大换气量房间冬季室内热环境舒适性与节能效应研究

摘要

房间换气次数的增加势必导致供暖房间能耗加大,顶棚辐射、散热器和热风等三种采暖方式由于供暖机理不同,形成的室内热环境特征不同,通风换气时产生的通风热损失也有所区别,为了提高大换气量房间的供暖节能效果,必须对不同供暖方式在大换气量情况下的热舒适性与节能效应进行研究.该文通过实测、理论分析与数值模拟结合的方法,讨论了现有供暖方式在卫生要求较高的工业厂房和民用公共建筑中的适用性.实测结果表明,尽管冬季供暖通风带走大量热量,但对墙体壁面温度影响较小.顶棚辐射供暖墙体具有一定蓄热能力,使其节能性优于散热器供暖和热风供暖.在相同的能耗条件下,辐射供暖比散热器供暖和热风供暖的PMV值要高.此外,三种供暖方式的室内空气温度垂直分布规律与封闭房间内的情况差别较大,房间通风量较大时,人体活动区域内沿高度方向三种采暖方式产生的空气温度变化基本相同.可以认为,大换气量房间空气温度垂直分布状况主要与通风气流组织有关,而与供暖方式无关.实测还指出,当通风量一定时,如何保证人体热舒适度不变而减少室内外气温差将成为大通风量房间节约采暖能耗的关键,该文结合围护结构传热机理,在对三种方式的能耗状况进行理论分析的基础上,提出了换气次数的节能临界值,若换气次数高于此值,则辐射供暖是较好的选择,否则,散热器供暖是较好的方法.结合对实测数据的分析,该文对大通风量房间不同供暖方式下室内温度场和PMV分布进行了数值模拟.对三种供暖方式在不同换气次数条件下的温度场和PMV分布模拟结果显示,大换气量将造成室内一部分区域的不舒适性.分析结果后认为,PMV和室内温度分布是评价大换气量房间不同供暖方式室内热环境的重要参数,在这类房间中,辐射供暖和散热器供暖将各有优点,而热风供暖则是一种不宜采用的供暖方式.

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主要符号表

第一章绪论

1.1本课题的研究背景和意义

1.2本课题主要研究内容

第二章室内热环境研究状况与评价方法

2.1热舒适的评价

2.1.1热舒适研究概述

2.1.2国际上流行的热指标

2.2热舒适性评价指标的选用

2.2.1环境的平均辐射温度MRT

2.2.2人体热舒适方程和PMV-PPD指标

2.2.3不对称辐射对热舒适性的影响

2.3热舒适与室内空气品质

2.3.1换气量的确定标准

2.3.2供暖所应达到的换气次数

2.4大换气量房间的热舒适性研究方法

2.4.1实验方法

2.4.2微分方程数值解方法

2.5本章小结

第三章不同换气量房间冬季室内热环境实测

3.1实测内容及仪器设备

3.1.1实验台介绍

3.1.2实验仪器与设备简介

3.1.3测点布置

3.2实测数据及整理

3.2.1实验过程中天气变化情况

3.2.2换气次数的测定

3.2.3三种供暖设备供热量的确定

3.3.4实室内外空气温度与房间MRT的确定

3.3本章小结

第四章实验结果与理论分析

4.1实验系统影响因素的分析

4.1.1实验数据的可靠性分析

4.1.2供暖过程阶段的划分

4.2室内外实测温度特性分析

4.2.1日照强度对室内热环境的影响

4.2.2室内外温差的影响

4.3不同换气量下各供暖方式的实际供暖效果分析

4.3.1不同供暖方式的室内热环境特征

4.3.2不同供暖方式的预热效果分析

4.3.3各供暖方式在供热稳定阶段室内平均辐射温度MRT的比较

4.3.4各供暖方式在供热稳定阶段外墙内表面温度变化规律

4.3.5各供暖方式的垂直温度分布

4.4大换气量供暖房间热环境理论分析

4.4.1大换气量房间供暖热损失构成

4.4.2辐射供暖方式用于大换气量房间的节能优势

4.4.3大换气量房间供暖方式的选择原则

4.5本章小结

第五章室内热环境数值模拟与分析

5.1顶棚辐射供暖模型

5.1.1电热膜换热模型

5.1.2顶棚供暖辐射部分换热量

5.1.3顶棚供暖对流部分换热量

5.1.4电热膜供暖各围护结构传热

5.1.5室内其它设备散热的影响

5.2散热器供暖模型

5.2.1散热器供暖换热模型

5.2.2围护结构传热

5.3热风供暖模型

5.3.1热风供暖换热模型

5.3.2热风供暖各围护结构传热

5.4模型方程的求解

5.4.1模型物性参数的确定

5.4.2微分方程的求解

5.5室内热环境的数值模拟

5.5.1 CFD技术简介

5.5.2微分方程的离散

5.5.3网格划分

5.5.4迎风差分格式

5.5.5压力修正法和SIMPLE算法

5.6模拟结果与分析

5.6.1三种供暖方式作用下换气量对房间温度场的影响

5.6.2不同换气量热舒适性比较

5.7模拟值与实验值拟合比较

5.8本章小结

第六章结论

附录2-1 热环境的评价指标

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢