綠色生態高層建筑室內對流換熱量估算仿真

楊 娜，戴振宇

(內蒙古科技大學建筑學院，內蒙古包頭 014010)

1 引言

對流換熱是一種常見的熱量傳遞現象，主要發生在固體物質表面。這種熱傳遞現象的發生條件相對苛刻，只能發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保持制約影響關系。當換熱形式發生改變時，流體各部分溫度會出現明顯的差異性，進而引發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，受到邊界層和發展因素的影響，受迫對流換熱也可以分為內部受迫和外掠受迫兩大類型。

為避免高層建筑室內熱量分子的無章流竄，現有技術手段主要通過x-方法、y-方法、z-方法三種策略來估算基礎的對流換熱量。其中，x-估算方法主要針對對流環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境中的旋轉熱量分子，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、旋轉三類熱量分子的約束精確性始終不能達到預期標準。

為有效解決上述問題，建立一種全新的綠色生態高層建筑室內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節至最佳狀態。為突出證明這種新型估算方法的應用全效性，利用simwe仿真平臺設計多組對比實驗。

2 綠色生態高層建筑的室內耗熱函數計算

綠色生態高層建筑室內耗熱函數是新型對流換熱量估算方法建立的基礎環節，在熱量傳導系數確定、耗熱極值判斷、函數誤差估計三個主要物理環節的支持下，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系數確定

高層建筑熱量傳導系數是計算室內耗熱函數的重要物理條件。根據建筑物的圍護結構特點可知，建筑物層高是影響其自身熱量傳導的唯一條件，且通常情況下，隨著建筑物層高的不斷提升，室內熱量傳導系數也會隨著增大。在不考慮外界影響因素的前提下，室內基本耗熱量是建筑外墻、薄膜頂部、門窗地面等圍護結構所散失的所有熱量總和[2-3]。所謂附加熱量是由圍護結構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、室內溫度等多項物理系數的共同影響，是對基礎室內耗熱量的詳細補充說明。室內耗熱的附加熱量條件表示為

(1)

式中，ρ代表建筑圍護結構的平均密度情況，β1代表室內對流環境中的物理傳熱分子，α1代表高層建筑圍護結構的物理朝向系數，w1代表室內溫度條件。在式(1)的基礎上，設e1、e2代表兩個不同的高層建筑圍護結構向量，結合式(1)，其高層建筑的熱量傳導系數，如式(2)所示

(2)

式中，δ2代表綠色生態建筑物的層高條件，ε2代表建筑物的室內耗熱利用權限，r1代表室內耗熱附加熱量的利用權限值。在求得高層建筑的熱量傳導系數基礎上，判定耗熱極值。

2.2 耗熱極值判定

與高層建筑熱量傳導系數相比，耗熱極值條件是衡量對流換熱有效性的關鍵系數。從建筑物特性角度來看，耗熱極值是物質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生任何改變。簡單來說，建筑圍護結構是確保室內環境具有良好散熱能力的物理依據，而熱量傳導系數則是衡量這種物理現象發展程度的關鍵系數[4-5]。假定目標建筑所處層高始終不發生改變，外界圍護結構的屬性分子也不隨耗熱量的增加而發生改變。設y′代表高層建筑熱量傳導系數在室內環境中的消耗標準，在式(2)的基礎上，可將y′的計算結果表示

(3)

(4)

2.3 函數誤差估計

函數誤差結果是確保綠色生態高層建筑室內耗熱函數具備指向應用能力的物理指標，可在結合高層建筑熱量傳導系數、耗熱極值條件數值標準的基礎上，對函數結果的偏移指向能力進行統一規劃[6]。總的來說，綠色生態高層建筑室內耗熱函數可為對流熱量估算方法劃分明確的上、下限范圍條件，并在該區間條件內，通過擴充耗熱量的方式，試探出與室內物理環境相關的對流熱量循環參量。

從數學角度來看，函數誤差結果與耗熱極值條件呈現正相關影響關系，及隨著高層建筑室內耗熱量的增加，函數誤差結果的理論數值也會隨著增大，反之則減小[7]。但這種物理趨勢不會出現無限制的攀升或降低，也就是說只有在一定的區間范圍內，函數誤差條件才會對最終的函數公式產生約束。結合式(4)可將函數的上、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

在綠色生態高層建筑室內耗熱函數的基礎上，根據峰值換熱量、谷值換熱量計算結果，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對流環境為基準的衍生物理條件，可借助綠色生態高層建筑室內耗熱函數，限定可用于交換熱量的上邊緣消耗量。常規條件下，平行熱量分子、波動熱量分子、旋轉熱量分子是室內對流環境下，建筑物內可供循環使用的所有熱量系數條件，且在不發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熱量交換環境中，設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代表旋轉熱量分子的對流交換條件，聯立v1、v2、v3與式(6)，可將室內熱量交換環境中的能量分子平均值表示為

(7)

(8)

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

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的重要環節，受到峰值換熱量、谷值換熱量物理結果的直接關聯影響。在綠色生態環境下，高層建筑室內對流量的沖擊會對熱量消耗值產生一定的物理抵消，且隨著對流時間的不斷延長，這種物理抵消強度也會呈現逐漸上升的變化趨勢。為解決這種抵消現狀，進而得到真實的高層建筑室內對流換熱量估算結果，設Z′代表高層建筑室內對流量的物理數值，C↑代表峰值換熱量的利用系數，C↓代表谷值換熱量的利用系數，聯立式(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室內估算權限值，b代表相關性估算指標，Δn代表單位時間內對流耗熱量的具體變化數值。對所有與室內對流熱能消耗相關的物理系數進行統一整合，完成綠色生態高層建筑室內對流換熱量估算方法的建立。

4 實驗結果與討論

為突出綠色生態高層建筑室內對流換熱量估算方法的實用全能性，設計如下仿真對比實驗。在simwe平臺中，分別應用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，應用綠色生態高層建筑室內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，應用綠色生態高層建筑室內對流換熱量估算方法、x-估算方法后的PPI指標均呈現逐漸上升的變化趨勢，但前者的變化幅度明顯高于后者，從數值結果來看，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，應用綠色生態高層建筑室內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，應用新型估算方法后，PPS指標始終保持上升與下降交替出現的變化趨勢，最大數值結果達到86.5%，與初始值76.3%相比，上升了10.2%；應用y-估算方法后，PPS指標在實驗前、后期均出現一段時間的穩定狀態，但在整個實驗中期階段始終保持持續下降，最大值53.1%即為初始值，與應用新型估算方法后的最大值86.5%相比，下降了33.4%。

4.3 旋轉熱量分子約束精確性對比

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

表2 旋轉熱量分子約束精確性對比表

分析表2可知，應用新型估算方法后，PPM指標前期不斷上升、后期開始保持穩定，最大值達到90.4%，遠超初始值87.2%；應用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%，遠低于應用新型估算方法后PPM指標的最大值。

5 結束語

在保留x-、y-、z-三種估算方法應用優勢的基礎上，建立完整的室內耗熱函數，并通過峰、谷換熱量計算等方式，建立一種新型的綠色生態高層建筑室內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定提升，達到建筑物熱量有效疏散的物理目的。