郭樹生 廖火生 李建維

【摘 要】論文依據能量守恒定律，建立了適用于計算多房間建筑夏季空調系統(tǒng)失效后室內平均溫度的仿真模型，可以快速求得各個房間的平均溫度，得到熱量傳遞的過程。論文所建立的仿真模型在進行適應性改進之后，可適用于不同形狀和結構的建筑計算室內的平均溫度。

【Abstract】Based on the law of conservation of energy， this paper establishes a simulation model suitable for calculating the indoor average temperature of multi-room buildings after the failure of air-conditioning system in summer， which can quickly obtain the average temperature of each room and obtain the heat transfer process. After the adaptability improvement， the simulation model established in this paper can be applied to calculate the average indoor temperature of buildings with different shapes and structures.

【關鍵詞】多房間建筑;室內;平均溫度;仿真

【Keywords】multi-room building; indoor; average temperature; simulation

【中圖分類號】TM623.8;TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）07-0128-03

1 引言

夏季空調房內設備正常穩(wěn)定運行所需的溫度將由空調系統(tǒng)進行維持。在核動力平臺中，基于縱深防御的設計理念，通常會放置專設安全設施。在嚴重事故工況下，空調系統(tǒng)由于失去應急電源而無法正常工作，而一些專設安全設施還需要繼續(xù)投運，以保證核安全。為了確保這些設備在失去空調系統(tǒng)后還能穩(wěn)定運行，需要在設備設計制造的時候提出更加嚴苛的溫度條件[1]。提出的溫度范圍過大，會使得設備的設計制造難度加大，同時，經濟性大大降低;若溫度范圍過小，可能造成設備無法在實際的事故工況下運行，威脅核安全。

失去空調系統(tǒng)后，內部設備散發(fā)的熱量需要依靠空氣的自然對流以及熱輻射傳遞出去。對于單個房間而言，可以很容易地建立CFD計算模型進行數(shù)值分析，獲得房間內部詳細的溫度場，并進行評估。而建筑存在多個房間時，由于各個房間的溫度邊界相互耦合，無法對各個房間進行單獨分析[2]。若采用數(shù)值方法，需要全建筑范圍建模，難以實現(xiàn)。對于空調系統(tǒng)的設計而言，室內平均溫度是一個重要的技術指標，采用能量守恒關系求解房間的平均溫度顯得更為容易，唐娟等[3]、申昭輝等[4]進行了這方面的研究。但是研究提出的方法、模型都是針對單個房間，而對整棟建筑內各個房間溫度的預測還缺乏相應的研究。本文從能量守恒角度出發(fā)，建立多房間的平均溫度預測模型，獲得各個房間的平均溫度以及能量傳遞過程，為全建筑范圍的室內溫度評估提供指導與參考。

2 建模方法

2.1 室內平均溫度數(shù)學模型

根據房間的能量守恒定律，單位時間內房間的能量變化率等于通過圍護結構流入和流出房間的能量差加上房間內的熱源釋放的能量，即滿足以下能量守恒方程：

式（1）中，cp——空氣定壓比熱（J/kg·℃）;

ρ——空氣密度（kg/m3）;

V——房間體積（m3）;

tn——房間平均溫度（℃）;

τ ——時間（s）;

hi——房間第i個面與外界（包括相鄰房間）的綜合換熱系數(shù)（W/m2·℃）;

Ai——房間第i個面的面積（m2）;

ti——房間第i個面外界（包括相鄰房間）的平均溫度（℃）;

Q——房間內部總散熱量（W）。

2.2 仿真模型的建立

根據能量守恒方程式（1）所示，建立規(guī)則六面體房間的平均溫度仿真模型，房間含有6個面，每個面包含綜合換熱系數(shù)、換熱面積和外部溫度三個輸入變量，外部邊界為相鄰房間時，以相鄰房間的平均溫度作為外部溫度。房間內部包含空氣密度、空氣比熱、房間體積以及房間總散熱量四個輸入變量，因此單個房間模型總共包含22個輸入變量和一個輸出結果即房間內部平均溫度（如圖1）。

3 計算結果及分析

3.1 單個房間平均溫度計算

建立一個長、寬、高分別為6m、6m、4m的方形房間，假設六個面的綜合傳熱系數(shù)均為5W/m2·℃，外部環(huán)境溫度為30℃，房間初始溫度為25℃，房間內部散熱量分別按0W（無熱源）和2kW考慮，空氣密度1.2kg/m3，定壓比熱1005J/kg·℃，計算結果如圖2所示?？梢钥闯鰷囟冗_到穩(wěn)態(tài)后，無散熱量的房間平均溫度等于外部環(huán)境溫度;而散熱量為2kW時，平均溫度最終趨于32.38℃，高于外部環(huán)境溫度，以上結果滿足能量守恒規(guī)律。

3.2 多房間平均溫度計算

建立如圖3所示的四房間模型，各個房間的長、寬、高分別為6m、6m、4m。假設每個房間六個面的綜合傳熱系數(shù)均為5W/m2·℃，外部環(huán)境溫度為30℃，各房間初始溫度為25℃。其中1號房間的內部散熱量為2kW，2號房間的內部散熱量為4kW，其余房間無散熱量。

建立多房間平均溫度仿真模型如圖4所示。

對上述四房間溫度模型進行求解，溫度達到穩(wěn)態(tài)時，四個房間的溫度依次為33.22℃、35.34℃、30.84℃和30.57℃，據此可以分別得出各個房間的熱量傳遞值，結果如下。

1號房間：從2號房間傳遞而來254.4W，傳遞至4號房間318W，傳遞至外部環(huán)境1932W。

2號房間：傳遞至1號房間254.4W，傳遞至3號房間540W，傳遞至外部環(huán)境3204W。

3號房間：從2號房間傳遞而來540W，傳遞至4號房間32.4W，傳遞至外部環(huán)境504W。

4號房間：從1號房間傳遞而來318W，從3號房間傳遞而來32.4W，傳遞至外部環(huán)境342W。

各個房間的熱量傳遞過程如圖5所示，其中曲線箭頭表示熱量傳遞方向。以上結果符合溫度分布規(guī)律，證明了建立的多房間仿真模型的正確性。

4 結語

基于能量守恒定律建立的單房間與多房間的平均溫度仿真模型，可以快速地計算無空調系統(tǒng)室內的平均溫度，獲得各房間的熱量傳遞過程。該方法適用于多房間相互耦合的建筑夏季無空調系統(tǒng)室內環(huán)境溫度的評估，為專設安全設施的設計制造提供環(huán)境條件，并且滿足動態(tài)外部環(huán)境邊界條件，可拓展到全天候的溫度計算。同時，對本文建立的仿真模型進行適應性修改，可以適用于不同形狀和結構的建筑計算平均溫度。

【參考文獻】

【1】楊偉，薛思浩，呂亞飛.等.不同屋頂結構下室內自然對流傳熱數(shù)值分析[J].四川大學學報（自然科學版），2012，49（6）：1301-1306.

【2】常建國，薛思浩，楊琳琳.不同熱源位置下室內自然對流換熱數(shù)值模擬[J].土木建筑與環(huán)境工程，2012，34：17-20.

【3】唐娟，魏兵，石舒健.基于Matlab/Simulink的某空調系統(tǒng)能耗仿真分析[J].建筑熱能通風空調，2010，29（2）：53-57.

【4】申昭輝，王漢青.Matlab/Simulink在空調系統(tǒng)中的應用[J].南華大學學報（理工版），2003，17（1）：16-20.