楊 娜，戴振宇

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

1 引言

對流換熱是一種常見的熱量傳遞現(xiàn)象，主要發(fā)生在固體物質(zhì)表面。這種熱傳遞現(xiàn)象的發(fā)生條件相對苛刻，只能發(fā)生在流動氣體與固體表面相接處的情況下。最基本的對流換熱行為依靠流體中質(zhì)點的不斷移動，來促進熱量的完全傳輸，且平均傳輸速率始終與流體的流動狀態(tài)保持制約影響關(guān)系。當換熱形式發(fā)生改變時，流體各部分溫度會出現(xiàn)明顯的差異性，進而引發(fā)流體密度的快速變化，這種由密度改變引起的熱量運動即為自然對流換熱[1]。而由風機等外界設(shè)備引起的熱量運動即為受迫對流換熱，在自然情況下，受到邊界層和發(fā)展因素的影響，受迫對流換熱也可以分為內(nèi)部受迫和外掠受迫兩大類型。

為避免高層建筑室內(nèi)熱量分子的無章流竄，現(xiàn)有技術(shù)手段主要通過x-方法、y-方法、z-方法三種策略來估算基礎(chǔ)的對流換熱量。其中，x-估算方法主要針對對流環(huán)境中的平行熱量分子，通過單相抑制的方法確定換熱過程中的熱量損失情況；y-估算方法主要針對對流環(huán)境中的波動熱量分子，通過無相變控制的方法確定換熱過程中的熱量損失情況；z-估算方法主要針對對流環(huán)境中的旋轉(zhuǎn)熱量分子，通過流體物性判斷的方式確定換熱過程中的熱量損失情況。但隨著熱量疏散標準的不斷提高，這三種原始手段對平行、波動、旋轉(zhuǎn)三類熱量分子的約束精確性始終不能達到預(yù)期標準。

為有效解決上述問題，建立一種全新的綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對流換熱量的估算方法。在耗熱極值判定、峰谷換熱量計算等技術(shù)手段的支持下，將新型估算方法對熱量分子的約束精確性調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)。為突出證明這種新型估算方法的應(yīng)用全效性，利用simwe仿真平臺設(shè)計多組對比實驗。

2 綠色生態(tài)高層建筑的室內(nèi)耗熱函數(shù)計算

綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)耗熱函數(shù)是新型對流換熱量估算方法建立的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在熱量傳導(dǎo)系數(shù)確定、耗熱極值判斷、函數(shù)誤差估計三個主要物理環(huán)節(jié)的支持下，其具體計算方法可按如下步驟進行。

2.1 高層建筑的熱量傳導(dǎo)系數(shù)確定

高層建筑熱量傳導(dǎo)系數(shù)是計算室內(nèi)耗熱函數(shù)的重要物理條件。根據(jù)建筑物的圍護結(jié)構(gòu)特點可知，建筑物層高是影響其自身熱量傳導(dǎo)的唯一條件，且通常情況下，隨著建筑物層高的不斷提升，室內(nèi)熱量傳導(dǎo)系數(shù)也會隨著增大。在不考慮外界影響因素的前提下，室內(nèi)基本耗熱量是建筑外墻、薄膜頂部、門窗地面等圍護結(jié)構(gòu)所散失的所有熱量總和[2-3]。所謂附加熱量是由圍護結(jié)構(gòu)朝向引起的物理傳熱變化情況，受到風力、門窗縫隙、冷空氣密度、室內(nèi)溫度等多項物理系數(shù)的共同影響，是對基礎(chǔ)室內(nèi)耗熱量的詳細補充說明。室內(nèi)耗熱的附加熱量條件表示為

(1)

式中，ρ代表建筑圍護結(jié)構(gòu)的平均密度情況，β1代表室內(nèi)對流環(huán)境中的物理傳熱分子，α1代表高層建筑圍護結(jié)構(gòu)的物理朝向系數(shù)，w1代表室內(nèi)溫度條件。在式(1)的基礎(chǔ)上，設(shè)e1、e2代表兩個不同的高層建筑圍護結(jié)構(gòu)向量，結(jié)合式(1)，其高層建筑的熱量傳導(dǎo)系數(shù)，如式(2)所示

(2)

式中，δ2代表綠色生態(tài)建筑物的層高條件，ε2代表建筑物的室內(nèi)耗熱利用權(quán)限，r1代表室內(nèi)耗熱附加熱量的利用權(quán)限值。在求得高層建筑的熱量傳導(dǎo)系數(shù)基礎(chǔ)上，判定耗熱極值。

2.2 耗熱極值判定

與高層建筑熱量傳導(dǎo)系數(shù)相比，耗熱極值條件是衡量對流換熱有效性的關(guān)鍵系數(shù)。從建筑物特性角度來看，耗熱極值是物質(zhì)自身所具備的物理屬性條件，不會隨著外界影響因素的變化而產(chǎn)生任何改變。簡單來說，建筑圍護結(jié)構(gòu)是確保室內(nèi)環(huán)境具有良好散熱能力的物理依據(jù)，而熱量傳導(dǎo)系數(shù)則是衡量這種物理現(xiàn)象發(fā)展程度的關(guān)鍵系數(shù)[4-5]。假定目標建筑所處層高始終不發(fā)生改變，外界圍護結(jié)構(gòu)的屬性分子也不隨耗熱量的增加而發(fā)生改變。設(shè)y′代表高層建筑熱量傳導(dǎo)系數(shù)在室內(nèi)環(huán)境中的消耗標準，在式(2)的基礎(chǔ)上，可將y′的計算結(jié)果表示

(3)

(4)

2.3 函數(shù)誤差估計

函數(shù)誤差結(jié)果是確保綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)耗熱函數(shù)具備指向應(yīng)用能力的物理指標，可在結(jié)合高層建筑熱量傳導(dǎo)系數(shù)、耗熱極值條件數(shù)值標準的基礎(chǔ)上，對函數(shù)結(jié)果的偏移指向能力進行統(tǒng)一規(guī)劃[6]?？偟膩碚f，綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)耗熱函數(shù)可為對流熱量估算方法劃分明確的上、下限范圍條件，并在該區(qū)間條件內(nèi)，通過擴充耗熱量的方式，試探出與室內(nèi)物理環(huán)境相關(guān)的對流熱量循環(huán)參量。

從數(shù)學(xué)角度來看，函數(shù)誤差結(jié)果與耗熱極值條件呈現(xiàn)正相關(guān)影響關(guān)系，及隨著高層建筑室內(nèi)耗熱量的增加，函數(shù)誤差結(jié)果的理論數(shù)值也會隨著增大，反之則減小[7]。但這種物理趨勢不會出現(xiàn)無限制的攀升或降低，也就是說只有在一定的區(qū)間范圍內(nèi)，函數(shù)誤差條件才會對最終的函數(shù)公式產(chǎn)生約束。結(jié)合式(4)可將函數(shù)的上、下限約束值表示為

(5)

(6)

3 基于耗熱公式的對流換熱量估算

在綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)耗熱函數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)峰值換熱量、谷值換熱量計算結(jié)果，建立完整的對流換熱條件，完成新型換熱量估算。

3.1 峰值換熱量計算

峰值換熱量是以高層建筑室內(nèi)對流環(huán)境為基準的衍生物理條件，可借助綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)耗熱函數(shù)，限定可用于交換熱量的上邊緣消耗量。常規(guī)條件下，平行熱量分子、波動熱量分子、旋轉(zhuǎn)熱量分子是室內(nèi)對流環(huán)境下，建筑物內(nèi)可供循環(huán)使用的所有熱量系數(shù)條件，且在不發(fā)生外力干擾的前提下，每一類型熱量分子的存在形式都是始終獨立的，也就是說，任一類型的熱量分子都不具備獨立影響室內(nèi)對流換熱情況的物理能力[8-9]。隨著耗熱量的不斷增加，三類熱量分子都會獨立的存在于室內(nèi)熱量交換環(huán)境中，設(shè)v1代表平行熱量分子的對流交換條件，v2代表波動熱量分子的對流交換條件，v3代表旋轉(zhuǎn)熱量分子的對流交換條件，聯(lián)立v1、v2、v3與式(6)，可將室內(nèi)熱量交換環(huán)境中的能量分子平均值表示為

(7)

(8)

式中，T1代表室內(nèi)對流環(huán)境對熱量分子的峰消耗系數(shù)，b1代表綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)耗熱向量的利用分子，η1代表能量分子平均值的應(yīng)用參量，h1代表峰值邊限判別系數(shù)。

3.2 谷值換熱量計算

(9)

(10)

3.3 對流換熱量估算

對流換熱估算條件建立是新型換熱量估算方法實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，受到峰值換熱量、谷值換熱量物理結(jié)果的直接關(guān)聯(lián)影響。在綠色生態(tài)環(huán)境下，高層建筑室內(nèi)對流量的沖擊會對熱量消耗值產(chǎn)生一定的物理抵消，且隨著對流時間的不斷延長，這種物理抵消強度也會呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢。為解決這種抵消現(xiàn)狀，進而得到真實的高層建筑室內(nèi)對流換熱量估算結(jié)果，設(shè)Z′代表高層建筑室內(nèi)對流量的物理數(shù)值，C↑代表峰值換熱量的利用系數(shù)，C↓代表谷值換熱量的利用系數(shù)，聯(lián)立式(8)與式(10)，可將完整的對流換熱量估算過程表示為

(11)

其中，M代表高層建筑的基礎(chǔ)室內(nèi)估算權(quán)限值，b代表相關(guān)性估算指標，Δn代表單位時間內(nèi)對流耗熱量的具體變化數(shù)值。對所有與室內(nèi)對流熱能消耗相關(guān)的物理系數(shù)進行統(tǒng)一整合，完成綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對流換熱量估算方法的建立。

4 實驗結(jié)果與討論

為突出綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對流換熱量估算方法的實用全能性，設(shè)計如下仿真對比實驗。在simwe平臺中，分別應(yīng)用x-估算方法、y-估算方法、z-估算方法，并記錄每種估算方法直屬影響熱量分子約束精確性的變化情況；再應(yīng)用新型估算方法，記錄該方法對每類熱量分子約束精確性的影響情況；最后將每一類熱量分子約束精確性數(shù)值進行兩兩對比。

4.1 平行熱量分子約束精確性對比

已知平行熱量分子約束精確性與PPI指標始終保持相同的變化趨勢，在50min的實驗時間內(nèi)，應(yīng)用綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對流換熱量估算方法、x-估算方法后，平行熱量分子約束精確性的變化情況，如圖1所示．

圖1 平行熱量分子約束精確性對比圖

分析圖1可知，應(yīng)用綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對流換熱量估算方法、x-估算方法后的PPI指標均呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢，但前者的變化幅度明顯高于后者，從數(shù)值結(jié)果來看，前者的最大值達到92.6%，與后者最大值41.3%相比，上升了51.3%。

4.2 波動熱量分子約束精確性對比

已知波動熱量分子約束精確性與PPS指標始終保持相同的變化趨勢，應(yīng)用綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對流換熱量估算方法、y-估算方法后，波動熱量分子約束精確性的變化情況，如表1所示。

表1 波動熱量分子約束精確性對比表

分析表1可知，應(yīng)用新型估算方法后，PPS指標始終保持上升與下降交替出現(xiàn)的變化趨勢，最大數(shù)值結(jié)果達到86.5%，與初始值76.3%相比，上升了10.2%；應(yīng)用y-估算方法后，PPS指標在實驗前、后期均出現(xiàn)一段時間的穩(wěn)定狀態(tài)，但在整個實驗中期階段始終保持持續(xù)下降，最大值53.1%即為初始值，與應(yīng)用新型估算方法后的最大值86.5%相比，下降了33.4%。

4.3 旋轉(zhuǎn)熱量分子約束精確性對比

已知旋轉(zhuǎn)熱量分子約束精確性與PPM指標始終保持相同的變化趨勢，應(yīng)用綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對流換熱量估算方法、z-估算方法后，旋轉(zhuǎn)熱量分子約束精確性的變化情況，如表2所示。

表2 旋轉(zhuǎn)熱量分子約束精確性對比表

分析表2可知，應(yīng)用新型估算方法后，PPM指標前期不斷上升、后期開始保持穩(wěn)定，最大值達到90.4%，遠超初始值87.2%；應(yīng)用z-估算方法后，PPM指標除實驗中期外，均保持逐漸上升的變化趨勢，且后期上升幅度明顯高于前期，但最大值也僅能達到60.4%，遠低于應(yīng)用新型估算方法后PPM指標的最大值。

5 結(jié)束語

在保留x-、y-、z-三種估算方法應(yīng)用優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，建立完整的室內(nèi)耗熱函數(shù)，并通過峰、谷換熱量計算等方式，建立一種新型的綠色生態(tài)高層建筑室內(nèi)對流換熱量的估算方法。從實用性角度來看，PPI、PPS、PPM三項指標呈現(xiàn)出不同幅度的上升趨勢，即各類型熱量分子的約束精確性均得到穩(wěn)定提升，達到建筑物熱量有效疏散的物理目的。