绿色生态高层建筑室内对流换热量估算仿真

杨 娜，戴振宇

(内蒙古科技大学建筑学院，内蒙古包头 014010)

1 引言

对流换热是一种常见的热量传递现象，主要发生在固体物质表面。这种热传递现象的发生条件相对苛刻，只能发生在流动气体与固体表面相接处的情况下。最基本的对流换热行为依靠流体中质点的不断移动，来促进热量的完全传输，且平均传输速率始终与流体的流动状态保持制约影响关系。当换热形式发生改变时，流体各部分温度会出现明显的差异性，进而引发流体密度的快速变化，这种由密度改变引起的热量运动即为自然对流换热[1]。而由风机等外界设备引起的热量运动即为受迫对流换热，在自然情况下，受到边界层和发展因素的影响，受迫对流换热也可以分为内部受迫和外掠受迫两大类型。

为避免高层建筑室内热量分子的无章流窜，现有技术手段主要通过x-方法、y-方法、z-方法三种策略来估算基础的对流换热量。其中，x-估算方法主要针对对流环境中的平行热量分子，通过单相抑制的方法确定换热过程中的热量损失情况；y-估算方法主要针对对流环境中的波动热量分子，通过无相变控制的方法确定换热过程中的热量损失情况；z-估算方法主要针对对流环境中的旋转热量分子，通过流体物性判断的方式确定换热过程中的热量损失情况。但随着热量疏散标准的不断提高，这三种原始手段对平行、波动、旋转三类热量分子的约束精确性始终不能达到预期标准。

为有效解决上述问题，建立一种全新的绿色生态高层建筑室内对流换热量的估算方法。在耗热极值判定、峰谷换热量计算等技术手段的支持下，将新型估算方法对热量分子的约束精确性调节至最佳状态。为突出证明这种新型估算方法的应用全效性，利用simwe仿真平台设计多组对比实验。

2 绿色生态高层建筑的室内耗热函数计算

绿色生态高层建筑室内耗热函数是新型对流换热量估算方法建立的基础环节，在热量传导系数确定、耗热极值判断、函数误差估计三个主要物理环节的支持下，其具体计算方法可按如下步骤进行。

2.1 高层建筑的热量传导系数确定

高层建筑热量传导系数是计算室内耗热函数的重要物理条件。根据建筑物的围护结构特点可知，建筑物层高是影响其自身热量传导的唯一条件，且通常情况下，随着建筑物层高的不断提升，室内热量传导系数也会随着增大。在不考虑外界影响因素的前提下，室内基本耗热量是建筑外墙、薄膜顶部、门窗地面等围护结构所散失的所有热量总和[2-3]。所谓附加热量是由围护结构朝向引起的物理传热变化情况，受到风力、门窗缝隙、冷空气密度、室内温度等多项物理系数的共同影响，是对基础室内耗热量的详细补充说明。室内耗热的附加热量条件表示为

(1)

式中，ρ代表建筑围护结构的平均密度情况，β1代表室内对流环境中的物理传热分子，α1代表高层建筑围护结构的物理朝向系数，w1代表室内温度条件。在式(1)的基础上，设e1、e2代表两个不同的高层建筑围护结构向量，结合式(1)，其高层建筑的热量传导系数，如式(2)所示

(2)

式中，δ2代表绿色生态建筑物的层高条件，ε2代表建筑物的室内耗热利用权限，r1代表室内耗热附加热量的利用权限值。在求得高层建筑的热量传导系数基础上，判定耗热极值。

2.2 耗热极值判定

与高层建筑热量传导系数相比，耗热极值条件是衡量对流换热有效性的关键系数。从建筑物特性角度来看，耗热极值是物质自身所具备的物理属性条件，不会随着外界影响因素的变化而产生任何改变。简单来说，建筑围护结构是确保室内环境具有良好散热能力的物理依据，而热量传导系数则是衡量这种物理现象发展程度的关键系数[4-5]。假定目标建筑所处层高始终不发生改变，外界围护结构的属性分子也不随耗热量的增加而发生改变。设y′代表高层建筑热量传导系数在室内环境中的消耗标准，在式(2)的基础上，可将y′的计算结果表示

(3)

(4)

2.3 函数误差估计

函数误差结果是确保绿色生态高层建筑室内耗热函数具备指向应用能力的物理指标，可在结合高层建筑热量传导系数、耗热极值条件数值标准的基础上，对函数结果的偏移指向能力进行统一规划[6]。总的来说，绿色生态高层建筑室内耗热函数可为对流热量估算方法划分明确的上、下限范围条件，并在该区间条件内，通过扩充耗热量的方式，试探出与室内物理环境相关的对流热量循环参量。

从数学角度来看，函数误差结果与耗热极值条件呈现正相关影响关系，及随着高层建筑室内耗热量的增加，函数误差结果的理论数值也会随着增大，反之则减小[7]。但这种物理趋势不会出现无限制的攀升或降低，也就是说只有在一定的区间范围内，函数误差条件才会对最终的函数公式产生约束。结合式(4)可将函数的上、下限约束值表示为

(5)

(6)

3 基于耗热公式的对流换热量估算

在绿色生态高层建筑室内耗热函数的基础上，根据峰值换热量、谷值换热量计算结果，建立完整的对流换热条件，完成新型换热量估算。

3.1 峰值换热量计算

峰值换热量是以高层建筑室内对流环境为基准的衍生物理条件，可借助绿色生态高层建筑室内耗热函数，限定可用于交换热量的上边缘消耗量。常规条件下，平行热量分子、波动热量分子、旋转热量分子是室内对流环境下，建筑物内可供循环使用的所有热量系数条件，且在不发生外力干扰的前提下，每一类型热量分子的存在形式都是始终独立的，也就是说，任一类型的热量分子都不具备独立影响室内对流换热情况的物理能力[8-9]。随着耗热量的不断增加，三类热量分子都会独立的存在于室内热量交换环境中，设v1代表平行热量分子的对流交换条件，v2代表波动热量分子的对流交换条件，v3代表旋转热量分子的对流交换条件，联立v1、v2、v3与式(6)，可将室内热量交换环境中的能量分子平均值表示为

(7)

(8)

式中，T1代表室内对流环境对热量分子的峰消耗系数，b1代表绿色生态高层建筑室内耗热向量的利用分子，η1代表能量分子平均值的应用参量，h1代表峰值边限判别系数。

3.2 谷值换热量计算

(9)

(10)

3.3 对流换热量估算

对流换热估算条件建立是新型换热量估算方法实现的重要环节，受到峰值换热量、谷值换热量物理结果的直接关联影响。在绿色生态环境下，高层建筑室内对流量的冲击会对热量消耗值产生一定的物理抵消，且随着对流时间的不断延长，这种物理抵消强度也会呈现逐渐上升的变化趋势。为解决这种抵消现状，进而得到真实的高层建筑室内对流换热量估算结果，设Z′代表高层建筑室内对流量的物理数值，C↑代表峰值换热量的利用系数，C↓代表谷值换热量的利用系数，联立式(8)与式(10)，可将完整的对流换热量估算过程表示为

(11)

其中，M代表高层建筑的基础室内估算权限值，b代表相关性估算指标，Δn代表单位时间内对流耗热量的具体变化数值。对所有与室内对流热能消耗相关的物理系数进行统一整合，完成绿色生态高层建筑室内对流换热量估算方法的建立。

4 实验结果与讨论

为突出绿色生态高层建筑室内对流换热量估算方法的实用全能性，设计如下仿真对比实验。在simwe平台中，分别应用x-估算方法、y-估算方法、z-估算方法，并记录每种估算方法直属影响热量分子约束精确性的变化情况；再应用新型估算方法，记录该方法对每类热量分子约束精确性的影响情况；最后将每一类热量分子约束精确性数值进行两两对比。

4.1 平行热量分子约束精确性对比

已知平行热量分子约束精确性与PPI指标始终保持相同的变化趋势，在50min的实验时间内，应用绿色生态高层建筑室内对流换热量估算方法、x-估算方法后，平行热量分子约束精确性的变化情况，如图1所示．

图1 平行热量分子约束精确性对比图

分析图1可知，应用绿色生态高层建筑室内对流换热量估算方法、x-估算方法后的PPI指标均呈现逐渐上升的变化趋势，但前者的变化幅度明显高于后者，从数值结果来看，前者的最大值达到92.6%，与后者最大值41.3%相比，上升了51.3%。

4.2 波动热量分子约束精确性对比

已知波动热量分子约束精确性与PPS指标始终保持相同的变化趋势，应用绿色生态高层建筑室内对流换热量估算方法、y-估算方法后，波动热量分子约束精确性的变化情况，如表1所示。

表1 波动热量分子约束精确性对比表

分析表1可知，应用新型估算方法后，PPS指标始终保持上升与下降交替出现的变化趋势，最大数值结果达到86.5%，与初始值76.3%相比，上升了10.2%；应用y-估算方法后，PPS指标在实验前、后期均出现一段时间的稳定状态，但在整个实验中期阶段始终保持持续下降，最大值53.1%即为初始值，与应用新型估算方法后的最大值86.5%相比，下降了33.4%。

4.3 旋转热量分子约束精确性对比

已知旋转热量分子约束精确性与PPM指标始终保持相同的变化趋势，应用绿色生态高层建筑室内对流换热量估算方法、z-估算方法后，旋转热量分子约束精确性的变化情况，如表2所示。

表2 旋转热量分子约束精确性对比表

分析表2可知，应用新型估算方法后，PPM指标前期不断上升、后期开始保持稳定，最大值达到90.4%，远超初始值87.2%；应用z-估算方法后，PPM指标除实验中期外，均保持逐渐上升的变化趋势，且后期上升幅度明显高于前期，但最大值也仅能达到60.4%，远低于应用新型估算方法后PPM指标的最大值。

5 结束语

在保留x-、y-、z-三种估算方法应用优势的基础上，建立完整的室内耗热函数，并通过峰、谷换热量计算等方式，建立一种新型的绿色生态高层建筑室内对流换热量的估算方法。从实用性角度来看，PPI、PPS、PPM三项指标呈现出不同幅度的上升趋势，即各类型热量分子的约束精确性均得到稳定提升，达到建筑物热量有效疏散的物理目的。