大氣壓力變化對建筑冷熱負荷的影響

田 碩 崔惟霖

(南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

1 概述

建筑節(jié)能工作講究因地制宜。我國建筑氣候分為五個大區(qū)：嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)。目前已有的建筑節(jié)能相關(guān)標(biāo)準中對建筑熱工性能的要求也都是按建筑氣候區(qū)劃進行分類[1]。我國當(dāng)前建筑氣候區(qū)的劃分主要依據(jù)典型月的室外平均氣溫，而影響氣溫的因素除了緯度，還有海拔高度。利用溫度涵蓋了緯度和海拔高度的綜合影響，是一種有效的方法，但目前看來還不夠全面。建筑與外環(huán)境的換熱很大一部分是通過圍護結(jié)構(gòu)與環(huán)境對流換熱完成的。壓力的變化勢必會導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面對流換熱系數(shù)的變化，從而對整個圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能產(chǎn)生影響，進而影響建筑負荷。本文利用統(tǒng)計方法對建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱性能與大氣壓力變化之間的關(guān)系進行了定量分析，再運用DeST建立模型進一步分析大氣壓力變化對建筑負荷的影響。

2 計算方法與建模

建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱包括建筑物圍護結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境之間的對流和輻射傳熱，以及自身的熱傳導(dǎo)。大氣壓力的變化可以影響對流換熱，但對輻射和傳導(dǎo)傳熱影響不大[3]。本文研究對象為雙面敷有水泥砂漿的磚墻，磚墻和水泥砂漿厚度分別為240 mm和20 mm。在標(biāo)準大氣壓(101.33 kPa)和風(fēng)速(2.75 m/s)的情況下，該圍護結(jié)構(gòu)的總熱阻為0.493 m2·K/W，其內(nèi)表面和外表面的總換熱系數(shù)分別為8.72 W/(m2·K)和23.26 W/(m2·K)。選擇的室外和室內(nèi)溫度分別為：夏季36.8 ℃和26 ℃，冬季-12 ℃和18 ℃[3]。由于風(fēng)速會對總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)產(chǎn)生影響，所以我們分別研究了在7種不同室外風(fēng)速下總熱阻與大氣壓力變化之間的關(guān)系。相關(guān)手冊[2]列出了風(fēng)速與總表面熱阻對應(yīng)關(guān)系的詳細信息。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，通過圍護結(jié)構(gòu)熱平衡方程，得到圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和外表面的溫度。進而得出圍護結(jié)構(gòu)表面輻射換熱系數(shù)，又因?qū)α鲹Q熱系數(shù)是表面總換熱系數(shù)與輻射換熱系數(shù)之差，可得出標(biāo)準大氣壓下表面對流換熱系數(shù)。大氣壓力變化對流換熱系數(shù)的影響通過以下公式表示[4]：

(1)

本文將對當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?5 kPa,90 kPa,85 kPa,80 kPa,75 kPa,70 kPa,65 kPa,60 kPa,55 kPa和標(biāo)準大氣壓力101.3 kPa這幾種情況進行討論。最后，通過上面的計算，可以獲得在當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ο碌膰o結(jié)構(gòu)總熱阻。

利用DeST-C建立一棟長寬都為24 m，層高為4 m的3層辦公建筑。其圍護結(jié)構(gòu)選用雙面敷有水泥砂漿的磚墻的建筑模型。該建筑中心部位為電梯井，電梯井四面被走廊包圍，走廊外側(cè)分別和四個辦公室相連。不同功能房間的內(nèi)熱源功率由DeST-C提供。由于大氣壓力變化產(chǎn)生的影響已經(jīng)轉(zhuǎn)變成圍護結(jié)構(gòu)總傳熱系數(shù)的改變，因此，將圍護結(jié)構(gòu)不同大氣壓力下的總傳熱系數(shù)輸入建筑模型，就可以獲得不同壓力下的建筑負荷。通過將建筑由3層增加到6層，9層，12層，24層，其體型系數(shù)也由0.33減少到0.25,0.22,0.21和0.19，然后探究不同體型系數(shù)下大氣壓力變化對建筑負荷的影響。

3 計算結(jié)果與分析

圖1顯示了隨著大氣壓力的增加，圍護結(jié)構(gòu)總熱阻力呈下降趨勢，在不同風(fēng)速下此變化趨勢基本上是相同的。

圖2顯示了建筑年累積熱負荷指標(biāo)隨著體型系數(shù)的增大而增大；當(dāng)體型系數(shù)一定時，年累積熱負荷指標(biāo)隨著大氣壓力的降低而降低。在不同大氣壓力下，年累積熱負荷指標(biāo)隨建筑體型系數(shù)的變化基本一致。

表1中數(shù)據(jù)表示當(dāng)體型系數(shù)為定值時，和標(biāo)準大氣壓力下的建筑年累積冷負荷指標(biāo)相比，當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ο碌慕ㄖ昀鄯e冷負荷指標(biāo)的減小百分比。

表1 不同建筑體型系數(shù)下年

4 結(jié)語

本研究的主要目的是探究大氣壓力變化對建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱性能和建筑冷熱負荷的影響。研究得出的結(jié)論如下:

1)建筑圍護結(jié)構(gòu)的總熱阻隨著大氣壓力的減小而增大，并且風(fēng)速越低，總熱阻增大得越快。

2)當(dāng)建筑體型系數(shù)一定時，年累積熱負荷指標(biāo)隨著大氣壓力的減小而降低；年累積熱負荷指標(biāo)隨著體型系數(shù)的增大而增大。

3)當(dāng)建筑體型系數(shù)為定值時，年累積冷負荷指標(biāo)隨著大氣壓力的降低而降低。