（工程热物理专业论文）复合材料墙体的室内温度响应.pdf

捅要 针对建筑物内人体的热舒适性与内墙壁面温度的相关性，建立了具有复合材料墙体 的房间内温度响应的数学模型。结果显示，在相同的加热( 制冷) 条件下，由相同材质、 相同尺寸组合构成的复合材料墙体，在不同的材料排列方式的情况，室内的温度响应有 很大的不同，这对间歇性供热房间内人体的热舒适性有较大的影响。对此，本文做了以 f 几项工作： 1 间歇供热条件下，复合材料墙体室内温度响应的理论研究： 依据非稳态传热理论，建立建筑物各种围护结构的温度变化详细理论模型，用以描 述室内外条件变化时围护结构本身的温度变化规律。在此基础上，将构成房间的各种围 护结构的数学模型综合在一起，对房间进行瞬时能量平衡，建立起复合材料墙体的室内 温度响应的常微分一偏微分方程组模型，并找出求解这一模型的数值方法。这样，就可 以把间歇供热条件下复合材料墙体室内温度响应与建筑物的外部环境温度、围护结构的 热物理特性参数、围护结构的尺寸和类型、围护结构和室内的初始状态以及房间的供热 量等因素联系起来： 2 不同的墙体内表面材料对墙体内壁面温度响应影响的数模和试验研究 首先，依据所得到的复合材料墙体的房间内温度响应的理论模型，对由不同围护结 构组成的房间在间歇供热条件下的动态热特性进行分析计算，将墙体结构参数和热物理 特性参数对室内温度响应的影响进行量化，明确其中的主要影响因素。然后，在个典 型的房间内建立套1 ：1 的试验系统，选择不同的内表面材料进行对比试验，测量小同 条件下室内的空气温度、墙体内壁面温度。 3 不同材料排列的复合墙体室内温度响应的模拟和试验研究 针对同一建筑物模型，在不同材料排列情况下进行室内温度响应的模拟和试验研 究，检验在间歇供热条件下不同材料排列的复合墙体室内温度响应的差异。 关键诃：温度响应；间歇供热：非稳态传热 a b s t r a c t d i r e c t i n ga g a i n s t t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et h e r f n a lc o r n f o r t a b l e n e s so fh u m a n b o d i e sa n dt h er o o ma n dt h ei n n e rw a l lt e m p e r a t u r e am a t h e m a t i c a lm o d e lw a s p r o p o s e da n d t e s t e df o rt h er o o mt e m p e r a t u r er e s f 。o n s et ot h ei n t e r m i t t i n gh e a t i n gi nar o o mw i t hw a l l sb u i l t w i t hc o m p o s i t em a t e r i a l s n u m e r i e a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea r r a n g e m e n to ft h em a t c r i a lh a s s i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so nt h er o o mt e m p e r a t u r er e s p o n s ec u r v e ，u n d e rt h ei d e n f i c a lh e a t i n g ( r e f r i g e r a t i n g ) c o n d i t i o n ，w i t h t h ec o m p o s i t em a t e r i a lw a l lf o r m e db yt h ei d e n t i c a lm a t e r i a l s a n dt h es a m es i z e t h i sw i l lg r e a t l ya f f e c tt h ec o r n f o r t a b l e n e s so f t h eh u m a n b o d yi nt h er o o m w i t h i n t e r m i t t i n gh e a t ：n g t h er e s e a r c hw o r ki n c l u d e st h r e ea s p e c t s ： n ef i r s ti st h et h e o r e t i c a ls t u d yo nt h er o o mt e r n p c r a t u r er e s p o n s et ot h ei n t e r m i t t i n g h e a t i n g a c c o r d i n g t ou n s t e a d y - s t a t eh e a tc o n d u c t i o nt h e o r y ，t h ev a r i o u st e m p e r a t u r e c h a n g e d e t a i lt h e o r ym o d e la b o u tt h ev a r i o u ss t r u c t u r er o o mw a sp r o p o s e d ，i r lo r d e rt od e s c r i b et h e t e m p e r a t u r ec h a n g el a wo fs t r u c t u r ei t s e l fw h e ni n d o o ro ro u t d o o rc o n d i t i o nc h a n g e t h e m a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tt h ev a r i o u ss t r u c t u r e sr o o mi s s y n t h e s i z e dt o g e t h e r , o nt h i s f o u n d a t i o n ，t h ei n s t a n t a n e o u se n e r g yo f t h er o o mw a sb a l m a c e d ，a n dt h en o r l n a ld i f i e r e n t i a l c o e f f i c i e n t d a r t 烈d i 髓r e n t i a lc o e f f i c i e n te q u a t i o nm o d e la b o u tt h et e m p e r a t u r er e s p o n s ei o t 1 er o o mw i t hw a l l sb u i l tw i t hc o m p o s i t em a t e r i a lw a sb u i l t ，a n df i n d st h es o l u t i o nt o m a t h e m a t i c a lm e t h o do ft h i sm o d e l s o ，t h er o o mt e m p e r a t u r er e s p o n s et ot h ei n t e r m i t t i n g h e a t i n gi nar o o mw i t hw a l l sb u i l tw i t hc o m p o s i t em a t e r i a lw a l ji sc o r m e c t e dw i t ht h ef a c t o r s u c ha st h ee x t e m a le n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r eo fb u i l d i n ga n dt h eh o tp h y s i c sp r o p e n 3 p a r a m e t e r s i z eo fs t r u c t u r ea n dt h et y p eo f s t r u c t u r ea n dt h ei n i t i a la p p e a r a n c eo fi n d o o ra s w e l la st h eq u a n t i t yo f h e a ts u p p l y i n go f r o o me t c t h es e c o n di ss t u d yo nt h ec a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n to f t h et e m p e r a t u r er e s p o n s et ot h e r o o mw i t hw a l l sb u i l tw i t hd i f i e r e n ti n t e r i o rm a t e r i a l f i r s t l y ，b a s eo nt h et h e o r ym o d e lo f t h er o o mt e m p e r a t u r er e s p o n s et ot h er o o mw i t h w a l l sb u i l tw i t hc o m p o s i t em a t e r i a l ，t h eh o tp r o p e r t yo ft r e n d su n d e rt h eh o tc o n d i t i o nw a s a n a l y z e da b o u t t h e i n t e r m i t t i n gh e a t i n gr o o m f o r m e db yt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e s ，t h a ts t r u c t u r a l p a r a m e t e ra n dh o tp h y s i c sp r o p e r t yp a r a m e t e ri n f l u e n c eu p o ni n d o o rt e m p e r a t u r er e s p o n s e w a s q u a n t i f i e d + n 挎m a j o ri n f l u e n c e f a c t o ra m o n gt h e mw a sa s c e r t a i n e d t h e n 、o n es e to f1 ：1 w a sb u i l ti n s i d eat y p i c a lr o o mt h et r i a ls y s t e mo f t h ed i f i r e r e n ti n n e rs u r f a c em a t e r i a l st oc a r r y o np a i r - c o m p a r i s o nt e s t i n g ，t h ea i rt e m p e r a t u r eo fi n d o o ra n dt h ei n t e r i o rw a l ls u r f a c e t e m p e m t t t r eu n d e r t h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n sw a sm e a s u r e d n l et l l i r di ss t u d yo nt h ec a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n to ft h et e m p e r a t u r er e s p o n s et ot h e r o o mw i t hw a l l sb u i l tw i t ht h em a t e r i a li nd i f i e r e n to r d e l i i la l l u s i o nt ot h es a m e b u i l d i n gm o d e l w e s t u d i e do i 1t h ec a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n to f t h er o o mt e r n p e r a t u r er e s p o n s et ot h er o o mw i t hw a l l sb u i l tw i t ht h em a t e r i a li nd i f f e r e n to r d e r t h a tv e r i f i e dw h a td i f f e f e n c ea m o n gt h o s ea b o u tt h er o o mt e m p e r a t u r er e s p o n s et ot h e i n t e r m i t t i n gh e a t i n g r o o m k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r er e s p o n s e ；i n t e r m i t t i n gh e a t i n g ；u n s t e a d y h e a tt r a n s f e r x i 东南大学学位论文独创性声明 奉人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 一物理量 五导热系数，i , f ( m k ) 墙的面积，i t l l r 地板的面积，m l f 天花板的面积，m t r 窗的面积，盯 f ，门的面积，酊 v 冷风渗透量 m 名 v 房间体积，m 7 ：，墙的温度，k r 地面的温度，k c 屋顶的温度，k t 墙内壁面温度，k r 墙外壁面温度，k 瓦空调房间室内空气温度，k l 为采暖室外计算温度，k p 密度，船m 3 c 比热，j ，k g k 主要符号表 q 热源的散热量，w q 太阳辐射得热量，w q 、人体散热量、照明、设备散热量，w q 。围护结构传热耗热量，w q ，室内空气温升所吸收的热量，w q 。冷风渗透耗热量，w q ，其它途径散失或获得的热量，w h 。墙内表面对流换熟系数，( 21 k ) h 。墙外表面对流换热系数，( k ) 二下标 “墙 ，地板 c天花板 w宙 d门 口空气 三特征数 f o 傅里叶数 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 i 1课题背景及研究思路 1 1 1 应用背景在长江中下游的广大地区，如武汉和南京等地，由于一般 的住宅建筑不设采暖设施，冬季室内温度很低。每当冬季来临，寒冷潮湿的气 候都会严重影响人们的工作效率和生活质量。近1 0 年来随着生活水平的日益提 高，人们对自己生活环境的舒适性要求也越来越高，空调、电热油汀、暖风机 等消费品都已进入寻常百姓家庭。对于安装了这些家用空气调节设备的房间来 说，最大限度地满足人体的舒适性是我们面临要解决的问题。在空调房间内， 影响人体舒适性的因素主要有：温度、湿度、噪声，另外还有一个重要因素“四 周墙壁的温度”。一般认为，在冬季，室内气温达到1 8 2 2 左右。人体就感 到比较舒适，其实不尽然。例如，在夏季，室内气温为2 0 c 时，人们穿衬衫活 动感到很舒适；而在冬天室内同样为2 0 。c 的情况下，即使穿着较厚的羊毛衫也 会感到冷。究其原因就是周围墙体的低温造成了人体辐射散热损失增大，产生 了辐射冷感。因此，为了在冬季改善室内人体的热舒适性，目前采用的主要措 施是增加对室内的供热量( 如安装大功率空调器) ，提高室内的空气温度，同时 通过空气间接提高围护结构的温度。这又带来两个问题：一是不利于节能；二 是室内气温升高，空气的相对湿度降低，变得比较干燥，人呆在空调房间内也 会感到不舒适。要解决这些问题的关键在于怎样快速提高空调房间四周墙体内 壁面温度，从而减少人体对墙壁的辐射散热损失。 由于气象条件的特殊性，在长江中下游的广大地区。办公建筑和住宅建筑多 数采用间歇供熟方式。为了节电，多数建筑中只有人在时才供热，人不在时关 掉供热设备，供热时间很短，通常只有几个小时。在短时段内，室内温度不会 达到稳定，而在这个时段内，室外温度却波动很小，可以看作定值。这和北方 的连续供热不同，也和南方商场、宾馆等公共设施的中央空调连续制冷不同， 在长时间供热或制冷后，室内温度已趋于稳定，而室外温度在长时段内波动很 大，不能看作是定值。 在间歇供热的条件下，从能量平衡的角度来看，向室内的供热量除用来加 热室内的空气和的设施、部分随从门窗的缝隙或孔洞被空气带出室外，很大一 东南大学硕士学位论文 部分用来加热围护结构并通过围护结构散到室外。在供热设备启动的初期，由 于空气的热容量较小，室内的空气温度上升很快，但是由于墙体等围护结构的 热容量较大，温度上升很慢，与气温相比有很大的滞后。尽管室内空气温度已 经升到2 0 以上，但是人在室内仍然会有较强的冷感。在间歇供热的条件下， 建筑物的围护结构是不可能达到稳定温度分布的。稳态条件下隔热性能相同的 两种围护结构，在非稳态条件下可以表现出很大的差别。例如，用砖混结构的 墙体和一层木板构成两种复合墙体，其中一种木板在内层，另外一种木板在外 层。在稳态条件下，两种复合墙体的内表面温度是相同的，但是在非稳态条件 下，两者的温度分布随时间的变化规律却会有很大的不同，木板在内侧的结构 内表面温升较快，而木板在外侧的结构内表面温升较慢。这种现象给我们一个 重要的启示，那就是我们有可能利用围护结构的动态传热特性，通过采用不同 的墙体内表面材料来改善间歇供热( 制冷) 条件下的室内热舒适性，同时达到 节能降耗的目的。 1 1 2 总体思路本文所研究的复合材料墙体的房间内温度响应的主要思路 为：根据间歇供热( 制冷) 条件下复合材料墙体房间的动态热平衡建立起数学 模型，然后针对某一尺寸结构房间的某种内墙材料在某一初始条件、边界条件 下进行计算，把计算结果与现场试验值进行比较，然后对数学模型进行完善， 那么就可以用该数学模型模拟任一尺寸结构房间的不同种内墙材料在任一初始 条件、边界条件下的温度响应，从而能找出一种能改善间歇供热( 制冷) 条件 下的室内热舒适性的内墙材料。 1 2 国内外研究发展概况 对间歇供热下的复合墙体室内温度响应的研究主要针对在非稳定条件下研 究室内温度和四周墙壁温度随时间的变化规律。在非稳定条件下，研究复合墙 体室内温度响应的内容主要包括：1 ) 不同内墙材料的复合墙体室内温度响应： 2 ) 不同材料排列顺序的复合墙体的室内温度响应。研究间歇供热下的复合墙体 室内温度响应的目的是验证出不同内墙材料在非稳定条件下室内温度响应是否 有很大不同，如果有，那我们就有可能利用围护结构的动态传热特性，通过采 用不同的墙体内表面材料来改善间歇供热( 制冷) 条件下的室内热舒适性，同 时达到节能降耗的目的。 东南大学硕上学位论文 间歇供热的室内温度响应方面大多数文献1 4 - 1 0 都是针对在稳定条件 下，也就是在室内温度波动比较小，比如象长时间供热或制冷的空调房间，这 时候经过长时间供热，室内温度已趋向与稳定，而室外温度在长时段中波动明 显，墙体的温度场分布和室内温度变化主要与室外温度变化有关。其中文献研 究墙体对单位阶跃输入的温度一时间响应，用热阻类比电阻，提出了一种求解建 筑外墙温度响应的非迭代方法，节省了机时，但没有研究针对室内温度连续性 变化下墙体的温度响应；文献 6 - n 研究复合墙体的热阻，在稳态条件下热阻与 墙体材料的不同排列顺序是无关的，只与材料的厚度、导热系数以及内外表面 与空气的对流换热系数有关；文献| 6 1 研究在房间闯歇供热条件下复合墙体的热 阻随时间的变化规律，通过联立墙体非稳态导热方程和稳态条件下的热阻公式， 得出在间歇供热条件下复合墙体的热阻是时间的递增函数，另外还与外墙材料 的传热系数、密度以及比热等因素有关：文献1 4 , 5 2 j 认为，由于围护结构以及室 内家具等物体的蓄热，室外空气参数的变化以及太阳辐射至墙壁的热量对室内 空气参数的影响都存在滞后性，也就是说，室内温度响应跟围护结构的蓄热能 力有关；文献”2 1 研究建筑物瞬时热现象，通过实验绘出无热源的室内温度和墙 内表面温度在室外温度影响下随时间的变化曲线；文献5 1 对供暖房间室内动态 热环境进行数值分析，通过对供暖房间的热平衡以及墙体传热的分析，编出了 一套供暖房间室内动态熟环境分析软件。 另外文献【1 7 1 研究供暖房间瞬时热状态的模型，通过对墙体从上一时刻内 外热传递平衡状态过渡到下一时刻达到新的平衡状态的分析，列出墙体在非稳 态状态下的温度分布公式。但没有提到室内温度是怎样变化的。文献e 1 研究空 调汽车在炎热环境下停启过程中车内温变特性，在空调汽车启动过程中，车内 温度随时间呈指数规律降低，降低的速率取决于车体围护结构特性、车体太阳 辐射强度、车内外对流换热强度及怠速下空调性能等因素，当汽车启动时间足 够长时，车内温度取决于辐射传热强度与对流换热强度之比，而与车体本身的 蓄热特性无关。但没有研究车体内表面温度随时间的变化规律，以及车内温度 东南大学硕士学位论文 与车体内表面温度综合对人体舒适性的影响，而且汽车与建筑物的得失热量还 是有很大区别的。文献”研究建筑物由于室内物体( 家具、建筑结构内表面材 料等) 的蓄热导致持续的热滞后效应，根据建筑物的熟平衡方程计算，绘出室 内空气温度随时间变化的曲线，研究出室内物体的热容量对室内温度变化的影 响。但对于在间歇供热下室内平均辐射温度随时间的变化规律，国内外均未有 过报道。 围护结构非稳态导热方面由于墙体的厚度远小于其长度和宽度，可以 把墙看作是半无限大物体。针对半无限大物体的非稳态导热问题，教材川上有 描述，国内外也有很多关于这类问题的文献 2 1 - 2 3 】。一维非稳态导热的理论和实 验研究已经非常成熟。在研究建筑物热工方面的文献，特别是研究墙体传热方 面的，其中文献1 2 2 针对初始温度为t 。的半无限大物体的一面暴露在温度为l 。 流体中的情形下，列出非稳态导热方程并作出分析解；文献【7 ”1 对周期性变化 边界条件下不稳态导热方程作出了分析解，在周期性变化边界条件下半无限人 物体表面温度用余弦函数表示，非稳态导热方程应用分离变量法求解，最终得 到半无限大物体在周期性变化边界条件下温度场的表达式。其也对非稳态导热 方程作出了数值解，有偏微分方程有显式差分格式和隐式差分格式两种，还对 第三类边界条件进行有效处理，简化了解法。这些文献都是研究墙体在外界一 次性输入温度下的温度一时间响应，没有研究墙体在外界连续性输入温度下的 温度一时间响应。文献【“1 对于墙体一维非稳态导熟问题以及第三类边界条件 做过研究，其中文献【2 9 1 研究室外温度如果呈线性变化而非周期性变化时，墙体 各点的温度分雍随时间是怎样变化的；文献驯研究复杂复合墙体的建筑物的三 维导热模拟，指出采用一维导热模型分析此类建筑物热负荷会产生错误，用三 维导热模拟更能够反映出建筑物围护结构的热阻、热容量等准确热指标：文献 3 q 研究求解关于多层复合墙体传热传质非连续性问题的方法，通过联立传热传 质方程，得出复合墙体各层材料界面上相对湿度随时间变化的曲线，它们之间 有很大不同，那么实际的导热方程的边界条件被认为是非线性的。有些文献 东南大学硕士学位论文 拉“”7 主要目的是求房间的热负荷或冷负荷。在求房间的热负荷或冷负荷的过程 当中，涉及到了几种关于墙体温度场分布随时间变化的方法，主要有两种：谐 波反应法和传递函数法。其中文献1 ”1 是研究在室外温度呈周期性波动下，墙体 内表面温度波幅与墙体外表面温度波幅的关系。文献p 4 2o 是研究空调房间围护 结构的传热动态热特性，利用传递函数求出墙体温度场分布随室外温度变化的 方法。有些文献跟第三类边界条件有关，文献m “1 针对建筑物墙内外表面对 流换热系数进行研究，其中文献”研究共轭传热室内自然对流数值模拟，把建 筑围护结构传熟与室内空气自然对流作为整体进行耦合求解，建立了一种用于 共轭传热室内气流数值预测数学模型，最后得出建筑物围护结构内表面的努赛 尔数变化随着瑞利数的增加而增大，并且沿着高度方向热壁面处努赛尔数递减； 文献瑚研究有热源的室内空气自然对流，认为墙内表面对流换热系数与换热 温差和房间尺寸有关，列出了对流换热系数与换热温差的函数关系式；文献i 研究建筑物墙外表面对流换热系数与大气风速的关系，通过实验得出墙外表面 对流换热系数与大气风速的函数关系式。 建筑物热平衡方面文献l l - 4 对建筑物室内热量平衡问题进行过阐述， 对于有冷、热源的建筑物，在冬季- ”室内的失热量主要包括：围护结构( 墙、 窗、门、屋顶、地面) 耗热量、冷风渗透耗热量，得热量包括：热源散热量、 人、照明设备散热量。在夏季”建筑物室内的得热量包括：围护结构得热量、 太阳辐射得热量，失熟量主要有：冷源制冷量。根据热量平衡关系，得热量等 于失热量建立起热量平衡关系式。熟平衡关系式方程是一个常微分方程，针对 常微分方程的数值解法，文献1 提出了很多解法，有e u l e r 法和r u n g e - k u t t a 法， 采用改进e u l e r 法或r t m g e k u t t a 法可以提高求解精度。文献m 1 根据热平衡方程 绘出了室内温度随时间变化的曲线。 室内温度响应实验研究方面对温度响应实验研究的文献主要是研究房 间( 也有其它物体空间) 的空气温度、墙内外表面温度在非稳态条件下随时问 东南大学硕士学位论文 的变化规律。文献m 1 研究供暖房间室内动态热环境，在实验研究中，实验对象 为一无规律的间断供暖房间，房间外墙窗下布置了柱式散热器，试验时间选在 冬季，实验时对室外空气的干球温度、外围护结构外表面温度、散热器表面温 度、围护结构内表面温度、室内空气温度分布及冷风渗透情况进行了2 4 h 连续 监测，共布置了6 0 个测点。温度用铜一康铜热电偶配以p z 6 7 型直流数字毫伏 表测试，冷风渗透量用热线风速仪连续监测。文献【1s j 研究汽车停启后车内温度 变化规律，在车内驾座、副座、左、右后座空间内相当与驾乘人员胸部处布置 有4 个测温热电偶；在车室中心位置、后座脚部位置、车侧、车项、前挡风玻 璃内表面、驾座椅、后座椅表面及仪表台布置有7 个测温热电偶以测定车室内 表面的温度：在引擎盖、车项、前挡风玻璃外表面布置有3 个测点以测定外表 面温度，室外空气温度由专门热电偶测定，所有热电偶测温点通过数据采集系 统与笔记本电脑连接，每5 秒采集一次测试数据。 目前，对间歇供热( 制冷) 复合墙体室内温度响应特别是跟人体舒适性 有关的平均辐射温度随时间的变化规律的理论和实验研究还没有报道过。 1 3 本文的主要内容 本文的主要内容大致可归纳为以下三部分： ( 1 ) 间歇供热条件下，复合材料墙体室内温度响应的理论研究： 依据非稳态传热理论，建立建筑物各种围护结构的温度变化详细理论模型， 用以描述室内外条件变化时围护结构本身的温度变化规律。在此基础上，将构 成房间的各种围护结构的数学模型综合在一起，对房间进行瞬时能量平衡，建 立起复合材料墙体的室内温度响应的常微分偏微分方程组模型，并找出求解这 一模型的数值方法。这样，就可以把间歇供热条件下复合材料墙体室内温度响 应与建筑物的外部环境温度、围护结构的热物理特性参数、围护结构的尺寸和 类型、围护结构和室内的初始状态以及房间的供热量等因素联系起来； f 2 ) 不同的墙体内表面材料对壤体内壁面温度晚应影响的计算和试验研究 首先，依据所得到的复合材料墙体的房间内温度响应的理论模型，对由不 同围护结构组成的房间在间歇供热条件下的动态热特性进行分析计算，将墙体 结构参数和热物理特性参数对室内温度响应的影响进行量化，明确其中的主要 东南大学硕士学位论文 影响因素。然后，在一个典型的房间内建立一套1 ：1 的试验系统，选择不同的 内表面材料进行对比试验，测量不同条件下室内的空气温度、墙体内壁面温度。 侣1 不同材料排列的复合墙体室内温度响应的计算和试验研究 针对同一建筑物模型在不同材料排列情况下，进行室内温度响应的计算和试验 研究，验证在间歇供热条件下不同材料排列的复合墙体室内温度响应有什么不 同。 1 3 1 复合材料墙体的房间内温度响应的理论研究 针对间歇供热的情况，在封闭房间内，随着热源开始加热的，研究室内空 气温度以及墙内表面温度升高的规律，需要进行以下几项研究工作： ( 1 ) 人体热舒适性研究：研究人体在房问内的感觉与室内空气温度、四周墙体 内壁面温度的关系； ( 2 ) 房间动态热平衡的分析：忽略太阳辐射得热量、家电及炊事得热、人体散热、 家具的蓄热和冷风侵入等因素，分析房间的得热量和失热量，在动态热量平 衡的基础上建立关于室内空气温度的常微分方程； 3 ) 围护结构传热传质研究：建立关于围护结构热传导的偏微分方程以及初始 条件、第三类边界条件。联立关于室内空气温度的常微分方程和关于围护结构 热传导的偏微分方程，采用隐式的欧拉方法和控制容积有限差分方法求出室内 空气温度和墙体内表面温度的变化曲线。 1 3 2 复合材料墙体的房间内温度响应的实验 为验证本课题提出的复合材料墙体的房间内温度响应数学模型的准确性， 需要进行模拟实验的研究。针对南京地区一个典型房间，结构和尺寸己知，在 特定初始温度条件和边界条件下，一种情况是内墙抹灰，另一种情况是内墙附 有泡沫塑料板。采用暖风机诸如此类的热源对房间进行加热，功率已知，用带 热电偶的计算机采集模块测量室内空气温度和墙内表面温度。把计算结果与实 验测量值进行了比较。 1 3 3 多种内墙材料的室内温度响应模拟 本文的现场实验方法中，选用的房间结构和尺寸都是已知，内墙材料一种 东南大学硕士学位论文 是抹灰，一种是附泡沫塑料，选用材料比较少，室外温度和室内温度、四周内 表面温度特定，不能反映出各种各样情况下的室内温度响应。用数学模型就可 以计算出多种内墙材料的室内温度响应，了解在间歇供热( 制冷) 条件下满足 人体热舒适性的所需要的内墙材料。 1 3 4 不同材料排列的复合墙体室内温度响应的计算和试验研究 针对同一建筑物模型在不同材料排列情况下，太文主要针对两种情况，一种 情况是把泡沫塑料板贴在建筑物墙体外表面，一种情况是把泡沫塑料板贴在建 筑物墙体内表面，分别进行室内温度响应的计算和试验研究，验证在间歇供热 条件下不同材料排列的复合墙体室内温度响应有什么不同。 1 4 本文涉及的基本术语 1 间歇供热( 制冷) 冬季，人们为了在室内正常的工作和学习，需要往房间内供热，保证室内 一定的温度。往室内供热主要分为两种： ( 1 ) 连续供热：一天二十四小时不间断供热，白天正常供热，晚上采用值 班温度( 5 ) 供热； ( 2 ) 间歇供热：一天中只在某一时段或间隔几个时段供热，其它时段不供 热。 在我国的北方地区。冬季民用建筑供热多以连续性供热为主；华南地区平 均气温较高，冬季几乎无需供热；而处在温带和寒带地区的发达国家也以连续 性供热居多，较少采用间歇性供热。 而在我国长江中下游地区，由于气象条件的特殊性，人们在单位上班或下 班回家，为了节电，在单位或在家里，一般打开空调或其它取暖设备取暖时间 通常只有几个小时，室内温度还没有达到稳定就关机了，因此都属于间歇性供 热，只有在商场和娱乐场所为了营业需要，才采用连续性供热或制冷。 2 热舒适性 人在房间内的热感觉跟房间内的温度、湿度有关，还跟房间四周的内墙、 东南大学硕士学位论文 楼板和地板的表面温度有关，例如，在夏季，室内气温为2 0 时，人们穿衬衫 活动感到很舒适：而在冬天室内同样为2 0 。c 的情况下，即使穿着较厚的羊毛衫 也会感到冷。究其原因就是周围墙体的低温造成了人体辐射散热损失增大，产 牛了辐射冷感。 因此，人体在房间内的热感觉是室内空气温度与四周物体表面温度综合的结 果。 3 辐射平均值 辐射温度平均值i = 口t a + 6 t t 这里，瓦为房间室内空气温度，k ：i 为房间四周表面平均温度，k 马厶是常数，一般可取日动= 0 ，5 东南大学硕士学位论文 第二章复合材料墙体室内温度响应的理论研究 2 1 引言 在问歇供热情况下，对于有热源的房间，刚打开热源，由于空气的热容量 较小，室内的空气温度上升得很快，室内外的温差越来越大，室内向室外的传 热量也就越来越大，直到房间内散热设备的散热量等于热负荷，室内的空气温 度才趋于稳定。在整个过程中房间内外一直处在一种动态热平衡当中。 对于建筑物的得热量和失热量的具体分项，有关的文献“1 已有描述。在分 析建筑物的得热量和失热量之前，要对房间的结构、朝向以及和它相隔的上下 前后左右情况要了解，室内、外温度和围护结构内表面温度都是已知。在建立 室内温度响应的数学模型之前，首先要建立房间及围护结构的物理模型。 2 2 物理模型 计算对象为一般的民用住宅或办公室，室内放一热源，功率为q ，室内无其 它物品，其围护机构主要有：四面复合材料墙，外墙有一玻璃窗与室外相隔， 上是屋顶( 楼板) ，下是地板，内墙上有一门。复合材料墙为常见的二四墙，墙 体材料为普通的砖混结构。 图2 - 】间歇供热的房间 2 3 数学模型 宣 图2 - 2 复合材料墙体 2 3 1 从房问冬季热量平衡关系式来研究室内墙壁温度对气温响应的规律。 对于上面所描述的间歇供热房间： 0 东南大学硕士学位论文 得热量有：( 1 ) 空调( 或电热油汀、暖风机) 等热源的散热量q ( 2 ) 太阳辐射进入室内的热量q ： ( 3 ) 人体散热量、照明、设备散热量q ，。 失热量有1 1 ：( 1 ) 围护结构传热耗热量q 。； ( 2 ) 室内空气温升所吸收的热量q ，； ( 3 ) 加热由门、窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量q 。 此外还会有通过其它途径散失或获得的热量q ，。 热平衡方程； q 1 + q 2 + q 1 = q + q5 + q 6 在冬季，q ：、q ，都很小可忽略，那么 q i = q 4 + q 5 + q 。 对于夏天，q ，、q ，q ，q 。q q 。q ，为负值，同样有： q l = q 。+ q 5 + q 。 由于围护结构又包括墙、地板、天花板、窗、门，因此有【 另有7 q 4 = q 。+ q f 十q 。+ q 。+ q d q ，：吨e 璺( 内壁面) q - 2 咄云内壁面 q f _ 哪票( 内壁面) q o = - 五f c 豢( 内壁面) q 。= k 。f w ( t l ) q 。= k 。e ( t l ) 东南大学硕士学位论文 q ，；鹏。璺 o z ： q 。= 见c 。v ( t a l ) 对于围护结构： 不稳态导热方程： ( 2 ) 肛罢= 五筹 ( 对墙体、地板和天花板) f = 0 时t = t o( 初始条件) 旯罢：h 。( t a t x ) ( 内墙边界条件) 班 五罢：l l w ( l l ) ( 外墙边界条件) 嗽 。 式中：五为材料的导热系数，w ( m ) ；p 为材料或空气的密度，堙m k ”k 。分别为f l 、窗的传热系数，w ( m 2k ) ；f 为墙体的面积，i i l ；f 为地 板的面积，m 2 ：f 为天花板的面积，m 2 ：瓦为窗的面积，m 2 ：，j 为门的面积 m ；v 为冷风渗透量，m 么； 瓦、弓、瓦分别为围护结构( 墙、地面、屋顶) 的温度，k ；为墙内壁面温度，k ；为墙外壁面温度，k ；为空调房间室 内空气温度，k ；瓦为采暖室外计算温度，k a 对于方程( 1 ) ： p cv b 吾= q - h * f q 弧t q ) - h 。w ( t t 0 - h * 叭t 一 k 。+ f w + ( t a t w ) 一r 。+ c + v 。+ ( lt w ) ( 3 ) 把o _ r 看成y 。把【q h 。+ f q ( t a t q ) h 。f f + ( t a t ) 一h 。+ r + ( t a t c ) - f k 。f w ( t at w ) 一r 。+ c + v 。( t a l ) 1 p 。cv a 看成f ( x ，y ) ，那么： 方程( 3 ) 就是关于空气温度l 的常微分方程，可以采用改进的e u l e r 法来进 行数值解。关于空气温度t 的离散化方程如下1 ： 歪查查兰堡主兰垡! 竺苎 k 。+ f w ( t a t w ) 。r 。+ c + v 。( l x w ) 】，卢。cv 。；h 是时间步长d t 对于围护结构非稳态导热： 内墙材料( k l 、p i 、c 1 )普通2 4 墙( k 2 、0 2 、c 2 ) 圈2 - 3 复合墙体非稳态导热图 对于方程( 2 ) ，显式格式的离散化方程m l ： t ? “= ；害害；景( t 端+ t 2 ) + ( ，一j 喜害；参) t ， t j ：兰垡尘垫生 2 + a x + h 。 t ：= 群 ilihll 耳 ) ) h 甜m 0 m 嗨琊 “ m h h + j 嘏玉： 仅 一 】| 一 川 f 1 qg 中式 东南大学硕士学位论文 前提要满足：r 旦萼，即f 。5 2 3 2 热舒适性的评价指标 以往的研究结果表明，人体在室内环境中的热舒适感觉不仅取决于室内空 气的温度，还与内墙、门窗天花板等围护结构的平均辐射温度有关。因此，在 冬季热舒适通常用下式来表示m 】： 巩+ 6 t t = 1 8 b 2 2 其中，扫jb 是常数，般可取a = b 2 0 5 ，而“z f f 。 j = lt - i 2 4 室内空气温度的计算方法 为了计算开始加热后房间的温升情况，需要联立求解关于空气温度的常微 分方程和关于围护结构热传导的偏微分方程。关于空气温度的常微分方程，可 采用改进的欧拉方法来求解。关于围护结构热传导的偏微分方程，采用控制容 积有限差分方法求解。围护结构的墙、地板、天花板、窗、门几个部分，它们 可以分别具有不同的边界条件和初始条件。这意味着要求解四个仞边值条件不 同的偏微分方程。房间的供热量可以按照空调设备的实际制热功率来计算。冷 风渗透耗热量可以参考有关建筑采暖设计的方法来计算。 在计算门窗的散热量时没有考虑它的热惯性，它的传热系数可从供热工程设 计方面的手册中得到。计算中涉及到的其他有关数据均从有关的设计规范h 7 1 中 获得。 计算步骤如下： ( 1 ) 首先给定空气的初始温度和其它相关的初边值条件及时阃步长： ( 2 ) 估计下个时间步长的空气温度； ( 3 ) 计算各部分热量，进行能量平衡； ( 4 ) 如果能量基本平衡，转入下个时间步，否则估计新的空气温度重新返回 第3 步进行计算； ( 5 ) 完成每个时间步的计算并保存计算结果； ( 6 ) 绘制温度随加热( 制冷) 时间的变化曲线。 东南大学硕士学位论文 下面给出关于空气温度的常微分方程和围护结构热传导的偏微分方程联立求导 的程序框图，如图2 4 所示。 图2 4 程序框图 图2 - 5 用改进e u l e r 法计算空气温度的程序框图 东南大学硕士学位论文 图2 - 6 围护结构非稳态导热程序框图 2 5 计算结果 为了与实验对比，计算条件要与实验背景相同。取南京地区的一个典型 的房间进行了对比分析。 各种给定计算条件如表2 5 所示： 东南大学硕士学位论文 表2 5 其它条件： 计算网格间距缸= o 0 0 3 m ，时间步长f = 5s 各种材料热物理特性如下： 粘上砖砌体1 5 。1 ：p l = 1 8 0 0 k g l m 3 、c ，= o s o j ( k g k ) 、丑= 0 8 lw ( m k ) 混凝土5 0 1 ： 届= 2 5 0 0 k g m 3 、q = 9 2 0 j l ( k g k ) 、五= 1 7 4 ( m k ) 木板5 0 1 ： n = 8 0 0 k g m 3 、c l = 2 5 0 0 j ( k g k ) 、 = 0 2 3w i ( m - k ) 泡沫塑料删：舟= 2 0 k g m 3 、c l = 1 5 0 0 j ( k g k ) 、 = 0 0 3w ( m ，k ) 对两种不同结构( 一种是墙内表面抹灰，一种是墙内表面装饰泡沫塑料) 的计算结果分别绘制在图2 7 、2 8 和图2 9 、2 一1 0 中。 东南大学硕土学位论文 图27 间歇供热墙内表面抹灰温度响应图2 - 8 间歇制冷墙内表面抹灰温度响应 自瞥* 黼h m m 图29 间歇供热内墙装饰泡沫塑料温度响应 图2 1 0 间歇伟i 冷内墙装饰泡沫塑料温度响应 2 6 计算结果与文献8 ，比较 2 6 1 文献呷1 的计算公式 文献m 1 研究空调汽车在炎热环