王燁, 王良璧, 胡文婷, 孫鵬寶

(1. 蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學(xué) 鐵道車(chē)輛熱工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

建筑外壁面換熱系數(shù)對(duì)室內(nèi)自然對(duì)流傳熱影響

王燁1, 2, 王良璧2, 胡文婷1, 孫鵬寶1

(1. 蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學(xué) 鐵道車(chē)輛熱工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

為研究建筑外壁面換熱系數(shù)與供暖室內(nèi)自然對(duì)流換熱的關(guān)聯(lián)性，采用修正的湍流k-ε模型對(duì)外墻外壁面不同換熱系數(shù)情況下的室內(nèi)自然對(duì)流換熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析并對(duì)比了熱負(fù)荷值。結(jié)果表明：在滿(mǎn)足室內(nèi)供暖溫度(18℃)要求條件下，考慮外界輻射和蒸發(fā)對(duì)外壁面換熱過(guò)程的作用(外壁面換熱系數(shù)取8.1W·m-2·°C-1)，所得散熱器表面的換熱能力要低于按照暖通設(shè)計(jì)規(guī)范取值(外壁面換熱系數(shù)取23.3W·m-2·°C-1)所得結(jié)果，兩種取值方式對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)和舒適性的影響很微弱，但所得室內(nèi)熱負(fù)荷之間的差異達(dá)到了6.2%。

建筑節(jié)能；自然對(duì)流；供暖；對(duì)流換熱系數(shù)；熱舒適；數(shù)值模擬

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)外界環(huán)境的熱反應(yīng)最終以氣固耦合的傳熱方式影響室內(nèi)傳熱特性并達(dá)到熱平衡[1]。在傳統(tǒng)的暖通設(shè)計(jì)計(jì)算中，我國(guó)建筑規(guī)范規(guī)定冬季建筑外壁面對(duì)流換熱系數(shù)值為23.3 W·m-2·°C-1。實(shí)際上，建筑外壁面的對(duì)流換熱過(guò)程是一個(gè)包含了對(duì)流換熱、輻射換熱以及相變換熱等多種換熱方式綜合作用的過(guò)程[2]。我國(guó)地域遼闊、氣候多樣化，加上不同地區(qū)的風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)向不同，從而使得不同朝向的外壁面換熱系數(shù)值差異也較大。若將外壁面換熱系數(shù)賦予一常數(shù)值，必然會(huì)引起較大計(jì)算誤差。如何合理確定建筑物外壁面換熱系數(shù)是工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究的共同關(guān)注點(diǎn)。孟慶林等[3]研究了含水表面對(duì)流換熱系數(shù)和蒸發(fā)換熱系數(shù)之間的關(guān)系。陳啟高[4]以重慶、武漢、天津三地的建筑物外壁面為研究對(duì)象，獲得了這些壁面分別處于干燥和潮濕狀態(tài)時(shí)受對(duì)流、輻射和蒸發(fā)共同作用下的換熱系數(shù)值。劉艷峰等[2]在分析了建筑物外壁面對(duì)流換熱系數(shù)、長(zhǎng)波輻射換熱系數(shù)和蒸發(fā)換熱系數(shù)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出了一種便于工程計(jì)算的建筑外壁面總換熱系數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)算式，由此得到了8個(gè)城市建筑物外壁面在冬、夏季的總換熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)同一建筑外壁面總換熱系數(shù)在冬季的值要小于在夏季的值，背風(fēng)面的值要小于迎風(fēng)面的值。在建筑室內(nèi)熱環(huán)境的數(shù)值研究及設(shè)計(jì)計(jì)算中，外壁面換熱系數(shù)作為重要的邊界條件，是影響負(fù)荷計(jì)算精度、舒適性評(píng)價(jià)的合理性和能否準(zhǔn)確捕捉室內(nèi)流動(dòng)與傳熱特征的關(guān)鍵性因素。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的計(jì)算結(jié)果，蘭州地區(qū)冬季建筑外壁面(干燥面)總換熱系數(shù)為8.1 W·m-2·°C-1，本文將該值設(shè)定為邊界條件，采用修正的湍流k-ε模型對(duì)蘭州地區(qū)以自然對(duì)流換熱為主的散熱器供暖情況下室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與以暖通設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的外壁面換熱系數(shù)值23.3 W·m-2·°C-1為邊界條件的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 物理模型和數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型及建筑條件

以圖1所示蘭州地區(qū)最常見(jiàn)的傳統(tǒng)供暖房間為研究對(duì)象，其進(jìn)深Lx=3.5 m，寬Ly=3.0 m，高Lz=2.8 m。東墻為外墻，西墻外側(cè)為走廊，南、北墻均為內(nèi)墻，該房間上、下均有住戶(hù)。所選房間外墻及外窗均在東面，是房間失熱的主要部位，其外壁面換熱系數(shù)與外界輻射、蒸發(fā)和風(fēng)速密切相關(guān)。但蘭州狹谷狀地形、冬季靜風(fēng)干燥的氣候特點(diǎn)以及冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，決定了東面圍護(hù)結(jié)構(gòu)外壁面換熱系數(shù)受蒸發(fā)的影響很微弱，風(fēng)速變化所引起外壁面對(duì)流換熱系數(shù)的變化更微弱，可以忽略不計(jì)。所以，本文選取文獻(xiàn)[2]中所得蘭州地區(qū)冬季建筑外壁面(干燥面)總換熱系數(shù)值8.1W·m-2·°C-1作為計(jì)算邊界條件與暖通設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的外壁面換熱系數(shù)值23.3W·m-2·°C-1為邊界條件時(shí)的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比是可行的。

圖1 計(jì)算房間示意圖Fig. 1 Physical model of the calculating room

取散熱器面積為2.0m2(寬×高=2.0m×1.0m)、東墻導(dǎo)熱系數(shù)為λw=0.77W·m-1·°C-1，厚度為δw=370mm。根據(jù)暖通設(shè)計(jì)規(guī)范，西墻外壁面對(duì)流換熱系數(shù)取8.7W·m-2·°C-1，窗戶(hù)傳熱系數(shù)為3.5W·m-2·°C-1。西墻外壁面附近空氣溫度近似認(rèn)為不變，為15°C。天花板、地板、南、北墻均不考慮傳熱。室外溫度取蘭州地區(qū)采暖室外計(jì)算溫度值-9.0 °C。

1.2 數(shù)學(xué)模型

計(jì)算中，房間供暖期間沒(méi)有通風(fēng)措施，沒(méi)有門(mén)窗的關(guān)開(kāi)給室內(nèi)氣流組織和熱量等帶來(lái)影響。室內(nèi)空氣為透明介質(zhì)，不參與輻射換熱。所以，室內(nèi)氣體流動(dòng)與換熱屬于溫差驅(qū)動(dòng)下的湍流自然對(duì)流流動(dòng)與傳熱問(wèn)題。描述流動(dòng)與傳熱的守恒型控制方程的通用形式為

(1)

式中:Φ為通用變量，分別表示u、v、w、T、k、ε。方程中各系數(shù)列于表1。湍流動(dòng)能剪力項(xiàng):

湍流粘性：ηt=cμρk2/ε

其中，熱膨脹系數(shù)β=1/(Tref+273.15)，參考溫度Tref取房間1.2m高度處水平面中心點(diǎn)溫度值。

表1 控制方程中各系數(shù)確定

表中[5]：cu=0.09,σk=1.0,σε=1.3,cε1=1.44,

cε2=1.92,cε3=1.44。

1.3 湍流普朗特?cái)?shù)Prt

湍流普朗特?cái)?shù)Prt是流態(tài)的函數(shù)，其定義方式對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果影響很大。目前常用的k-ε模型中Prt一般取為1，導(dǎo)致所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值之間差異較大[6-8]。這里將分子普朗特?cái)?shù)Pr引入到Prt的定義式中，試圖通過(guò)調(diào)整近壁區(qū)湍流粘性從而影響耗散率來(lái)修正該區(qū)域的湍流水平，使得其流動(dòng)特征和傳熱過(guò)程更接近物理實(shí)際。大量的數(shù)值試驗(yàn)表明：對(duì)于流動(dòng)介質(zhì)為空氣的封閉腔內(nèi)湍流自然對(duì)流流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的求解，可近似認(rèn)為Prt和Pr線(xiàn)性相關(guān)，此時(shí)所得結(jié)果與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近[9-10]，由此給出的Prt計(jì)算式為

Prt=Pr+1.0

(2)

2 數(shù)值求解方法

2.1 方程離散

對(duì)控制方程(1)中擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分進(jìn)行離散，對(duì)流項(xiàng)采用乘方格式進(jìn)行離散。速度與壓力的耦合問(wèn)題采用SIMPLE算法[11]。采用交替方向隱式算法求解代數(shù)方程組。流動(dòng)為湍流，時(shí)均值為穩(wěn)態(tài)，密度變化采用Boussinesq假設(shè)。

采用熱不平衡率和求解變量相鄰兩次迭代計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差作為收斂判據(jù)。即：供暖房間總得熱量和總失熱量間相對(duì)誤差小于2%以及求解變量在相鄰兩次迭代計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差小于10-6同時(shí)滿(mǎn)足，認(rèn)為計(jì)算已收斂。

2.2 網(wǎng)格生成及獨(dú)立性驗(yàn)證

采用內(nèi)點(diǎn)法生成非均分網(wǎng)格?？紤]浮升力驅(qū)動(dòng)的邊界層內(nèi)相關(guān)參數(shù)的高梯度變化特征，采取在靠近壁面的粘性支層內(nèi)布置更多節(jié)點(diǎn)的辦法來(lái)保證邊壁條件與內(nèi)部區(qū)域數(shù)值之間的協(xié)調(diào)性，以準(zhǔn)確獲得邊界層內(nèi)的詳細(xì)信息。計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)值方法的網(wǎng)格獨(dú)立性已在文獻(xiàn)[10]中進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格布置Fig. 2 Grid structure in computational domain

2.3 邊界條件

散熱器表面為高溫恒溫面，東墻內(nèi)壁面溫度通過(guò)熱平衡獲得，其余內(nèi)壁面、天花板、地板均為絕熱條件，與空氣接觸的各內(nèi)壁面均采用速度無(wú)滑移條件。

各壁面上湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率為

?k/?n=0,?ε/?n=0

(3)

2.4 滿(mǎn)足供暖要求的判定條件

計(jì)算中，若距地板1.2m高水平面溫度平均值Tn等于18°C，則認(rèn)為該工況能滿(mǎn)足供暖溫度要求。室內(nèi)平均溫度Tn計(jì)算式為

(4)

式中：Axy為x-y平面的面積，m2；Ti為x-y平面上第i控制容積溫度，°C。

2.5 滿(mǎn)足供暖要求的判定條件

散熱器表面的局部努塞爾特?cái)?shù)Nulocal和平均努塞爾特?cái)?shù)Nu分別定義如下：

(5)

(6)

式中：L為特征長(zhǎng)度，對(duì)于散熱器取散熱器高度Hr，m；Tr為散熱器表面溫度，°C；n為散熱器外壁面外法線(xiàn)方向；Ayz為y-z平面的面積，m2。

室內(nèi)空氣與東墻內(nèi)壁面間的對(duì)流換熱量Q1等于經(jīng)墻體的導(dǎo)熱量Q2，同時(shí)，又等于東墻外壁面與室外空氣之間的對(duì)流換熱量Q3。據(jù)此，可獲得東墻內(nèi)壁面溫度值Tenb，以Tenb為東墻內(nèi)壁面熱邊界條件代入控制方程，當(dāng)室內(nèi)計(jì)算區(qū)域迭代收斂時(shí)就可得到室內(nèi)溫度場(chǎng)。

東墻內(nèi)壁面對(duì)流換熱系數(shù)平均值henb為

(7)

式中：Nuenb為東墻內(nèi)壁面平均努塞爾特?cái)?shù)，根據(jù)迭代計(jì)算收斂時(shí)的溫度場(chǎng)由式(5)、(6)獲得；Lz為東墻高度，m；λ為室內(nèi)空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·°C-1。采用式(5)求東墻內(nèi)壁面局部努塞爾特?cái)?shù)時(shí)，用Tenb替換Tr，用Lz替換L。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 外壁面換熱系數(shù)與散熱器對(duì)流換熱強(qiáng)度的關(guān)系

外墻外壁面換熱系數(shù)hewb取不同值時(shí)散熱器表面平均Nu數(shù)與散熱器表面溫度Tr之間的關(guān)系如圖3所示。可以看出，hewb取不同值時(shí)，散熱器表面平均Nu數(shù)隨散熱器表面溫度的變化速率幾乎相同。但達(dá)到相同室內(nèi)平均溫度18.0°C時(shí)，散熱器表面平均Nu數(shù)卻存在差異，即hewb取8.1 W·m-2·°C-1時(shí)，散熱器表面平均Nu數(shù)相對(duì)于hewb取23.3 W·m-2·°C-1時(shí)降低了2.48%。這是因?yàn)闁|墻作為室內(nèi)外熱交換的載體，承擔(dān)著3個(gè)連續(xù)的熱傳遞過(guò)程：內(nèi)壁面與室內(nèi)空氣之間的對(duì)流換熱Q1、通過(guò)墻體的導(dǎo)熱Q2、外壁面與室外空氣之間的對(duì)流換熱Q3。若不考慮熱量沿墻體內(nèi)部高度方向的傳遞，即有Q1=Q2=Q3。而發(fā)生在墻體內(nèi)、外壁面上的對(duì)流換熱又是一個(gè)氣固耦合傳熱過(guò)程，所以，hewb大，意味著外壁面與室外空氣之間的對(duì)流換熱Q3就大，內(nèi)壁面與室內(nèi)空氣之間的對(duì)流換熱Q1因此也增大。要使室內(nèi)溫度維持在18.0 °C，必須通過(guò)提高散熱器表面換熱能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)散熱器與室內(nèi)空氣之間的熱傳遞過(guò)程，室內(nèi)熱負(fù)荷也就增大了。

圖3 不同hewb時(shí)Nu與Tr的關(guān)系曲線(xiàn)Fig. 3 Relationship between average Nu and Tr on the radiator surface at different hewb

hewb取不同值時(shí)散熱器表面局部Nulocal數(shù)沿散熱器表面在高度方向上的變化趨勢(shì)如圖4所示?？梢钥闯?，散熱器較低部位的對(duì)流換熱能力差異很小，但隨著熱邊界層和流動(dòng)邊界層沿散熱器表面向上發(fā)展，不同hewb對(duì)應(yīng)的局部換熱能力之間的差異在逐漸增大。在散熱器表面同一高度處，hewb=23.3 W·m-2·°C-1時(shí)的散熱器表面局部Nulocal數(shù)高于hewb=8.1 W·m-2·°C-1時(shí)的值。

以上分析說(shuō)明建筑外壁面換熱系數(shù)與散熱器表面換熱能力關(guān)系密切。而且，如果考慮室內(nèi)輻射效應(yīng)，因自然對(duì)流換熱過(guò)程受到抑制而使得散熱器表面換熱能力會(huì)有所降低。

3.2hewb取值對(duì)室內(nèi)熱負(fù)荷的影響

3.2.1 熱負(fù)荷計(jì)算方法

對(duì)于民用住宅，室內(nèi)熱負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量和由門(mén)窗縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣耗熱量?jī)刹糠?，前者包括基本耗熱量和附加耗熱量。外墻外壁面換熱系數(shù)的不同取值以墻體傳熱系數(shù)的形式來(lái)影響基本耗熱量這一部分。假設(shè)基本耗熱量之外的耗熱量部分在外墻外壁面換熱系數(shù)兩種取值情況下相同。

基本耗熱量Q為

Q=AK(Tn-Tw)α

(8)

式中：A為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面積，m2；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W·m-2·°C-1；Tw為采暖室外計(jì)算溫度，°C；α為圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)。

根據(jù)上文給定的計(jì)算條件，基本耗熱量只考慮通過(guò)窗戶(hù)的傳熱耗熱量和通過(guò)外墻墻體(東墻)的傳熱耗熱量。

3.2.2 熱負(fù)荷計(jì)算方法

東墻各部分尺寸與數(shù)值計(jì)算中取相同值：窗戶(hù)面積A1=2.0×1.1=2.2m2；墻體面積A2=6.2m2。采暖室外計(jì)算溫度Tw為-9.0°C；圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)α=1.0；窗戶(hù)傳熱系數(shù)K1=3.5W·m-2·°C-1；墻體傳熱系數(shù)K2為

(9)

將式(7)得到的henb值、東墻δw、λw值以及hewb=8.1 W·m-2·°C-1和hewb=23.3 W·m-2·°C-1分別代入式(9)可得K2的值分別為1.391 1 W·m-2·°C-1和1.566 6 W·m-2·°C-1。

當(dāng)東墻外壁面換熱系數(shù)hewb取設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定值23.3 W·m-2·°C-1時(shí)，可得通過(guò)窗戶(hù)和東墻墻體的傳熱量Qs=470.1 W；考慮東墻外壁面的對(duì)流換熱、輻射換熱以及相變換熱等綜合效應(yīng)，即東墻外壁面換熱系數(shù)hewb取文獻(xiàn)[2]中的計(jì)算值8.1 W·m-2·°C-1時(shí)，可得通過(guò)窗戶(hù)和東墻墻體的傳熱量Qn=440.8 W。

由此可見(jiàn)，只考慮一面圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量時(shí)東墻外壁面換熱系數(shù)的取值對(duì)負(fù)荷計(jì)算值就要產(chǎn)生6.2%的差異。如果再考慮不同氣候特征、不同方位、不同建筑功能、高度修正等因素進(jìn)行熱負(fù)荷計(jì)算，兩種取值所得結(jié)果差異會(huì)更大。根據(jù)這一規(guī)律可以對(duì)當(dāng)?shù)毓┡到y(tǒng)運(yùn)行管理模式進(jìn)行優(yōu)化。比如，對(duì)于城市區(qū)域集中供暖模式，可以作為調(diào)節(jié)供暖負(fù)荷或者制定間歇供暖方案的參考，其節(jié)能效果更為顯著。

3.2.3 能耗評(píng)價(jià)的客觀性問(wèn)題

由式(9)可知，墻體傳熱系數(shù)與墻體屬性、內(nèi)外壁面的換熱過(guò)程有關(guān)。能否準(zhǔn)確描述內(nèi)外壁面換熱過(guò)程，是負(fù)荷計(jì)算中的關(guān)鍵因素之一。目前，以改變墻體材料為突破口來(lái)提高墻體保溫性能是節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要思路。但復(fù)合墻體總導(dǎo)熱系數(shù)的降低是以增加建筑成本為代價(jià)的，而且，有些保溫材料是不能保證強(qiáng)度要求的。另外，相同材料的不同組合對(duì)應(yīng)負(fù)荷間差異較大，相關(guān)研究表明：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度增加到一定程度時(shí)，對(duì)節(jié)能的貢獻(xiàn)就微乎其微了[12]。如果能結(jié)合建筑所在地的實(shí)際氣候條件，弄清建筑外壁面與室外環(huán)境之間的熱質(zhì)交換過(guò)程，合理確定建筑外壁面換熱系數(shù)等參數(shù)值，對(duì)于客觀地評(píng)價(jià)建筑能耗意義重大。這也應(yīng)該是完善目前建筑能耗評(píng)價(jià)體系的一個(gè)努力方向。

另一方面，對(duì)于特定環(huán)境、特定條件下建筑能耗最小對(duì)應(yīng)的外墻外壁面換熱系數(shù)應(yīng)該是個(gè)客觀值[13]，如何獲得既保證室內(nèi)舒適性又不影響供暖質(zhì)量的這一客觀值，是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要大量的實(shí)測(cè)資料與理論分析、數(shù)值模擬等研究手段的結(jié)合。這不但與設(shè)計(jì)的合理性有關(guān)，也關(guān)乎建筑能耗評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)等技術(shù)問(wèn)題。所以，建議工程設(shè)計(jì)中對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的選取、室內(nèi)外計(jì)算參數(shù)的選取等方面，應(yīng)采取“以國(guó)家規(guī)范規(guī)定值為主、結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件進(jìn)行適當(dāng)修正”的原則。比如，蘭州地區(qū)供暖室外計(jì)算溫度由原來(lái)的-11.0℃提高到-9.0℃就是一例。

3.3hewb對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)的影響

東墻外壁面換熱系數(shù)大，自室內(nèi)向室外的熱傳遞速率就大，東墻內(nèi)壁面與室內(nèi)空氣之間的溫差就大，從而導(dǎo)致室內(nèi)自然對(duì)流換熱強(qiáng)度增大。但從圖5所示不同hewb值時(shí)室內(nèi)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果可知，hewb取不同的值，對(duì)室內(nèi)同一水平面上溫度分布影響并不大。這是因?yàn)橐?guī)定了室內(nèi)達(dá)到規(guī)定的供暖溫度這一條件，hewb的取值與熱負(fù)荷值大小和使得室內(nèi)達(dá)到供暖溫度所需的時(shí)間有關(guān)，一旦室內(nèi)溫度達(dá)到供暖溫度時(shí)，室內(nèi)的溫度場(chǎng)也就處于穩(wěn)定狀態(tài)，而圖5正是采用穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算的結(jié)果。同理，從圖6也能看出，hewb的不同取值對(duì)同一橫截面上的溫度分布影響也不是很明顯。

(a) hewb=8.1 W·m-2·°C-1時(shí)溫度場(chǎng)

(b) hewb =23.3 W·m-2·°C-1時(shí)溫度場(chǎng)圖5 對(duì)室內(nèi)水平面上溫度場(chǎng)的影響Fig. 5 Influence of hewb values on temperature field at different horizontal sections

(a) hewb=8.1 W·m-2·°C-1時(shí)溫度場(chǎng)

(b) hewb =23.3 W·m-2·°C-1時(shí)溫度場(chǎng)圖6 hewb對(duì)室內(nèi)橫截面上溫度場(chǎng)的影響Fig. 6 Influence of hewb values on temperature field at different transversal sections

3.4hewb與室內(nèi)舒適性的關(guān)系

舒適性是居住者對(duì)客觀環(huán)境的主觀反映，是室內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、相對(duì)濕度以及居住者自身?xiàng)l件綜合作用的結(jié)果。作為舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)之一的PMV值，在其計(jì)算式中速度和溫度是關(guān)鍵性參數(shù)。由以上分析可知，hewb對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)微弱的影響，意味著外墻外壁面換熱系數(shù)值對(duì)室內(nèi)舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果影響不會(huì)很顯著。這就引發(fā)必須思考另外一個(gè)問(wèn)題：建筑熱負(fù)荷與室內(nèi)外溫差、室外氣象條件、室內(nèi)熱環(huán)境有關(guān)，而舒適性則只關(guān)注室內(nèi)環(huán)境條件。室外環(huán)境條件(包括外壁面換熱系數(shù))的變化可能會(huì)引起熱負(fù)荷的大幅變化，但可能會(huì)對(duì)居住者的舒適性影響很小。而人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求是以舒適為第一心理需求的。所以，當(dāng)外界條件變化時(shí)尋求既能滿(mǎn)足居住者舒適性又不必增大熱負(fù)荷的節(jié)能措施，是業(yè)內(nèi)研究者應(yīng)該關(guān)注的問(wèn)題。

我國(guó)建筑采暖設(shè)計(jì)中外墻外壁面換熱系數(shù)規(guī)定值為23.3 W·m-2·°C-1，以此作為負(fù)荷設(shè)計(jì)計(jì)算的重要條件之一來(lái)實(shí)施供暖系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。而供暖系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的室內(nèi)熱環(huán)境狀況、散熱器的散熱能力等是否和設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)設(shè)情況相吻合，是個(gè)值得質(zhì)疑的問(wèn)題。由此引發(fā)另一個(gè)問(wèn)題：在PMV計(jì)算值、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和問(wèn)卷調(diào)查這3種對(duì)室內(nèi)熱舒適性的評(píng)價(jià)中，究竟哪一種方法所得結(jié)果更合理、可信度更高，這也是值得深入研究的課題。

3.5 輻射與自然對(duì)流的耦合作用分析

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，突出建筑外壁面換熱系數(shù)的不同取值對(duì)室內(nèi)自然對(duì)流傳熱特性的影響，未考慮散熱器表面的熱輻射對(duì)室內(nèi)自然對(duì)流換熱過(guò)程的影響，這必然會(huì)引起一定誤差。文獻(xiàn)[8]對(duì)帶玻璃壁面方腔內(nèi)對(duì)流及輻射換熱耦合作用下的湍流自然對(duì)流換熱研究結(jié)果表明：若不考慮輻射換熱，純自然對(duì)流換熱所得傳熱量會(huì)稍低于輻射和自然對(duì)流耦合作用下的總傳熱量；若考慮輻射效應(yīng)，冷壁面溫度會(huì)升高，溫差因此減小，使得室內(nèi)自然對(duì)流換熱強(qiáng)度減弱，輻射對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)和自然對(duì)流對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)量級(jí)相當(dāng)。外壁面換熱系數(shù)的變化會(huì)以氣固耦合的方式影響室內(nèi)輻射換熱過(guò)程和對(duì)流換熱過(guò)程。

4 結(jié)論

以蘭州地區(qū)供暖建筑為例，探討了外墻外壁面換熱系數(shù)不同取值對(duì)散熱器傳熱特性和室內(nèi)熱環(huán)境的影響特征。得到了如下主要結(jié)論：

1)對(duì)于熱工性能一定的建筑墻體，在達(dá)到室內(nèi)供暖溫度要求情況下，考慮建筑物外部輻射和對(duì)流對(duì)外壁面的換熱過(guò)程作用，即外壁面換熱系數(shù)取8.1 W·m-2·°C-1時(shí)散熱器表面的換熱能力有所降低。

2)外墻外壁面換熱系數(shù)的取值對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)和舒適性的影響均很微弱，但兩種取值方式下所得熱負(fù)荷之間的差異達(dá)到了6.2%，對(duì)于優(yōu)化供暖系統(tǒng)運(yùn)行管理模式提供了理論參考。

3)客觀條件的變化可能會(huì)引起負(fù)荷的變化，但不會(huì)影響居住者的舒適性，這為人們尋求合理的節(jié)能措施和舒適性評(píng)價(jià)方法提供了新的思路。

4) 為了突出外壁面換熱系數(shù)的取值對(duì)室內(nèi)自然對(duì)流傳熱特性的影響，未對(duì)室內(nèi)輻射和自然對(duì)流間的相互作用對(duì)傳熱的影響進(jìn)行研究，導(dǎo)致所得結(jié)果會(huì)有一定誤差。

考慮輻射時(shí)外壁面換熱系數(shù)取值對(duì)室內(nèi)傳熱特性的影響是下一步的研究?jī)?nèi)容，并與本文結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

[1]王燁, 王靖文, 王良璧, 等. 北方地區(qū)供暖情況下室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 35(11): 1441-1445. WANG Ye, WANG Jingwen, WANG Liangbi, et al. Numerical analysis of the indoor thermal environment under the condition of heating in northern China [J]. Journal of Harbin Engineering University, 2014, 35(11): 1441-1445.

[2]劉艷峰, 劉加平. 建筑外壁面換熱系數(shù)分析[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2008, 40(3): 407-412. LIU Yanfeng, LIU Jiaping. Study of heat transfer coefficient at exterior building surface[J]. Journal of Xi’an University of Architecture & Technology：Natural Science Edition, 2008, 40(3): 407-412.

[3]孟慶林, 陳啟高, 冉茂宇, 等. 關(guān)于蒸發(fā)換熱系數(shù)he的證明[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 1999, 20(2): 216-219.MENGQinglin,CHENQigao,RANMaoyu,etal.Derivationofthevaporisingheattransfercoefficienthe[J].ActaEnergiaeSolarisSinica, 1999, 20(2): 216-219.

[4]陳啟高. 圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱計(jì)算中外表面換熱系數(shù)的取值[C]//陳啟高建筑物理學(xué)學(xué)術(shù)論文選集. 重慶, 中國(guó)，2004: 171-174.CHENQigao.Thevalueoftheheattransfercoefficientoftheoutersurfaceinthecalculationofthethermalinsulationoftheenvelope[C]//AnthologyofBuildingPhysicsAcademic.Chongqing,China,2004: 171-174.

[5]陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 第2版. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001:349.TAOWenquan.Numericalheattransfer[M]. 2nded.Xi'an:Xi'anJiaotongUniversityPress, 2001:349.

[6]HENKESRAWM,HOOGENDOORNCJ.Comparisonexerciseforcomputationsofturbulentnaturalconvectioninenclosures[J].NumericalHeatTransfer,PartB:Fundamentals:AnInternationalJournalofComputationandMethodology, 1995, 28(1): 59-78.

[7]HIROYUKIO,AKIRAM,MASARUO,etal.Numericalcalculationsoflaminarandturbulentnaturalconvectioninwaterinrectangularchannelsheatedandcooledisothermallyontheopposingverticalwalls[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer, 1985, 28(1): 125-138.

[8]XAMNJ,ARCEJ,LVAREZG,etal.Laminarandturbulentnaturalconvectioncombinedwithsurfacethermalradiationinasquarecavitywithaglasswall[J].InternationalJournalofThermalScience, 2008, 47(12): 1630-1638.

[9]WANGYe,WANGLiangbi.Applicationofanewturbulentk-εmodeltoheatingofaresidentbuilding[C]//The4thAsianSymposiumonComputationalHeatTransferandFluidFlow.HongKong, 2013.

[10]王燁, 王良璧. 一種用于分析封閉腔內(nèi)湍流自然對(duì)流換熱的k-ε新模型[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 31(5): 814-818. WANG Ye, WANG Liangbi. A newk-εmodelfortheturbulentnaturalconvectionheattransferinenclosure[J].ChineseJournalofAppliedMechanics, 2014, 31(5): 814-818.

[11]PATANKARSV.Numericalheattransferandfluidflow[M].Hemisphere,NewYork:CRCPress, 1980: 330-351.

[12]BEN-NAKHIA,MAHMOUDAM,MAHMOUDMA,etal.Improvingthermalperformanceoftheroofenclosureofheavyconstructionbuildings[J].AppliedEnergy, 2008, 85(10): 911-930.

[13]張旭, 李魁山. 幾個(gè)節(jié)能措施對(duì)夏熱冬冷地區(qū)居住建 筑能耗的敏感性分析[J]. 暖通空調(diào), 2008, 38(7): 10-14, 54.ZHANGXu,LIKuishan.Sensitivityanalysisofenergyconsumptionforresidentialbuildingsinhotsummerandcoldwinterzone[J].HV&AC, 2008, 38(7): 10-14, 54.

Influence of the heat transfer coefficient of the outer-surface on the natural convective heat transfer characteristics in a heating room

WANG Ye1,2, WANG Liangbi2,HU Wenting1, SUN Pengbao1

(1. School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Key Laboratory of Railway Vehicle Thermal Engineering, Ministry of Education of China, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

To study the relationship between the outer surface heat transfer coefficient of an external wall and the natural convective heat transfer characteristics in a heating room in Lanzhou, a revisedk-εmodelwasusedtonumericallyanalyzeindoornaturalconvectiveheattransferunderdifferentoutersurfaceheattransfercoefficientsoftheexternalwall.Thecorrespondingheatloadwasalsocompared.Theresultsindicatethat,undertheconditionsof18°Caverageindoorairtemperature,andtheoutersurfaceheattransfercoefficientoftheexternalwallissetto8.1W·m-2·°C-1,theheattransferabilityoftheradiatorsurface,consideringoutdoorradiationandevaporation,islessthanthatwhentheoutersurfaceheattransfercoefficientofexternalwallissetto23.3W·m-2·°C-1,accordingtotheHV&ACdesignspecification.Bothvaluesoftheoutersurfaceheattransfercoefficientoftheexternalwallhaveveryweakeffectsontheindoortemperaturefieldandthermalcomfort.However,thedifferenceofcalculatedheatloadbetweenthemhasreached6.2%.

building energy-saving;natural convection; heating; convective heat transfer coefficient; thermal comfort;numerical simulation

2014-11-18.

時(shí)間： 2015-08-24.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51266004,51476073)；甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1308RJZA151).

王燁(1972-), 男, 教授.

王燁, E-mail:wangye@mail.lzjtu.cn.

10.3969/jheu.201411055

TU832

A

1006-7043(2015)09-1206-06

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