基于模擬計算的室內空調系統水溫模擬

1學習方法1.1溫室計算結果結果表明，基于ast軟件對建筑熱過程中建立的數學模型和相應算法是正確的。因此,在室內、外各個擾量以及建筑本身熱性能狀況等輸入參數與實際相符的情況下,在允許的誤差范圍內,應該得到與實測值變化趨勢及數量大小一致的室溫計算結果。如果室溫計算值與實測值之間存在較大的差異,并且變化趨勢不一致,則很有可能是對某個傳熱過程的變化規律存在不正確的認識,而導致對某個影響因素以及建筑熱性能參數的描述與實際不相符。本文以北京市未安裝空調的某住宅為研究對象,通過對房間室溫模擬計算值與實測值差異的定量分析,分析室內、外擾量參數的不合理描述對室溫計算結果的影響,由此指出住宅室內熱環境模擬分析過程中應注意的問題。1.2狀態空間法中樓室環境參數設置在眾多影響因素中,房間逐時通風換氣次數難以通過測試獲得,根據DeST軟件的數學模型,將通風換氣換熱量與其他內、外擾量分開,將房間室溫表示為無通風換氣影響的密閉室溫θa(t)和通風換氣導致室溫變化Δθ(t)的疊加,如式(1)所示。式(1)～(3)中θs(t)為房間室溫;m為除通風換氣外其他擾量的總個數;n為影響因數的個數;φij及φi為采樣后各個擾量對室溫的影響因數;λi為狀態空間法中房間的空間特征值向量;qj為除通風換氣外的各個擾量,包括室外氣象參數和室內發熱量等;η為時間的積分變量;qN為房間通風換氣所產生的換熱量。對式(2),(3)進行積分,并代入式(1),得到其中式中ρ為室內空氣密度;cp為室內空氣比定壓熱容;V為房間體積;R(t)為房間逐時的通風換氣次數;θout(t)為室外溫度。根據式(7),式(4)轉換為式(8)和式(5)表示出房間室溫θs(t)與房間密閉室溫θa(t)以及房間通風換氣次數之間的相互關系。由于房間通風換氣次數是未知的參數,因此,若要得到房間室溫計算值與實測值一致的結果,應合理確定房間的通風換氣次數。1.3溫室計算值與實測值、室外溫度的關系假設普遍,有以下充首先,不考慮通風換氣的影響,由模擬軟件計算出在室外溫度、太陽輻射以及室內發熱量等各個擾量作用下的房間密閉室溫逐時值,并將密閉室溫的計算結果與室溫實測值以及室外溫度的逐時變化趨勢相比較,本文測試房間的計算結果如圖1所示。圖1表示房間實測室溫、密閉室溫計算值以及室外溫度三者之間的相互關系。密閉室溫的計算值總高于實測室溫,室外溫度則是在白天的時間內介于房間密閉室溫和實測室溫之間;而在夜晚卻同時低于房間密閉室溫和實測室溫。在此基礎上分析房間通風換氣對房間室溫計算值的影響,夜間通風可使房間室溫的計算值與實測值保持相等,同時會導致房間白天室溫計算值的降低。于是,房間白天室溫計算值與實測值以及室外溫度的相對大小就會有以下三種情況:房間室溫計算值同時低于實測值和室外溫度;房間室溫計算值同時高于實測值和室外溫度;房間室溫計算值介于實測值和室外溫度之間。對于第一種情況,加大通風換氣次數可使房間室溫的計算值與實測值相等,這說明在室溫模擬計算過程中,對各個主要因素影響狀況的反映是客觀的。而對于后兩種情況,無論將房間通風換氣次數的值設置為多少,都不能獲得房間室溫計算值與實測值一致的結果,這說明在室溫模擬計算過程中,某個或某些擾量對房間室溫變化的影響狀況沒有得到真實反映。2考試內容2.1飛機布局研究對象為北京市未安裝空調的某住宅,圖2表示出研究對象的平面布局、測試房間以及測試儀器的位置。2.2室內測試精度對測試房間,采用Rhlog溫度自記儀連續記錄房間室溫,自記儀的測試精度為0.3℃,讀數時間間隔為1h,測試時間為1999年7月15日～8月9日。2.3供熱環境分析住宅建筑所處的地理位置決定了室外溫度、太陽輻射等室外氣象擾量的變化狀況。測試期內的室外溫度由百葉箱內的溫度自記儀逐時記錄得到,太陽直射、散射輻射的逐時數據由國家氣象部門提供。除了室外氣象擾量外,住宅的室內熱環境還同時受到人體、照明燈具及電器設備等內擾的影響。經過對住戶的調查,得到測試房間內擾(如人體、照明燈具及電器設備)的逐時發熱狀況,具體如圖3所示。3溫室計算結果對比考慮通風換氣次數初始值設定所導致的計算誤差,本文只分析1999年7月19日～8月9日的計算結果。由圖1可知,房間密閉室溫計算值遠大于室溫的實測值,甚至在某些時刻高于室外溫度,顯然,無法通過房間通風換氣次數的調節達到室溫計算值與實測值的一致,這說明模擬分析過程肯定沒有反映某個或某些因素對房間室溫變化的實際影響狀況。以下將具體分析其他原因。3.1室外溫室計算的偏高建筑圍護結構外表面除與室外空氣發生對流換熱和吸收太陽輻射外,還與包括地面、四周建筑以及天空的周圍環境進行長波輻射換熱,稱之為天空背景輻射。天空背景輻射可導致房間室溫的降低,忽略這一點,則會導致房間室溫計算值的偏高。對于本文的測試房間,根據室外溫度以及由國家氣象局提供的水蒸氣分壓力的數據,逐時地計算確定出天空背景輻射,進而用DeST軟件確定天空背景輻射所導致房間室溫降低的幅度,計算結果見圖4,圖5表示在考慮天空背景輻射的影響后,房間密閉室溫計算值與室溫實測值及室外溫度的比較。計算結果定量表示出天空背景輻射對室內熱環境的重要影響。天空背景輻射可使得房間室溫降低1℃以上,然而,即使考慮天空背景輻射的影響,房間密閉室溫計算值與實測值之間仍存在較大的差異。這說明除天空背景輻射外,其他擾量的實際影響也沒有得到合理反映,以下再作具體分析。3.2不同處理對樓室熱環境的影響測試房間的南向陽臺板對通過南向外窗的太陽直射和散射可起到一定程度的遮擋作用,從而降低房間室溫。圖6表示陽臺板南向遮陽導致房間室溫降低的幅度。除建筑構件本身的遮陽設施外,住戶還會通過拉窗簾等方式進行主動遮陽。根據對測試房間住戶的調查,由于陽臺板的遮陽作用,測試房間南窗的窗簾全天不拉,而西窗的窗簾則基本是全天拉上的。因此,還要考慮由于住戶拉窗簾對通過西窗太陽輻射的修正,圖7表示西窗遮陽所導致房間室溫降低的幅度。計算結果顯示出外窗遮陽對房間夏季室內熱環境的重要影響,其中西窗遮陽的影響更為顯著,房間室溫的降低幅度最高超過3℃。圖8為考慮天空背景輻射和外窗遮陽的共同影響后,房間密閉室溫計算值與室溫實測值及室外溫度的比較。圖8顯示在測試期相當長時間內,房間密閉室溫計算值與室溫實測值之間仍存在較大的差異,從而無法通過房間通風換氣次數的調節達到室溫計算值與實測值的一致。這說明在模擬計算過程中,除了天空背景輻射和太陽輻射外,對某些擾量的描述還存在不合理之處。天空背景輻射和太陽輻射之外的各個擾量中,室外溫度是室外氣象觀測站的逐時記錄數據,內擾擾量的大小和變化趨勢是通過對住戶的實際調查而得到,因此,有必要分析鄰室室溫擾量的變化狀況。3.3結果分析和結論室內、外的各個擾量中,鄰室室溫也是一個不可忽略的因素。然而,由于缺少房間逐時通風換氣量的真實數據,在模擬分析的過程中,往往以一個設定的通風換氣次數來計算房間室溫,這勢必會使得計算的鄰室室溫與其實際狀況存在較大的偏差,如圖9所示。鄰室室溫計算值相對于室溫實測值的增加相應會導致房間室溫計算值的增加,室溫增加的幅度見圖10。圖10表示出鄰室室溫狀況的合理描述對室內熱環境預測的重要影響。于是,在考慮天空背景輻射、外窗遮陽和鄰室室溫計算偏差的基礎上,再次計算房間的密閉室溫,并與房間實測室溫和室外溫度逐時變化趨勢相比較,具體計算結果見圖11。計算結果顯示房間密閉室溫計算值與室溫實測值明顯接近,此時可按照1.3節中的原則確定房間的通風換氣次數,使得房間室溫計算值與實測值最大限度地保持一致。然而,由于房間室溫的波動幅度較小,在某幾天內,無論房間的通風換氣次數為多少,都不能使房間室溫計算值與實測值保持一致的變化趨勢,尤其在室外溫度較高的情況下,最大誤差超過1℃,見圖12。這說明在房間室溫模擬分析的過程中,對某些擾量的描述仍存在不合理之處。通過進一步的調查發現,測試房間樓上的鄰室安裝有空調,室外溫度較高時,鄰室空調的運行可降低測試房間室溫。沒有考慮這一點,則相應導致房間室溫計算值偏高。以相同樓層、相同朝向空調房間實測室溫的平均值替代測試房間的空調鄰室室溫,圖13表示出鄰室空調導致房間室溫降低的幅度。考慮鄰室空調的影響后,房間密閉室溫計算值與室溫實測值接近的程度進一步增強,具體如圖14所示。根據圖14中房間密閉室溫的計算結果,反推計算房間的通風換氣次數,最終得出了整個測試期內房間室溫計算值與實測值一致的變化趨勢,最大計算誤差為0.61℃,基本滿足了精度要求,并且房間通風換氣次數也在合理范圍內變化。圖15a表示出房間室溫計算值和實測值的逐時變化趨勢,圖15b為房間換氣次數計算值的逐時變化趨勢。3.4根據實際溫室逐時變化分測試房間室溫模擬分析的結果表明房間的通風換氣次數并非不變,而是隨機變化的,這與室外風的實際脈動狀況是相符的。現假定測試期內房間通風換氣次數保持不變,為圖15b所示計算結果的平均值,在此恒定的通風狀況下,仍根據圖14所示的密閉室溫計算值,重新計算房間室溫的逐時變化趨勢,并與實測室溫的逐時變化趨勢相比較,具體計算結果如圖16所示。顯然,恒定的通風換氣次數導致了房間室溫計算值與實測值不一致的變化趨勢,最大計算誤差達到1.17℃,要得到與室溫實測值一致的計算結果,其所對應的房間自然通風狀況必須處在與實際相符的隨機變化狀態。因此自然通風狀況對房間的室內熱環境同樣有著十分重要的影響。4住宅室內熱環境模