本發(fā)明涉及一種空調(diào)負(fù)荷計(jì)算技術(shù)，特別涉及一種大空間噴口送風(fēng)分層空調(diào)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

大空間建筑分層空調(diào)下的熱環(huán)境，室內(nèi)空氣垂直溫度分層、梯度明顯和上下溫差大以及屋頂壁面溫度分布的特點(diǎn)導(dǎo)致大空間分層空調(diào)負(fù)荷與普通房間計(jì)算方法不同。即大空間室內(nèi)復(fù)雜的氣流組織、室外環(huán)境變化、室內(nèi)熱源分布等的影響，都會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)熱環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的變化和對(duì)流熱轉(zhuǎn)移量的變化，因此對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算一直是設(shè)計(jì)人員的難題。

目前大空間建筑分層空調(diào)負(fù)荷計(jì)算方法采用由陸耀慶教授主編的《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》中提及的方法，該方法指出分層空調(diào)負(fù)荷包括常規(guī)空調(diào)區(qū)負(fù)荷(如圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷、室內(nèi)熱源負(fù)荷、新風(fēng)或滲透風(fēng)負(fù)荷等)以及非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移的輻射轉(zhuǎn)移熱和對(duì)流轉(zhuǎn)移熱形成的負(fù)荷，并通過模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測對(duì)照，得出影響熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷的因素以及計(jì)算方法。具體計(jì)算方法為：(1)常規(guī)空調(diào)區(qū)負(fù)荷則采用傳統(tǒng)全室空調(diào)負(fù)荷計(jì)算方法計(jì)算；(2)輻射轉(zhuǎn)移熱負(fù)荷采用冷負(fù)荷系數(shù)法：首先通過計(jì)算非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)地板輻射轉(zhuǎn)移熱，再乘以得熱系數(shù)c1(一般取1.3)，得到非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)的輻射轉(zhuǎn)移熱。繼而非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)的輻射轉(zhuǎn)移熱乘以冷負(fù)荷系數(shù)c2(取值范圍為0.45～0.72，一般取0.5)，得到輻射轉(zhuǎn)移負(fù)荷；(3)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算是通過對(duì)某廠房多次試驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)測，將結(jié)果回歸擬合成計(jì)算曲線并推廣應(yīng)用至大空間建筑中，將形成對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷的關(guān)鍵因素——由噴口送風(fēng)、內(nèi)熱源、排風(fēng)三者作用推動(dòng)的空調(diào)區(qū)與非空調(diào)區(qū)間的氣流運(yùn)動(dòng)及其攜帶的能量轉(zhuǎn)移簡化為空調(diào)區(qū)熱強(qiáng)度、非空調(diào)區(qū)熱強(qiáng)度與排熱量三者之間的對(duì)比關(guān)系，通過查圖可以得到對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷。

從上述可以看出對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷作為分層空調(diào)冷負(fù)荷的重要組成部分，由于上述對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷的計(jì)算方法研究程度受限于當(dāng)時(shí)大空間建筑熱環(huán)境，其中采用了許多經(jīng)驗(yàn)取值與汽輪機(jī)高大廠房實(shí)測數(shù)據(jù)，且實(shí)驗(yàn)和實(shí)測條件單一。基于目前大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境研究程度，當(dāng)時(shí)的計(jì)算方法存在一定的缺陷與不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對(duì)目前大空間建筑分層空調(diào)負(fù)荷計(jì)算方法受限當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)的問題，提出了一種大空間噴口送風(fēng)分層空調(diào)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算方法，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出并建立block-gebhart模型，求出穩(wěn)定傳熱下的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷理論計(jì)算模型。發(fā)明中利用縮尺模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證理論模型的正確性與可靠性，進(jìn)而利用數(shù)學(xué)模型分析影響對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷的主要因素。得到計(jì)算對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷的線算圖并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并輔以現(xiàn)場實(shí)測，后期再結(jié)合輻射轉(zhuǎn)移負(fù)荷理論計(jì)算模型研究噴口送風(fēng)下的分層空調(diào)輻射轉(zhuǎn)移負(fù)荷，探究出系統(tǒng)初步適用于噴口側(cè)送風(fēng)的分層空調(diào)計(jì)算方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種大空間噴口送風(fēng)分層空調(diào)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算方法，具體包括如下步驟：

1)分析對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷，建立block-gebhart模型：大空間室內(nèi)噴口送風(fēng)系統(tǒng)下，噴口安裝高度為分層高度，該高度為非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)的分界面，上為非空調(diào)區(qū)，下為空調(diào)區(qū)，對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷包括非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)流動(dòng)帶來的熱量以及分界面上的溫差換熱，block模型將室內(nèi)環(huán)境在豎直方向上劃分為若干個(gè)控制區(qū)，預(yù)測計(jì)算大空間建筑室內(nèi)垂直溫度分布，采用gebhart吸收系數(shù)方法，綜合考慮室外環(huán)境傳熱、室內(nèi)內(nèi)表面輻射換熱及室內(nèi)熱源輻射三者共同影響的導(dǎo)熱、對(duì)流以及輻射耦合換熱，求解室內(nèi)壁面溫度分布，并以此作為block模型計(jì)算的邊界條件，使用block-gebhart模型同步求解對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷；

2)block-gebhart模型求解對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在氣態(tài)縮尺模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)噴口送風(fēng)系統(tǒng)下，進(jìn)行大空間室內(nèi)溫度場與對(duì)流轉(zhuǎn)移熱負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，分析影響對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷的關(guān)鍵性因素，利用非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)熱強(qiáng)度比、排熱比、無因次對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷三者的關(guān)系制出線算圖，簡化計(jì)算對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷，為實(shí)際所用。

所述步驟1)中block模型采用基于多區(qū)熱質(zhì)平衡block模型，用于預(yù)測大空間建筑室內(nèi)垂直溫度分布；

假設(shè)除空調(diào)射流影響區(qū)域外，室內(nèi)環(huán)境在水平方向上是均勻分布的，利用集總參數(shù)法的概念，針對(duì)每個(gè)控制主流區(qū)域分析質(zhì)量流動(dòng)和能量傳遞情況，分別建立質(zhì)量和能量平衡方程，然后初設(shè)各控制區(qū)的主流區(qū)域空氣溫度及其壁面溫度，經(jīng)過一系列迭代運(yùn)算，最后計(jì)算出允許誤差內(nèi)各控制區(qū)的溫度，從而得到室內(nèi)垂直溫度分布(t1，t2，t3···tn)，n為豎直方向上劃分的控制區(qū)域總個(gè)數(shù)；取噴口安裝高度為分層高度，該高度為非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)的分界面，即1-f層為空調(diào)區(qū)，f層以上為非空調(diào)區(qū)，對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算公式如下：

qd＝cpmcf(tf+1-tf)+cbfabf(tf+1-tf)

式中：qd為非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷，單位w；cp為空氣定壓比熱，單位kj/(kg·℃)，對(duì)于空氣可取值1.01；mcf為非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)的空氣質(zhì)量凈流量，單位kg/s；tf+1,tf分別為非空調(diào)區(qū)最低層和空調(diào)區(qū)域最高層空氣溫度，單位℃；cbf為非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)溫差換熱系數(shù)，單位w/(m²·℃)；abf為非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)的分層界面面積，單位m²。

所述步驟1)使用block-gebhart模型同步求解對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷具體包括步驟如下：

a:優(yōu)化噴口多股射流計(jì)算模型，建立壁面流動(dòng)模型和多區(qū)域間熱質(zhì)交換模型；

b:利用block邊界條件-壁面溫度求解對(duì)流輻射耦合換熱：根據(jù)建筑的幾何條件，劃分為壁面，并求解壁面之間的角系數(shù)和gebhart吸收系數(shù)，通過假設(shè)壁面的初始溫度分布，根據(jù)室內(nèi)空氣溫度分布、室外環(huán)境參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)以及室內(nèi)熱源為邊界條件，計(jì)算出導(dǎo)熱量、輻射量，最后根據(jù)耦合熱平衡方程，聯(lián)立求解可得壁面溫度的分布；

c:根據(jù)block-gebhart模型建立風(fēng)量與能量平衡方程；完成各個(gè)區(qū)域子模型的計(jì)算后，建立每個(gè)block區(qū)域的質(zhì)量平衡和能量平衡方程，然后聯(lián)立方程組迭代計(jì)算并求解出室內(nèi)空氣垂直溫度分布、壁面溫度分布以及對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷，對(duì)于任意一塊block主流區(qū)域，建立方程；

d:block-gebhart模型同步求解：

(1)假設(shè)初始溫度,假設(shè)初始空氣垂直溫度分布和壁面溫度分布，初始壁面溫度分布輸入gebhart模型壁面導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射耦合換熱方程中，以block模型計(jì)算的空氣垂直溫度結(jié)果作為邊界條件，初始空氣垂直溫度分布輸入block熱質(zhì)平衡方程中，該模型以gebhart模型計(jì)算的壁面溫度結(jié)果為計(jì)算的邊界條件，兩個(gè)模型參數(shù)相互輸入；

(2)迭代計(jì)算:將第二步得到的室內(nèi)空氣溫度、壁面溫度分布與第一步的初設(shè)值比較，當(dāng)兩者誤差不滿足<10^-6時(shí)，將其賦值于初設(shè)值，返回第一步開始重復(fù)計(jì)算；

(3)如此循環(huán)迭代求解壁面溫度分布和室內(nèi)垂直溫度分布，當(dāng)前后兩次兩者計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差同時(shí)<10^-6時(shí)，即認(rèn)為最后兩次的室內(nèi)空氣溫度分布及壁面溫度分布計(jì)算結(jié)果為問題的解，并取此時(shí)平衡方程組計(jì)算得到的分層界面上的凈流量來計(jì)算非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷；根據(jù)得到的內(nèi)壁面溫度、室內(nèi)垂直溫度以及非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)分層界面上的空氣凈流量,再根據(jù)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算公式從而得到分層空調(diào)的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明大空間噴口送風(fēng)分層空調(diào)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算方法，可對(duì)射流模型進(jìn)行優(yōu)化，所得到優(yōu)化的block-gebhart擴(kuò)展模型可以深入分析大空間分層空調(diào)室內(nèi)熱環(huán)境變化情況，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行大空間垂直空氣溫度和壁面溫度的耦合計(jì)算，探究得到初步適用于噴口側(cè)送風(fēng)的分層空調(diào)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷的計(jì)算方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明大空間噴口送風(fēng)分層空調(diào)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算方法技術(shù)路線圖；

圖2為本發(fā)明壁面流模型圖；

圖3為本發(fā)明室內(nèi)block模型示意圖；

圖4為本發(fā)明非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)熱強(qiáng)度比與對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷之間關(guān)系圖；

圖5為本發(fā)明縮尺模型線算圖驗(yàn)證圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示大空間噴口送風(fēng)分層空調(diào)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算方法技術(shù)路線圖，方法具體包括以下步驟：

步驟1：分析對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷的形成原因；

大空間室內(nèi)噴口送風(fēng)系統(tǒng)下，噴口安裝高度為分層高度，該高度為非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)的分界面，上為非空調(diào)區(qū)，在噴口送風(fēng)射流的卷吸作用下，使得非空調(diào)區(qū)域部分熱量轉(zhuǎn)移到空調(diào)區(qū)域，立即全部成為空調(diào)區(qū)域的冷負(fù)荷。對(duì)流熱轉(zhuǎn)移發(fā)生的根本原因主要?dú)w結(jié)為非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)的以下兩點(diǎn)：一是兩區(qū)域的溫差，二是兩區(qū)域的氣流流動(dòng)，兩者缺一不可。根據(jù)上述分析，對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷包括非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)流動(dòng)帶來的熱量以及分界面上的溫差換熱。因此，室內(nèi)氣流的流動(dòng)和溫差決定了對(duì)流熱轉(zhuǎn)移的發(fā)生以及對(duì)流熱轉(zhuǎn)移熱量的大小，而通常影響氣流流動(dòng)和溫差的因素主要有如下幾點(diǎn)：空調(diào)區(qū)域送風(fēng)、回風(fēng)量，空調(diào)區(qū)域送風(fēng)溫度，非空調(diào)區(qū)的排風(fēng)量，非空調(diào)區(qū)域與空調(diào)區(qū)域的得熱比。另外有些建筑形式，設(shè)有非空調(diào)區(qū)進(jìn)風(fēng)口、以及其他區(qū)域設(shè)有排風(fēng)口也均會(huì)影響室內(nèi)氣流流動(dòng)，本發(fā)明只針對(duì)上述羅列的4個(gè)主要因素進(jìn)行分析。

步驟2：采用基于多區(qū)熱質(zhì)平衡block模型，用于預(yù)測大空間建筑室內(nèi)垂直溫度分布；

使用block模型確定室內(nèi)空氣溫度分布時(shí)，壁面溫度分布會(huì)影響空氣溫度分布，故壁面溫度的確定方法是非常重要的。本文采用綜合考慮室外環(huán)境傳熱、室內(nèi)內(nèi)表面輻射換熱及室內(nèi)熱源輻射三者共同影響的導(dǎo)熱、對(duì)流以及輻射耦合換熱方法，即gebhart吸收系數(shù)方法，求解室內(nèi)壁面溫度分布，并以此作為block模型計(jì)算的邊界條件，使用block-gebhart模型同步求解方法來研究大空間建筑室內(nèi)熱環(huán)境。由于內(nèi)表面溫度和室內(nèi)空氣溫度是相互影響的耦合關(guān)系，需分別迭代計(jì)算，同步求解計(jì)算出以下參數(shù)，以此來計(jì)算對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷：

(1)室內(nèi)各區(qū)域內(nèi)壁面溫度；

(2)室內(nèi)各區(qū)域空氣溫度分布；

(3)各區(qū)域之間的質(zhì)量流量。

block-gebhart模型分析大空間噴口送風(fēng)下的室內(nèi)熱環(huán)境時(shí)，假設(shè)除空調(diào)射流影響區(qū)域外，室內(nèi)環(huán)境在水平方向上是均勻分布的，利用集總參數(shù)法的概念，針對(duì)每個(gè)控制主流區(qū)域分析質(zhì)量流動(dòng)和能量傳遞情況，分別建立質(zhì)量和能量平衡方程。然后初設(shè)各控制區(qū)的主流區(qū)域空氣溫度及其壁面溫度，經(jīng)過一系列迭代運(yùn)算，最后計(jì)算出允許誤差內(nèi)各控制區(qū)的溫度，從而得到室內(nèi)垂直溫度分布(t1，t2，t3···tn)。

根據(jù)上述分析，對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷包括非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)流動(dòng)帶來的熱量以及分界面上的溫差換熱，如圖2所示，取噴口安裝高度為分層高度，該高度為非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)的分界面，即1-4層為空調(diào)區(qū)，5層及以上為非空調(diào)區(qū)。因此對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷計(jì)算公式如下：

qd＝cpmc5-4(t5-t4)+cb5-4ab5-4(t5-t4)(1)

式中：qd——非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷，單位w；

cp——空氣定壓比熱，單位kj/(kg·℃)，對(duì)于空氣可取值1.01；

mc5-4——非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)的空氣質(zhì)量凈流量，單位kg/s；

t5,t4——非空調(diào)區(qū)最低層和空調(diào)區(qū)域最高層空氣溫度，單位℃；

cb5-4——非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)溫差換熱系數(shù)，單位w/(m²·℃)；

ab5-4——非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)的分層界面面積，單位m²。

為計(jì)算大空間建筑室內(nèi)垂直溫度分布，block模型將室內(nèi)環(huán)境在豎直方向上劃分為若干個(gè)控制區(qū)。若不考慮自然通風(fēng)、室內(nèi)熱源的影響，室內(nèi)氣流組織可歸納為3股氣流：壁面流、空調(diào)射流以及因垂直方向上的溫差形成的室內(nèi)主體氣流，假設(shè)室內(nèi)熱環(huán)境是由此3股射流之間進(jìn)行熱質(zhì)交換，共同作用的結(jié)果。對(duì)應(yīng)這3股氣流，在block模型中納入3個(gè)子模型分別進(jìn)行熱質(zhì)運(yùn)動(dòng)描述：壁面流模型、空調(diào)射流模型、區(qū)域間熱質(zhì)交換模型。根據(jù)區(qū)域熱質(zhì)平衡分析方法，block模型將室內(nèi)垂直方向上劃分為若干區(qū)域，如圖2所示。通過描述各block區(qū)域之間空氣熱質(zhì)傳遞過程，建立質(zhì)量平衡和能量平衡方程，求解各block區(qū)域溫度，以此得到室內(nèi)垂直溫度分布。

步驟3：優(yōu)化噴口多股射流計(jì)算模型；包括單股射流運(yùn)動(dòng)軌跡，非等溫射流軸心速度、溫度衰減公式，多股射流的疊加，卷吸特性等。

步驟4：建立壁面流動(dòng)模型和多區(qū)域間熱質(zhì)交換模型；圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面受室外環(huán)境溫度、室內(nèi)環(huán)境綜合影響，在內(nèi)表面附近區(qū)域會(huì)產(chǎn)生沿壁面向上或向下的氣流流動(dòng)。當(dāng)壁面相對(duì)于室內(nèi)空氣溫度是熱壁面，則該氣流流動(dòng)方向?yàn)橄蛏希?jì)算壁面空氣流動(dòng)時(shí)須以室內(nèi)最底層的block為起點(diǎn)開始計(jì)算；當(dāng)壁面相對(duì)于室內(nèi)空氣溫度是冷壁面，則該氣流流動(dòng)方向?yàn)橄蛳?，?jì)算時(shí)須從最高層的block開始逐層向下計(jì)算。圍護(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)自身四周的壁面的朝向、材質(zhì)等熱工參數(shù)的不同，會(huì)造成內(nèi)壁面溫度不同，因此將壁面按對(duì)應(yīng)的block從最底層到最高層分成k個(gè)不同的壁面進(jìn)行處理。如圖3所示壁面流模型圖，以夏季為例。壁面為熱壁面，壁面溫度高于附近空氣溫度，壁面與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱引起每層(blocki)空氣的出流量mout(i,k)匯合成沿壁面的氣流，空氣沿壁面流動(dòng)方向向上，壁面流流動(dòng)以最低block1為起點(diǎn)，開始逐層向上計(jì)算。中間任意一層blocki產(chǎn)生的質(zhì)量出流空氣(流量mout(i,k)，溫度為t(i))與從下層block(i-1)流來的混合氣流的空氣(流量為mmd(i-1,k)，溫度為tm(i-1,k-1))相遇合成后，形成質(zhì)量流量為mm(i,k)，溫度為tm(i,k)。該上升合成流繼續(xù)沿?zé)岜诿嫦蛏狭鲃?dòng)再根據(jù)合成流溫度tm(i,k)與blocki及block(i+1)的空氣溫度三者的大小關(guān)系，判斷部分或全部流回blocki，其余流量則流入上層block(i+1)，直到全部流入最頂層blockn。

壁面附近空氣溫度可以根據(jù)邊界層理論分析，blocki沿k壁面處邊界層的空氣溫度按下式計(jì)算。

td(i,k)＝0.75t(i)+0.25tw(i,k)(2)

式中，k為壁面序號(hào)，td(i,k)為blocki沿k壁面處邊界層內(nèi)平均空氣溫度，t(i)為blocki的空氣溫度℃，tw(i,k)為壁面k的溫度℃。

建立壁面附近質(zhì)量流動(dòng)換熱與自然對(duì)流換熱的平衡式如下式：

cpmout(i,k)[td(i,k)-t(i)]＝αc(i,k)aw(i,k)[tw(i,k)-t(i)](3)

式中，mout(i,k)為blocki沿k壁面的質(zhì)量出流量，kg/s，αc(i,k)為壁面k的對(duì)流放熱系數(shù)，w/(m²·℃)，aw(i,k)為blocki的壁面k的面積，m²，cp為空氣定壓比熱，w/(m²·℃)。

壁面與空氣間的自然對(duì)流換熱量等于邊界層處理流量攜帶的能量。

氣流合成時(shí)，壁面與空氣間合成上升流的風(fēng)量、熱量平衡方程如下：

mout(i,k)t(i)+mmd(i-1,k-1)tm(i-1,k-1)＝mm(i,k)tm(i,k)(5)

mm(i,k)＝mout(i,k)+mmd(i-1,k-1)(6)

混合氣流的溫度tm(i,k)：

且熱壁面上升流中從最上層block(n)流來的混合氣流的空氣流量mmd(n,k)＝0,從底層block(0)流來的混合氣流的空氣流量mmd(0,k)＝0。(當(dāng)i＝1時(shí)，沒有前一層i-1向i層的流動(dòng)量，因此mmd(0,k)＝0；當(dāng)i＝n時(shí)，沒有i層向后一層i+1的流動(dòng)量，因此mmd(n,k)＝0)

每層合成上升流流向下一層具體分配時(shí)，混合氣流分配過程：

mm(i,k)＝min(i,k)+mmd(i,k)(8)

混合氣流分配時(shí)，具體流動(dòng)方向和流動(dòng)量由混合氣流平均溫度tm(i,k)、本層blocki空氣層的溫度t(i)及下層block(i-1)空氣層的溫度t(i+1)三者比較來判斷，按比例全部或部分的流入blocki與block(i+1)，即流向本層的流動(dòng)量min(i,k)和流向下一層的流動(dòng)量mmd(i,k)其比例及判據(jù)如所表3示。

表3

大空間垂直方向上分成若干區(qū)域，假設(shè)每個(gè)block的主流區(qū)域內(nèi)溫度分布是均勻的，由于相鄰主流區(qū)域的溫度存在差異性，會(huì)導(dǎo)致區(qū)域間的空氣流動(dòng)，同時(shí)在相鄰block區(qū)域的分界面上也產(chǎn)生熱量交換。當(dāng)上部區(qū)域比下部區(qū)域溫度高時(shí)，此時(shí)空氣溫度分布呈穩(wěn)態(tài)，熱量會(huì)由上部區(qū)域傳至下部區(qū)域；當(dāng)上部區(qū)域比下部區(qū)域溫度低時(shí)，此時(shí)空氣溫度分布不穩(wěn)定，空氣在浮升力作用下流動(dòng)，直至上下空氣溫度均勻，此時(shí)，上下溫差換熱可以不予考慮。

當(dāng)block(i+1)比blocki主流區(qū)域空氣溫度高時(shí)，兩者換熱量如下式(9)所示。

qb(i+1,i)＝cpmc(i+1,i)[t(i+1)-t(i)]+cb(i)ab(i)[t(i+1)-t(i)](9)

式中，ab(i)為blocki與block(i+1)相鄰分界面面積m²，cb為溫差換熱系數(shù)w/(m²·℃)，t(i)為blocki的空氣溫度℃，mc(i+1,i)為blocki與block(i+1)區(qū)域間的空氣流動(dòng)kg/s，溫差換熱系數(shù)cb值大小表示block(i+1)向blocki傳遞熱量的大小程度，隨空間分層數(shù)量等因素變化。由實(shí)驗(yàn)測得，當(dāng)t(i+1)>t(i)時(shí)，cb＝2.3w/(m²·℃)；當(dāng)t(i+1)<t(i)時(shí)，由密度差引起的熱傳遞流強(qiáng)度增大，cb＝116w/(m²·℃)。

步驟5：利用block邊界條件-壁面溫度求解對(duì)流輻射耦合換熱；根據(jù)建筑的幾何條件，劃分為壁面，并求解壁面之間的角系數(shù)和gebhart吸收系數(shù)。通過假設(shè)壁面的初始溫度分布，根據(jù)室內(nèi)空氣溫度分布、室外環(huán)境參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)以及室內(nèi)熱源等為邊界條件，計(jì)算出導(dǎo)熱量、輻射量等。最后根據(jù)耦合熱平衡方程，聯(lián)立求解可得壁面溫度的分布。

步驟6：根據(jù)block-gebhart模型建立風(fēng)量與能量平衡方程；完成上述各個(gè)子模型的計(jì)算后，可以建立每個(gè)block區(qū)域的質(zhì)量平衡和能量平衡方程，然后聯(lián)立方程組迭代計(jì)算并求解出室內(nèi)空氣垂直溫度分布、壁面溫度分布以及對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷。對(duì)于任意一塊block主流區(qū)域，建立方程。

步驟7：block-gebhart模型同步求解；此模型同步求解的計(jì)算步驟如下：

其計(jì)算步驟包括：(1)假設(shè)初始溫度。假設(shè)初始空氣垂直溫度分布和壁面溫度分布，初始壁面溫度分布輸入gebhart模型壁面導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射耦合換熱方程中，以block模型計(jì)算的空氣垂直溫度結(jié)果作為邊界條件，初始空氣垂直溫度分布輸入block熱質(zhì)平衡方程中，該模型以gebhart模型計(jì)算的壁面溫度結(jié)果為計(jì)算的邊界條件，兩個(gè)模型參數(shù)相互輸入；(2)迭代計(jì)算。將第二步得到的室內(nèi)空氣溫度、壁面溫度分布與第一步的初設(shè)值比較，當(dāng)兩者誤差不滿足<10^-6時(shí)，將其賦值于初設(shè)值，返回第一步開始重復(fù)計(jì)算。(3)如此循環(huán)迭代求解壁面溫度分布和室內(nèi)垂直溫度分布，當(dāng)前后兩次兩者計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差同時(shí)<10^-6時(shí)，即認(rèn)為最后兩次的室內(nèi)空氣溫度分布及壁面溫度分布計(jì)算結(jié)果為問題的解，并取此時(shí)平衡方程組計(jì)算得到的分層界面上的凈流量來計(jì)算非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷。根據(jù)得到的內(nèi)壁面溫度、室內(nèi)垂直溫度以及非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)分層界面上的空氣凈流量,再根據(jù)qd＝cpmc5-4(t5-t4)+cb5-4ab5-4(t5-t4)計(jì)算方法從而得到分層空調(diào)的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷，其中qd非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷，cp空氣定壓比熱，mc5-4非空調(diào)區(qū)對(duì)空調(diào)區(qū)的空氣質(zhì)量凈流量，t5,t4非空調(diào)區(qū)和空調(diào)區(qū)域空氣溫度，cb5-4溫差換熱系數(shù)，ab5-4非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)的分層界面面積。

步驟8：block-gebhart模型求解對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；在氣態(tài)縮尺模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)噴口送風(fēng)系統(tǒng)下，進(jìn)行大空間室內(nèi)溫度場與對(duì)流轉(zhuǎn)移熱負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的高度和噴口所在位置，在垂直方向上將縮尺模型分為4個(gè)區(qū)域，對(duì)這4個(gè)block區(qū)域建立質(zhì)量與能量平衡方程。將block-gebhart模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)值與理論值之間的最大誤差為11.50％，六個(gè)工況的平均誤差為6.60％，由此可以說明利用block-gebhart模型計(jì)算對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷的可行性。

步驟9：將對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷與其關(guān)鍵性的影響因素之間的相互關(guān)系轉(zhuǎn)化為無因次對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷(相對(duì)非空調(diào)區(qū)得熱量下的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷)、非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)熱強(qiáng)度比、排熱比(相對(duì)非空調(diào)區(qū)得熱量下的排熱量)三者之間的關(guān)系并制成線算圖以便于實(shí)際應(yīng)用。

構(gòu)建先算圖的具體思路為：(1)確定研究的熱強(qiáng)度比分別是0.32，0.4，0.45，0.52，0.58；(2)分別計(jì)算出非空調(diào)區(qū)域和空調(diào)區(qū)各個(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)占總得熱量的比例，將非空調(diào)區(qū)域熱強(qiáng)度按照這個(gè)比例再分配到非空調(diào)區(qū)域的內(nèi)熱源上分別為：0，100w，200w，300w，400w；(3)按照不同熱強(qiáng)度比下模型計(jì)算的對(duì)流轉(zhuǎn)移熱負(fù)荷，分別計(jì)算無因次對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷；(4)改變排熱比，分別為0％，10％，20％，按照上述方式計(jì)算，得到最終的線算圖曲線，如圖4所示。由圖可知，在同一的排熱比下，隨著熱強(qiáng)度比的增大，從非空調(diào)區(qū)域流向空調(diào)區(qū)域的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移量也逐漸增大。這是由于得熱量直接作用于非空調(diào)區(qū)域，使得非空調(diào)區(qū)域的溫度上升，就會(huì)產(chǎn)生非空調(diào)區(qū)域向空調(diào)區(qū)域的熱擴(kuò)散。這樣，就加大了非空調(diào)區(qū)域向空調(diào)區(qū)域的熱轉(zhuǎn)移量。隨著排熱比增大，非空調(diào)區(qū)熱量被漸漸排除，減小了非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)的溫差，減弱了非空調(diào)區(qū)域向空調(diào)區(qū)域的熱擴(kuò)散，從而減小了非空調(diào)區(qū)域向空調(diào)區(qū)域的熱轉(zhuǎn)移量。

步驟10：對(duì)線算圖的縮尺模型驗(yàn)證，根據(jù)圖5可以看出，0％排熱比和10％排熱比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與原手冊計(jì)算曲線值差異較大，與本次研究的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷線算圖基本吻合，可以基本說明線算圖應(yīng)用的準(zhǔn)確性以及適用性。

最后，本發(fā)明所制線算圖從氣流流動(dòng)入手，使用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合并輔以現(xiàn)場實(shí)測的方式得到簡易的計(jì)算對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷的方法。本發(fā)明基于block-gebhart理論模型來分析大空間建筑的溫度分布、氣流流動(dòng)等室內(nèi)熱環(huán)境，根據(jù)非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)分界面區(qū)域間的溫差和流動(dòng)量來計(jì)算對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷，繼而分析出影響對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷的關(guān)鍵因素噴口送風(fēng)參數(shù)、室外傳到室內(nèi)的熱量分布、排熱等，利用非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)熱強(qiáng)度比、排熱比、無因次對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷三者的關(guān)系制出線算圖，以便于簡便計(jì)算對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷。