大空間分層空調輻射轉移熱特性規律研究★

趙子文 呂留根 楊飛鴻 陳佳琦 湯 鑫 楊 恒 鄭 晨 葉春艷

(嘉興學院建筑工程學院，浙江 嘉興 314001)

1 概述

大空間建筑常采用分層空調，通過室內氣流組織將室內空間分隔成人員活動的下部空調區和上部非空調區，從而使空調送風區域大大減少，空調能耗顯著降低。同時由于空調送風首先進入人員活動空調區域，使得人員活動環境的空氣品質得到改善，因而又具有改善室內空氣品質的特點[1，2]。

大空間采用分層空調營造熱環境，其最大的特點即室內空氣垂直溫度分層、梯度明顯。從整個分層空調室內熱環境形成機理出發，上部非空調區域向空調區域轉移的熱量主要包含壁面溫差引起的輻射轉移熱和空氣溫差引起的對流轉移熱[3，4]。本文以輻射轉移熱為對象，對大空間分層空調輻射轉移熱特性規律進行討論與探究。

2 輻射轉移熱計算方法及計算工況

2.1 大空間典型結構及輻射轉移熱計算方法

大空間建筑分層空調典型特征為室內環境分為上部非空調區和下部空調區，以典型大空間建筑為研究對象，如圖1所示。其主要結構參數為長度a，寬度b，高度H和分層高度H1。其中，建筑長寬比為L=a/b。根據輻射傳熱模型，結合大空間的結構尺寸和熱工參數，計算非空調區壁面與空調區壁面之間的輻射傳熱，即輻射轉移熱。

大空間建筑非空調區向空調區轉移的輻射熱，壁面溫度是輻射換熱量計算的基礎，屋蓋下表面附近空氣或排風溫度為：

t2d=twg+2 ℃～3 ℃

(1)

其中，t2d為屋蓋下表面附近空氣或排風溫度，℃；twg為夏季空調室外計算干球溫度，℃。非空調區的空氣溫度隨著室外溫度的變化而改變，不是一定值，可按下式確定。

(2)

其中，t2為非空調區溫度，℃；tn為空調區設計溫度，℃。根據圍護結構傳熱平衡，各內壁面溫度為：

θn=tn+KΔtzh/αn

(3)

其中，θn為內壁面溫度，℃；tn為室內計算溫度，空調區為t1，非空調區為t2，℃，式(3)可用于空調區和非空調區；K為圍護結構傳熱系數，W/(m2·℃)；Δtzh為室內外綜合溫差，℃；αn為內表面放熱系數，W/(m2·℃)，一般取8.72 W/(m2·℃)。

Qf=C1(∑Qid+∑Qfd)=C1{∑XidSiεiεdσ
[Ti4-Td4]+∑ρdXchdSchJch}

(4)

其中，∑Qid為非空調區各個壁面對地板的輻射換熱量，W；∑Qfd為透過非空調區玻璃窗被地板接收的日射得熱量，W；C1為空調區得熱修正系數，取1.3；Xid為非空調區各個壁面對地板的角系數；Si為各非空調區壁面計算面積，m2；εi,εd分別為非空調區各個壁面和地板的表面材料發射率；σ為斯蒂芬孫—波爾曼茲常數，5.67×10-8W/(m2·K4)；Ti,Td分別為非空調區各個面和地板的絕對溫度，K；ρd為空調區地板對太陽輻射吸收率；Xchd為非空調區外窗對地板的角系數；Sch為非空調區外窗面積，m2；Jch為透過非空調區外窗的太陽輻射強度，W/m2。

2.2 輻射轉移熱計算工況

選取建筑寬長比、分層高度、室外干球溫度等因素，計算輻射轉移熱，計算工況見表1。

表1 輻射轉移熱計算工況

3 輻射轉移熱計算結果及分析

針對計算工況，計算大空間分層空調輻射轉移熱，結果如圖2所示。由圖2可得：隨著建筑寬長比、分層高度、室外干球溫度等8種參數的變化，非空調區對空調區的輻射轉移熱呈線性變化。其中，隨著分層高度的增加，輻射轉移熱減小，這是因為分層高度增加引起非空調區壁面對空調區壁面角系數減小；同樣，隨著空調區設計溫度的增加，輻射轉移熱同樣減小，這是因為空調區設計溫度增加引起空調區壁面溫度的增加。隨著建筑寬長比、室外干球溫度、屋頂傳熱系數、壁面發射率、太陽輻射吸收率和太陽輻射強度的增加，輻射轉移熱均減小。其中屋頂傳熱系數、壁面發射率、太陽輻射吸收率和太陽輻射強度變化時，輻射轉移熱變化幅度較小。

4 結語

大空間非空調區對空調區的輻射轉移熱對分層空調負荷計算具有重要作用。本文研究了輻射轉移熱隨建筑寬長比、分層高度、室外干球溫度、空調區溫度、屋頂傳熱系數、壁面發射率、太陽輻射吸收率和太陽輻射強度等8種因素改變的變化規律。研究成果對減少輻射轉移熱具有參考作用，在設計大空間建筑時，可以適當考慮這些因素，減少非空調區對空調區的輻射轉移熱，從而降低大空間建筑空調能耗。