复合置换通风模型的理论与实验研究

摘要

能源是社会发展的动力基础，是国际政治、国家金融、国内安全博弈的焦点。生态文明建设是实现社会主义现代化的基石，人居环境的改善是生态文明建设的一项重要目标。复合置换通风综合了自然置换通风与机械通风的优点，不仅可以降低空调能耗，还能改善室内空气品质、提高热舒适性。开展复合置换通风的研究对于营造舒适的人居环境，建立绿色低碳、安全高效的建筑用能体系意义重大。因相关设计规范还不够完善，如何确定复合通风量等重要设计参数及其主要影响因素，是实际工程应用中亟待解决的问题。　　自然置换通风在复合置换通风研究中占有重要地位，本文首先针对热压驱动的自然置换通风，在经典热羽流理论和已有计算模型的基础上，通过考虑建筑壁面非绝热情况、室内下部区域空气温度高于室外空气温度现象，提出了一种改进的自然置换通风计算模型，得到了自然置换通风量与热分层高度的计算公式。利用计算公式对影响自然置换通风量与热分层高度的主要因素进行了分析。发现影响这两个特征参数的主要因素是有效开口面积和室内热源强度，在有效开口面积相同的条件下，随着室内热源强度的增大，自然置换通风量增大；在室内热源强度相同的条件下，随着有效开口面积的增大，热分层高度增大。　　接着针对热压与风机共同驱动的复合置换通风，按风机类型（排风机、送风机）、热压作用与机械作用的相对大小，将其划分为了四种流动模式。在自然置换通风计算模型的基础上，考虑热分层现象和建筑壁面非绝热情况，利用质量守恒方程、孔口流动方程、能量平衡方程等流体力学与传热学基本方程分别推导了四种流动模式下的复合置换通风计算模型，得到了复合通风量、通风模式转换点、热分层高度的计算公式。利用计算公式对影响复合通风量、通风模式转换点、热分层高度的主要因素进行了分析。发现影响这三个特征参数的主要因素是机械通风量、顶部开口与底部开口面积比、有效开口面积和室内热源强度。　　为验证提出的自然置换通风改进模型和复合置换通风计算模型，设计并搭建了置换通风实验台。发现采用“fully-mixed”模型计算得到的自然置换通风量明显偏大，采用“Emptying filling box”模型计算得到的自然置换通风量偏小，而采用本文提出的改进模型计算得到的自然置换通风量与实验值相对误差在5%以内，精度更高；采用本文推导的复合置换通风计算模型得到的复合通风量与实验值的相对误差在 15%以内。在热压与风机共同驱动的复合置换通风中，当热压主导通风模式时，室内热分层现象明显。随着机械通风强度的逐渐增大，变为机械作用主导通风模式，顶部通风口由排风口变为进风口，室内热分层现象逐渐消失，室内温度趋于均匀分布。　　最后，通过CFD软件分别对热压主导模式与机械作用主导模式的复合置换通风气流特性进行了模拟，并将模拟得到的室内温度场、复合通风量与理论计算值、实验值进行了对比，为采用CFD模拟技术研究复合置换通风提供了参考。　　本文采用理论分析、实验、数值模拟相结合的方法对复合通风量、热分层高度等重要设计参数及其主要影响因素进行了研究，以期为相关研究和工程设计提供一定的参考。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 置换通风概述

1.2.1 自然置换通风

1.2.2 复合置换通风

1.3 国内外研究现状

1.3.1 置换通风计算模型研究

1.3.2 置换通风的实验研究

1.3.3 置换通风的数值模拟研究

1.4 存在的问题

1.5 研究内容及意义

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究意义

2 自然置换通风

2.1 自然置换通风计算模型

2.1.1 “Fully-mixed”模型

2.1.2“Emptying filling box”模型

2.1.3 改进模型

2.2 自然置换通风影响因素分析

2.2.1 热分层高度的影响因素

2.2.2 自然置换通风量的影响因素

2.3 本章小结

3 复合置换通风

3.1 复合置换通风流动模式

3.2 “热压+机械排风”计算模型

3.2.1 热压主导模式

3.2.2 通风模式转换点

3.2.3 机械作用主导模式

3.3 “热压+机械送风”计算模型

3.3.1 热压主导模式

3.3.2 通风模式转换点

3.3.3 机械作用主导模式

3.4 复合置换通风影响因素分析

3.4.1 通风模式转换点的影响因素

3.4.2 热分层高度的影响因素

3.4.3 复合置换通风量的影响因素

3.4.4 机械通风量对顶部开口通风量的影响

3.5 本章小结

4 置换通风的实验研究

4.1 实验系统设计与搭建

4.2 测试仪器与实验内容

4.2.1 测试仪器

4.2.2 温度测试系统

4.2.3 通风量测试系统

4.2.4 实验方法

4.3 自然置换通风计算模型验证

4.3.1 自然置换通风量

4.3.2 热分层高度

4.4 复合置换通风计算模型验证

4.4.1 复合通风量分析

4.4.2 实验舱温度场分析

4.5 本章小结

5 复合置换通风的数值模拟

5.1 控制方程与求解方法

5.1.1 湍流模型控制方程

5.1.2 控制方程的离散化

5.2 数值模型的建立

5.2.1 物理模型

5.2.2 网格划分

5.2.3 相关参数设置

5.3 结果分析

①通风量

②温度分布

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续研究展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读硕士学位期间申请的专利目录

C 作者在攻读硕士学位期间参加的竞赛目录

D 作者在攻读硕士学位期间参加的项目

E 学位论文数据集

致谢