空间中，供给空气的行为被假定为自由空气射流。众所周知，像商店、体育馆一样的大空间会有许多发热源，例如电脑、各种设备、人类等等。在装有空气调节设备的区域地面水平位置的局部热源产生的羽流是设计建筑通风的重要因素。在本文中，这些源被视为纯浮力源，其特征在于在冷却系统中的零初始动量通量，其中冷空气由喷射扩散器喷射到空间。

因此一个恒定的浮力通量可能是由喷射扩散器产生的下降的冷空气对空间中空调区域的改变。

为了计算补给气流的路径和产生气体的体积，制定出室内热源影响的非等温射流的数学物理模型，用于分析动量联合作用和浮力源造成的流体力，且用于确定供给空气进入的最后空间。

图2 自然通风

2.3 自然通风模型

众人皆知自然通风在季节变换中去除多余热量的同时得到好的空气质量是很有效率的。通过开口处自然通风的基本物理原则是空气密度比。为了去除停滞在大空间上层区域的多余热量，上方开口产生的自然通风是混合式通风的主要因素。所以自然通风的执行可以由图2所示的自然通风模型所描述。

为了确定自然通风在垂直温度分布上的影响，必须首先确定内部和外部气温影响的自然通风风量。

2.4 各区域风量平衡和热平衡

2.4.1沿壁面气流的模型

沿竖直壁面气流作为例子，当空间中有空气调节设备时，房间通过墙面浸透到外部的冷却能力和同时壁面附近的空气热量形成沿墙的上升流。

Togari rt al.曾经做过这样的沿竖直墙壁的气流的模型，且假定在块模型的上升气流温度时内表面温度已知。为了研究外部热环境和内部热交换的影响，内表面温度可以用我们的扩展块模型的Gebhart吸收系数法所描述。以下

2.4.2 垂直相邻区域温差的传热

传热的产生是由于如下描述的垂直相邻区域的温差，且假定上部区域的温度比相邻区域的温度高。

2.4.3 各区域风量、湿度和焓平衡

图3 自然通风的四种情况

图3所示的通过区域的自然通风行为总共有四种情况。

（1）在区域I中没有大空间的入口和出口，通过区域I的自然通风气流假定为从区域I-1上升到到区域I，并且当气流上升到区域I时保留在区域I-1时的温度。

（2）在区域I有一个入口，所以通过入口处的自然通风环境气流也加到区域I中，如图1（b）所示。

（3）区域I有一个排出空气的出口，在区域I的风量和热传递表示为

（4）区域I同时包含入口和出口，且两开口的高度不同，如图1（d）所示。

3、计算步骤

首先，根据假定的墙面温度分布，自然通风的气温和风量可以通过扩展块模型的循环迭代计算得到。其次，测得的气温可以赋值到焓平衡公式中，从而通过Gebhart模型来预测表面温度。当墙面温度和空气温度在误差内时，计算终止，如图4所示。

图4 计算步骤

4、实验

建立基于大空间建筑室内热环境的实验。被研究的大空间建筑是上海建筑科学研究机构的一个中庭建筑（如图5所示）。它包括一层的展览馆，二层和三层的一些在中庭建筑外围的办公室。该建筑高13m，排气孔安装在10m高处。

中庭建筑使用中央空调。两个FCU的调节系统装在中庭建筑中。一层的冷空气来自于3.5米高处的13个开口。回风主要通过墙上的回风口排出。

基于上述模型，我们通过温度变化、室内热源、含气率、上方开口和其它参数来研究空调和自然通风形成的室内热环境，这为自然通风、控制和提升室内热环境奠定了理论基础。我们中庭建筑的不同环境下执行现场测量。

在垂直的R2，R5，R6和R7处有41个测量点来记录室内气温和墙面温度（如图6所示）。R1，R3，R4的测量点用来测量二层和三层走廊的温度。所有数据均在稳态条件下测得。通常30 min后实现平衡。

图5 中庭建筑的外观

图6 测量点位置

如表1所示，在不同温度和上方开口下执行现场测量。测量结果可用于证实上述数学模型和自然通风的潜在节能方法。

表1 实验数据

图7 理论值与实际值的比较

5、修正块模型计算

如图1所示，建筑被垂直分割成10个区域。令最上层为区域8，最下层为区域1。自然通风的气流通过区域3、5、7，在区域8排出。

图7展示了计算和测量结果的比较，模型和实验的一致性良好。因此，一般的垂直温度分布可由上述理论模型预测。通过入口的外界气流的温度和入口位置是自然通风潜在节能的重要因素。通过室内垂直温度分布发现，自然通风是消除中庭建筑上部区域多余瘀热和直接降温的好方法。

图8 自然通风的潜在节能

6、关于自然通风节能潜力的探讨

6.1 环境空气容量的影响

不同空间环境空气容量有所不同。气流通过排气口可以去除上瘀热，气温也因此降低。然而，当含气率从1.5kg/s增加到15kg/s导致风量增加时气温降低并不明显。所以虽然自然通风是排出上瘀热的好方法，但是通风风量不是控制如图8所示的室内上层空间气温降低幅度的主要因素。

6.2 环境空气温度的影响

与环境空气的风量相比，气温的降低随环境空气温度的增加呈线性变化。自然通风不是时刻对降低室内气温有影响，而且若环境温度过高则有害。以中庭建筑为例，自然通风带来的热量将高于上瘀热，相反如果环境气温超过35摄氏度与没有自然通风相比通风将加重热负担。所以35℃是高临界值，超过此数值时应关闭上部开口。

6.3 上部开口位置的影响

自然通风气流可分别进入区域3、5和7，并从区域8排出。高环境温度不仅对空调区域有害，而且若气流进入区域3这样的低入口，则会扰乱空调区的分层表面。开口位置设于高处不仅能避免环境温度带来的坏影响，也能更好的排出上瘀热。

7、结论

通过理论分析和实验研究了机械通风系统和自然通风共同工作的两模式系统行为。基于块模型和自然通风的理论建立了预测混合式通风垂直温度分布的理论模型。理论模型预测了中庭建筑由混合式通风产生的垂直温度分布，并用现场实验证明其准确性。

集中供冷供热：技术回顾和潜在增强

摘要

集中能源系统是验证可行的，并且被认为在将来可能提高热网络的扩展技术。不同定义、类别和应用下的集中供冷供热的讨论是描述集中供热系统的元素。而且从几个角度和不同地点和应用上考察，热电联供（CHP）与集中能源一体化使热电联产成为可能。集中供冷供热的一个主要优点是其环境效益，这在细节中得到了解释。判定任何一个热网络系统工程的主要因素是热网络系统的经济学，从工业、政府和社会前景上考量。此外，基于多种调查来提议政府层面的有关规例。集中能源的效能是讨论和火用分析，作为一个计算热网络性能的有效方法。最后，集中能源技术对社区的其它益处也被指出。集中供冷和供热的审议考虑技术，经济和环境方面，并帮助确定集中能源系统未来研究的可能性。

简介

目前人类面临着严重的能源和环境问题。我们生活的环境受到了威胁，例如温室气体（GHG）排放增加并在大气中聚集，就其潜在的气候变化而言，已经超过了临界点。其它严重的环境问题有空气污染、酸雨和平流层臭氧减少。如果没有减少温室气体排放的重大措施，在未来气候变化的严重影响将增加。应对能源和环境挑战的一个重要手段是合理有效的利用能源，包括减少能量浪费，能量再利用和使用低碳燃料。Rosen描述了一个通过非化石燃料的替代能源和其他方法来应对全球变暖的方法。

电力生产和其它工业工程的过程中除了产生很多需要的能源外，还产生了废热。在利用废热上实施了很多研究，包括循环，减少化石燃料和其它能源资源的使用。像工业废热一样，使用从像太阳或地热能这样的可循环能源资源中来的低温热，在集中供热方面是很有吸引力的。Lund et al.也指出利用工业废热、垃圾焚烧、电厂废热、地热能与一个DE网结合，就可以运转低能源建筑。Wetterlund和Soderstrom说DE系统在减少化石燃料使用的同时为利用生物质和其它燃料提供了一个有效的方法。

使用废热既能提高效率又能避免排放的产生，帮助提高环境质量。能效需要使用较少能量来完成一个给定的过程，例如节能器械和装备的运作。工业废热可以转化为有用的能量形式。最终用户消耗能源产生的温室气体可以通过节能减排实践减少。可持续集中供冷供热在减少温室气体排放和空气污染上有着重大影响，例如众所周知的Patil et al.的使用美国能源部数据。

Fumo et al.描述了一个应用热激活原件回收废热的技术，这被认为是通过燃料的智能使用和能量高效利用应对全球变暖的重要方法。Fumo et al.把冷热电联供系统（CCHP）作为一个集成系统，供应从主源回收能量，并对建筑物生成供冷和供热。他们提供了一个关于CCHP的环境途径来确定排放运行策略。Fumo和Charma通过一次能耗分析扩展了这项工作。

在加拿大，居民区空间供冷供热和水暖产生了百分之77的温室气体排放。一个生产冷热流体的集中式局部热能系统，并且把它们分送至社区各处，将可能为解决社会能源问题作出巨大贡献。有了这样一个产品和分布系统，不仅在减少能源消耗的情况下为社区提供了热水和冷热空气，而且减少了温室气体的排放。此外，与在每个建筑中单独使用可循环利用能源相比，通过这样一个集成系统用可循环利用能源提供能量的方法会更加便捷，

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