基于不同热源组合与热分层高度的热压自然通风研究

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近年来,随着社会经济的发展,工业及民用建筑的耗能有了较大的增长。工业厂房生产过程中往往会散发大量热负荷,其热强度可达50~300W/m3(有些工业场合下或更高)。厂房内热源形式复杂多样(如点、面、体热源等),位置、高度也多有不同,这些因素使热压自然通风的精确设计变得十分复杂。在高余热建筑空间内,室内温度分布随通风量的改变而改变,室温与通风量两者需在耦合条件下求解,热源因组合条件不同而改变的几何物理参数又都直接与室温及通风能力有关,从而使得工业建筑自然通风分析方法区别于一般已知室温的问题。这涉及到工程条件多样性和复杂性的有效简化问题,或者说如何由纯理论模型向应用模式的过渡问题。本文以工业厂房建筑热压自然通风为实施对象,研究实体热源,多热源及不同高度热源上部热羽流扩散的基本模式。基于排灌箱模型(Emptying-filling box model)这一经典室内热分层理论,推导建立不同热源组合工况下无因次热分层高度表达式,获得厂房热压自然通风量、排风温度计算方式。然后分析建筑高度、热源几何参数、热源距地面高度、有效开口面积等因素对热压自然通风的影响,通过理论解析、实验室测试、CFD模拟,确定工业厂房不同热源组合下的房间热分层高度,排风温度及通风量计算方法。主要内容如下:首先,以建筑热压自然通风为实施对象,研究各类热源(如点、面、体热源等)自由及受限羽流扩散的基本模式,及自然通风房间中羽流相互作用情况,确定不同热源组合的归类及判定依据,根据判定依据将室内距离不同的热源划分为离散和相近热源等。其次,针对面热源上部热羽流在不同区域流量计算公式的变化,结合点热源自然通风计算方法,建立单一面热源驱动自然通风统一计算公式,研究热分层高度,排风温度等因素变化情况,并采用数值模拟的方法,对热分层高度计算模型进行了有效性验证。然后,基于面热源上部热羽流统一计算关联式,建立不同直径离散热源组合工况下(以两个不同直径面热源组合为例)自然通风计算模型,并分析了房间高度,风口面积,热源直径等因素对热压自然通风的定量影响。再次,基于热压自然通风原理,以两个离散点热源(等热源强度)为例,建立了其在距地板面高度不同的情况下,建筑室内各参数(热分层高度、排风温度、热压驱动通风量)近似计算模型,采用数值模拟的方法对热分层高度近似计算模型进行有效性验证,并分析房间高度,风口面积等因素对热压自然通风的定量影响。此外,选取两个相近点热源组合的工况(点热源间距x0?(7)hs-h0(8)?/0.35),推导相近双热源在不同高度时房间内热分层流动中各参数(热分层高度、排风温度、热压驱动排风量)的计算表达式,采用数值模拟手段对所推导的公式进行了验证,并分析各参数对热压自然通风效果的影响。基于同样的原理,推导位于不同高度的侧面受限热源房间热分层流动中各参数的理论计算公式,采用数值模拟手段对所推导的公式进行验证,并分析热源距地面高度等因素对热压自然通风的定量影响。最后,归纳分析了含有N个不同高度离散点、面、体热源工业厂房的情况,提出了基于不同热源组合与热分层高度的高大工业厂房有组织热压自然通风设计原理与方法。总结了具体的工业厂房热压自然通风设计计算步骤,并通过对夏季水电站厂房通风案例分析,详细阐述了实际工业厂房的合理设计方法,为同类型工业厂房的自然通风设计提供了理论依据和技术参考。
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