（环境工程专业论文）分户计量控制集中供暖室内热环境动态分析.pdf

分户计量控制集中供暖室内热环境动态分析 马建平：( 环境工程) 导师：官燕玲教授 摘要 随着我国供热体制的改革，住宅集中供暖分户计量控制系统已逐步得到推 广。由于分户计量控制系统的运行特点，供暖负荷的大小应考虑到户间传热及间 歇运行的影响，所以对分户计量控制系统供暖房间热负荷的确定就是一个需要重 点关注的问题。这个问题直接关系到供暖房间的供暖效果、投资经济性和能源的 有效利用 本课题采用了计算流体力学数值模拟计算的研究方法，研究工具是c f d 软件 f l u e n t 。使用f l u e n t 作为研究工具具有很多优势：成本低、速度快、资料完备、 具有模拟理想条件的能力。 - 本课题的研究过程：先以单层供暖房间为研究对象，对动态问题在计算 方法上进行探讨。对三层相邻供暖房间的稳态工况进行模拟计算。对三层 相邻供暖房间动态工况进行模拟计算，并对供暖房间进行热舒适性分析。 本课题数值计算过程中，由于计算的对象是封闭空间的自然对流，所以选用 波希涅斯克模型；由于室内流场为湍流，所以湍流模型选用可实现两方程模型； 壁面处理方法选用非平衡壁面函数法；辐射模型选用离散坐标辐射( d o ) 模型， 压力修正方法采用p i s o 算法。 本课题的难点是：对分户计量控制系统供暖房间以2 4 小时为周期进行的动态 模拟计算。 本课题在大量研究的基础上，使用计算流体力学数值模拟的方法对上、中、 下相邻三层供暖房间进行了动态耦合计算，分析了在室外温度呈2 4 小时周期波 动、室内散热器散热量不变的情况下，供暖房间的室内热环境，探讨了户间传热 对分户计量控制系统供暖房间热负荷的影响，旨在为分户计量控制系统供暖房间 热负荷的合理确定提供参考。 本课题主要的结论有：验证了c i d 软件f i u e n i 用于分户计量控制系统供暖 房间热环境动态模拟的可行性；分户计量控制系统供暖房间稳态和动态工况下户 间传热量基本相同；分户计量控制系统供暖房间室内气温达到设计要求时的稳态 热负荷，在绝大部分时刻可以满足实际房间的热舒适性要求 关键词：分户计量数值方法动态模拟热舒适性 “o ”。“t 。“一”+ p r _ 一w 一一一一 r e s e a r c ht od y n 锄ict h e 瑚a 1e n v i r o 衄e n ti nt h eh o u s e a b o u tc e n t r a lh e a ti n go fh o u s e h o l ( 卜b a s e dm e t e r i n g m aj i a n p i n g( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) ( e n v i r o 舳e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n gc 0 1 1 e g e ) d i r e c tb y p r o f g u a ny a n l i n g a b s t r a c t w i t ht h ei 越o v a 廿o fh e a ts u p p l yi no 盯咖仃y t h ch 0 懈c h o l dh e a tm c t e r i n g 0 fc c n t r a l i z e dh e a t 叭p p l yi sb c c o m i n gm 0 卸dm 0 佗p o p u l a r d u et ot h eo p e 阳t i n g c h a m d c r i s t i 鹳o ft h cs y s t 眦，t h ei n n u e n c eo fh e a t 胁s f e rb e 呐e h o u s c h o l da n d i n t c i m m e n th e a t i n gs h o u l db ec o 啮i d c r c dc a l c l l l a l i n gt h ch e a tl o a do fh o u a b o u t h o u s c h o l dh c a tm e t e r i n 昏s oi ti sa 觚s 蠡叫n 蝣c a l 栅l a t i o n0 fh e a tl da b o u t h e a t i n g h o u w i t hh o u h o l dh e a tm e t 醯gs y s t 吼a n dt h ep r o b l 锄h 弱ad i r e c te 丘融 h t i n g 如p p l yr 唧l t s ，i n _ v c s t n l c n t 川的m i 岱蛆de 丘t i v eu o fc r g y 1 1 l es t l l d y 呲咖托i st h en 眦e r i c a lc a l c u d a t i o no f 咖p u 鲥a lf l t l i dd y n a m i 岛 m cc a l c u l a t i t o o li sf i i 职旺触c a l c i l l a t i t 0 0 l ，m cf i i ，e n th a sm 柚y a d v 锄姆s ，f 叫强姐i p l e ，c h e a p n e 豁，豫p i d n e 鼹，t h ea b i l i t y o f c a i c i i l a t i n gi d e a n d i t i o n s t h c s t 叩o fs t l l d yi st h a t ：f i 璐t l y t h i sp a p 盯w o r ko v 盯t h em c 勰u o fd y n a m i c s i m u h i i c 0 璐i d e l i n gs i n 百eh o u 勰咖d yo b j e c t s 舢d l 弘t h i sp a p 盱c n g a g c s s t c a d y k u l a t i o nw i 也血e en o h 伽s e l a s t ，t h i sp a p c r 蛐g a g cd y 越m i c c a l c l l l a t i 柚d 卸a l y s i so ft h e m a lc o m f o n ht h i sp a p 也es t a t co fn u i di st l l r b u l e n c e 粕d t i l r a lc o n v e c t i o n t h e 聪a l i z a b l cl m o d 吐n d i s c r e t eo r d i n a t 嚣( d 0 ) r a d i a t i o nm o d e l ，t h cn o n _ e q u i l i b r i 衄 w a l lf i 】n c t i 呱t h cp i s op r 髓s u r c v e l o 咖a d u p gs c h 鼬ea n db o i 蛐m o d e l s a r ec h o s e n n e d i 丘c l l l t yo fi h i sp a p 盯j sd y n 姐血s i m u l 鲥m l m t a t i 叩伽n l eh e a t i n g b o f n t r a l h e 她go f h 伽s e h o l d b a dm e t e r i n g 谢t h2 4h o u i sp c r i o d b 雒e d al a r g e 加m b e ro f 螂e a r c h c s ，n 吼e f i c a ls i m u l a t i o no f 咖p u t a t i o n a l n u i dd y n 锄i ci s 1 p l o y c dt oh a v cad y n 锄i cc o u p l i i l g 唧u t a l i 衄at h i i m m o d i a t cn o o bt h e nt h ci n d o o rt h e m a le m 血d n m c mi sa n a l y z e dw h e nt h e t d 0 0 r 钯m p e 枷n u c t i l a t 髂c 栅l a d ya m 蚰dt h ec i o c ：ka n dh td i s s i p a l i n g p a d t yo f r a d i a t o ri s 妇g c l e 豁陆a l l yt h i sp a p 盯d i u s s 璐t h cc 丘b c to fh e a t 协m s f 打b c t w e 钮 h 0 璐e h o l dt oh c a tl o a d t h eh o u w i t hh s e h o l d h e a tm e t 痂gs y s t e m ，a i m c dt o o c b rs 咖e v a l u a b l ea d v i c ef o f 埘凰s a b l ec a l c u l a t i o no f h e a tk a d 1 h em a i nc o n d 鸺i o n so ft h i sp 印e rj n d u d e v c r a la s p e c b 鹤f 0 i n o 、船：t h i s p a p 盯v a l i 血嘧t h ef c a s i l ，n i t y0 fc f d 脚a r e f ii 厄n t 憾c di n t h cd y n 锄i c s i m u l a t i o nc o m p u t a t i o fi n d 0 0 rt h e m a le m ，i f o 皿e n t0 ft h ch e a t i n gh o u w i t ht h c s y s t c mo f n 删h e a t j n go fh o u s e h o l d b a s e dm 蛐昏m o 删) v t h cs t e a d y - s t 她 h c 斌咖s f 打b 咖咖h o 惦e h o l 凼i se q u i v a l c n tt ot h ed y n 锄i c - s t a t e a tl 鹤t ，t h e s t e a d y - s t a t ch e a t i n gl o a d ns a t i s f yt h 锄a lc o m f o l nr c q u i r 锄饥to f t h eh c 她gh o 啦c d u r i n ga l ：m ta ut h et i m eo fd a y 缸p r 嬲t i c cw h e nt h ci n d o o rt c m p e m t l l o fh e 砒i n g h o u a t t a i 璐d 髓i 印d e m 锄d s k e y w o r d s ：h o u s c h o l dh c a tm e t c d n g n u m c r i c a ls i m u l a t i 4 d y n 锄i cs i 删l a t i t h c 珊a l c 【m l f o n _ f 论j = 犯纠性j i 明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 擤千 拗6 年占月c 7 日 论j ：知识广权权屈声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 獬 琵鼢 ， 阳略年占月9 日 以多年西弱b 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究现状 近年来，在我国城镇集中供热事业得到较大发展的同时，由于市场经济的深 入发展，建立在过去计划经济体制下的城市集中供热面临的问题更加严峻，尤其 是在我国实行住宅商品化并可分期付款购买的政策以后，住宅建设进入了一个高 速发展的阶段，并将会持续一段较长的时间。随之而来的就是供暖能耗的急剧增 加，并成为我国持续增加的能源消耗中占有相当比重的一部分。但在我国原有供 热体制及热收费方法基础上的住宅集中供热表现出诸多缺陷：如单位面积供热能 耗居高不下，建筑节能技术发展推广缓慢，供热行业发展后劲不足等人民生活 水平要提高，国家的能源安全要得到可靠的保障，建筑要体现环保节能的发展趋 势。总结其他国家的经验，结合我国目前的供热现状，建设部提出了改革供热体 制，实行热商品化、货币化以及大力推广节能建筑等改革思路，并自2 0 0 0 年左 右开始在全国推广实行。而对集中供热来说，实行热商品化、货币化就意味着要 实行方便可靠、用户可调、有一定准确度的供热分户计量控制系统。 ， 这项政策提出以来，相关研究工作逐渐展开，并取得了一定进展，在我国得 到了一定程度的推广，在某些城市进展较快，如天津、北京、哈尔滨等都制定了 自己的集中供热分户计量设计技术规程，并有了相应的收费办法。但总的来说， 我国分户计量起步较晚，在热收费方面尚处于探索阶段，有关标准还需要进一步 完善。在热负荷计算方面，2 0 0 1 年3 月国家颁布了对采暖通风与空气调节设 计规范的修订，增加了关于热水集中采暖分户热计量的内容，其中第3 9 2 条 指出，分户计量采暖系统的户间传热温差取值多少，室内计算温度提高多少度为 宜等问题，需要经过较多工程设计计算及工程实践的验证，方可提出相对可靠的 简化计算方法“规范修订中没有明确给出分户计量热负荷的计算方法，具体说 就是：由于热的特殊性及热负荷计算的复杂性，仍有一些问题有待探讨。 分户计量集中供暖房间热负荷的确定：实行分户计量后，其供暖不同于常规 的集中连续供暖，热用户可以根据自身需要调节室内供热量在户问有传热的情 况下，热负荷为多少才能在任何时刻都满足供暖房间热环境的要求，同时还需考 虑经济性。 户问传热量影响的考虑：由于热的特殊性，在用户分散调节行为下不可避免 的会出现户间传热。户问传热量在多大程度上影响用户热舒适性，在多大户间温 差下应予以考虑? 针对这个问题，各地在技术分析和实测验证的基础上，总结了一些经验及参 考数据，如天津市集中供熟住宅计量供热设计规程d b 2 9 2 6 2 0 0 l 3 1 2 条中规定：分户计量户内热负荷的确定，设计温度应在原有基础上提高2 3 2 1 中认为：户间传热的计算温差应为5 到8 ，户间各个方向的热传递不能简单 叠加，而应在加和后乘上一个概率系数。3 2 2 中规定：户问传热负荷不应超过 计算熟负荷的5 0 “北京市 l 时，流体的热传导层厚度比其 粘性底层厚度小；当普朗特数 3 0 6 0 。f l u e n t 在 y 1 ，那么，最好的选择是使用p _ l 或r o s s e l a n d 辐射模型p - 1 模型一般都用于光学深度 1 的情况若光学深度 3 ，r o s s e l 卸d 模型计算量更小而且更加有效e r r 跚和d o 对于任何的光学深度都适用，但是， 它们计算量也更大。因此，如果问题允许的话，应尽可能的选择具有。光学深度 限制”的p _ l 或r o s s e l a n d 辐射模型。对于光学深度较小的问题，只有d r r 蹦和 d o 模型时适用的 散射与发射：p - 1 ，r o s s e l 8 n d 和d o 模型考虑散射的影响，而d r r 删忽略此 项由于r o s s e l 8 n d 模型在壁面使用具有温度滑移的边界条件，所以，它对壁面 的发射率( 黑度) 不敏感 非灰体辐射；只有d o 模型能够允许用户使用灰带模型计算非灰体辐射 局部热源：对于具有局部热源的问题，p _ 1 模型可能会过高估计辐射热流。 这种情况下，d o 模型可能会是最好的辐射计算方法，当然，如果具有足够多的 射线数目，d t r m 模型的计算结果也可以接受。 没有辐射介质情况下的封闭腔体内的辐射传热：多表面辐射换热模型( s 2 s ) 适用于这种情况。多表面辐射传热模型的主要假定是，忽略了辐射介质所有的辐 射吸收、发射和散射，因此，模型中仅考虑表面之间的辐射传热。 本课题模拟的是供暖室内常温空气，在空气层厚度不大和温度不高时的辐射 的散射和吸收能力是可以忽略的。所以可以选择多表面辐射换热模型( s 2 s ) 和 d o 模型。 但是在本课题的模拟计算过程中，s 2 s 模型计算角系数计算量过大，在计算 三层相邻房间模型的角系数过程中，经过将近一天的计算得到一个1 - 6 5 g 的角系 数数据在采用s 2 s 辐射模型计算角系数的时候，如果几何模型中面数较多，采 用面束的方法来减低计算成本，但是精度也会大大减低。综上考虑本课题采用 d o 模型作为辐射模型 3 4 3d o 辐射模型的介绍 d o 模型把沿j 方向传播的辐射方程( r t e ) 视为某个场方程。这样，辐射传 播方程转化为： v 晦1 ) + ( 4 + 巳咖) 耐等+ 乏r ，脚胁q ( 3 4 - 2 ) 对于光谱辐射强度，。f ，；) 其辐射传播方程为： v 以c ：，；1 ) + ( 口。+ q k c ：，；) 一口一2 k + i 了l c ：，；b g ，b q ，( s 4 一s ) 其中，a 为辐射波长，4 。为光谱吸收系数，k 为由p l a n c k 定律确定的黑体 辐射强度。散射系数、散射相位函数、以及折射系数均假定与波长无关 根据本课题的实际情况，采用离散坐标辐射( d o ) 模型时，该模型的主要参数 全部采用系统默认就可以满足要求“”。 3 5 压力修正方法 在对n _ s 方程的离散形式进行迭代求解的任一层次上，可以给定一个压力 场，它可以是假定的或是上一层次计算得出的。一个正确的压力场应该使计算得 到的速度场满足连续性方程。但根据这样给定的压力场计算而得到的速度场，未 必能满足连续性方程。因此要对给定的压力场做改进，即进行修正，原则是：与 改进后的压力场相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续性方程。据此来导 出压力的修正值与速度的修正值，并以修正后的压力与速度开始下一层次的迭代 计算。 3 5 1s i 好l e 和p i s 0 算法的流程图 s i m p l e 算法是应用最为广泛的一种流场计算方法，它属于压力修正法的一 种，p i s 0 算法是s i m p l e 算法的改进算法中比较成功的一种。 s i m p l e ( s e m - i 叩l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e - l i n k e de q u a t i o n s ) 的中文意 思就是求解压力耦合方程组的半隐式算法它的核心式采用“猜测一修正”的过 程来计算压力场，从而达到求解动量方程的目的 s i 肝l e 算法的基本思想可以描述如下；对于给定的压力场( 可以是假定的值， 或者是上次迭代得到的结果) ，求解离散形式的动量方程，得出速度场因为压 力场是假定的，不精确的，这样得到的速度场一般来说不满足连续性方程，因此 必须对给定的压力场加以修正修正的原则就是：与修正后的压力场相对应的速 度场能够满足这一迭代层次上的连续方程。根据此原则，把由动量方程的离散形 式所规定的压力与速度的关系代入连续性方程的离散形式从而得到压力的修正 方程，由压力修正方程得到压力的修正值。接着根据修正后的压力场，求得新的 速度场然后检查速度场是否收敛，若不收敛，用修正后的压力值作为给定的压 力场，开始下一层次的计算，如此反复，直到获得收敛的解上述过程可以用流 程图表示，如图3 5 1 ”1 “84 一”一 l 假设一个速度分布，用于计算首次迭代时动量离散 l方程中的系数和常数项 假设一个压力场，即给定一个压力猜测值p i 根据当前速度场和压力场，计算动量离散方 程等方程中的系数和常数项 la ，b 步骤1 ：求解动量离散方程 令 i u ，v p-p 步骤2 i 根据速度h ，y ，求解压力修正方程 口- 口 p 妒- 妒 步骤3 ；修正压力与速度 jp ，u ，v ，。 步骤4 ：根据需要求解其它的离散化的输运方程 中 否 i 妇曲a e 图3 5 1s i 卿l e 算法流程图 图3 5 2p i s o 算法流程图 ltl-，女 假设一个速度分步，用于计算首次迭代时 动量离散方程中系数和常数项 ， ，妒( 口， ，掣 假定一个压力场，给定一个压力猜测值p ， p 做s i 肝l e 算法的前三步： 求解离散动量方程 求解压力修正方程 修正压力与速度， 令p 一p ，球- 搿 jp 口， ，p ，h ， 妒i 妒 令h 一“，v - 一l ， i 工“一， ，- 步骤4 ；求解二次压力修正方程 p 步骤5 ：修正压力与速度 ，p ，hy 令p - p 一，口- 口州，v - v 一 l i p ，h y ，声 步骤6 ：根据需要求解其它所有离散化输运方程 l 否冬 p i s o ( p r e s s u r ei m p l i c i tw i t hs p l i t t i n go f0 p e r a t o r s ) 的中文意思就是 隐式算子分割法。p i s o 包括一个预测步和两个修正步，在完成了第一步修正得 到( u ，v ，p ) 后寻求第二次改进值，目的是使得它们更好地同时满足动量方程 和连续性方程。p i s o 算法由于使用了预测一修正一再修正三步，从而可以加快 单个迭代步中的收敛速度。现将其流程图表示如图2 5 2 。 3 5 2p i s 0 算法在动态问题中的应用 采用流程图的方法介绍p i s o 算法在动态问题中的使用，见图3 5 3 。 初始化u ，v ，p ，o l 设置时间步长址 1 “y p 妒 令f - f + 缸 o - “，v o - ，p o - p ，妒o - 妒 i l 调用p i s o 算法在本时间步内进行迭代计算到收敛或 l者到规定的步数 j 。否 图3 5 3 调用p i s o 算法进行动态计算的工作流程图 第四章动态数值计算 本章将在物理模型和数值计算理论的基础上，进行以2 4 小时为计算周期的 动态模拟计算。该模拟计算中，室外温度波动，室内散热器散热量恒定，时间步 长为1 个小时。希望通过本章的模拟计算可以得出该动态问题的计算方法和相关 经验。 4 1 网格划分 网格是c f d 模型的几何表达形式，也是模拟分析的载体对流动和传热问题 进行数值计算的第一步就是网格生成，即对空间上连续的计算区域进行剖分，把 它划分成许多个子区域，并确定每个区域中的节点。根据确定节点在子区域中的 位置不同，分成了两大类：外节点法和内节点法外节点法中节点位于予区域的 角顶上，划分子区域的曲线簇就是网格线内节点法中节点位于子区域中心 f l 哪软件采用的是内节点法叫” 网格划分过程中首先对散热器面网格划分，本课题采用了三角形的网格，因 为多立柱组合散热器模型结构复杂，实践中采用四边形网格难以达到要求对房 间的体网格采用了楔型网格 单层房间模型网格数目和尺寸为： 一 4。 g r i dc h e c k d 伽a i ne x t e n t s ： x - c o o r d i n a t e ：m i n ( m ) = o 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 0 。m a x ( m ) = 6 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 0 y _ c o o r d i n a t e ：m i n ( m ) = o o o o o o o e + o o o ，m a 】【( m ) = 3 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 0 z c o o r d i n a t e ：m i n ( m ) = o 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 0 。m a x ( ) = 4 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 0 v 0 1 硼es t a t i s t i c s ： m i n i m 叫v 0 1 岫e ( m 3 ) ：1 0 0 1 8 4 5 e - 0 0 6 眦x i 咖v o l u m e ( m 3 ) ：1 2 4 3 9 6 5 e - 0 0 2 t o t a lv 0 1 瑚e ( 加3 ) ：6 9 3 4 0 0 1 e + 0 0 1 f a c ea r e as t a t i s t i c s ： m i n i 枷f a c ea r e a ( m 2 ) ：1 3 9 0 9 8 5 e 0 0 4 嘲x i 咖f a c ea r e a ( m 2 ) ：1 0 8 6 7 8 5 e - 0 0 l 三层相邻房间模型网格数目和尺寸为： g r i dc h e c k d o i i l a i ne x t e n t s ： x c o o r d i n a t e ：m i n( m ) y c o o r d i n a t e ：l 丑i n ( 埘) z c o o r d i n a t e ：m i n ( m ) v o l u m es t a t i s t i c s ： m i n i m u mv o l u m e ( m 3 ) ： 尬x i 叫mv 0 1 u m e( m 3 ) ： t o t a lv o l u m e ( m 3 ) ： f a c ea r e as t a t i s t i c s ： = o 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 0 ，瞻x ( m ) = 6 o o 0 0 0 0 e + 0 0 0 = 一3 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 0 ，m a x ( m ) = 6 o o 0 0 0 0 e 十0 0 0 = o o 0 0 0 0 0 e + o o o ，m a x ( m ) = 4 0 0 0 0 0 0 e + o o o 5 0 0 1 4 4 9 e 0 0 6 1 1 7 4 8 7 7 e 0 0 2 2 0 7 9 5 4 0 e + 0 0 2 m i n i 咖f a c ea r e a ( i n 2 ) ：5 8 5 7 1 8 0 e - 0 0 4 腿x i 咖f a c ea r e a ( i n 2 ) ：1 1 3 8 5 8 2 e - 0 0 l 散热器网格图见图4 1 1 ，单层房间的网格图见图4 1 2 。三层相邻房间的 网格图见4 1 3 l 图4 1 1 散热器网格图 。i ， ， 毒、* v 7 乍 蕾，、箍 图4 1 2 单层房间网格图 图4 1 3 三层相邻房间网格图 4 2 动态模拟计算的步骤及设置 动态模拟计算步骤及设置如下： 1 首先采用f l u e n t 的前处理软件g 锄b i t ，建立几何模型，划分网格”1 ，输出 m s h 文件。 2 读入m s h 文件，检查网格。 3 选择模型： ( 1 ) d e f i n e 一o d e l s s o l v e r ：对解算器选择：选用分离式解算器，稳态， 无轴对称。 ( 2 ) d e f i n e 一d e l s v i s c o u s ：对湍流模型进行选择：选用可实现双方程湍 流模型，壁面处理采用非平衡壁面函数法粘性耗散和浮升力对s 的影响忽 略 ( 3 ) d e f i n e 一d e l s e n e r g y ：本课题的模拟计算涉及了能量和温度，选择 打开能量方程。 ( 4 ) d e f i n e 一d e l s r a d i a t i o n ：选择d o 模型，参数采用默认即可 4 定义物质属性：d e f i n e 一岫t e r i a l s ：对于空气采用b o u s s i n s e q 近似，具体 的设置见3 1 节。外墙，楼板以及窗户热工参数见2 2 节。 5 定义操作条件：d e f i n e o p e r a t i o nc o n d i t i o n s ；相关设置见3 1 节对 b o u s s i n s e q 假设的介绍，在该节中结合本课题实际情况给出了操作条件的设置。 6 定义边界条件；d e f i n e b o u n d a r yc o n d i t i o n s ；所有边界条件均设为舵1 l 边界类型。 7 定义解的控制条件：s o l v e c o n t r o l s 0 1 u t i o n s ：压力离散采用体积力加权 格式( b o d yf o r c e ) ，压力速度耦合算法采用p i s 0 算法嘞n 町，松弛因子在开始 计算的时候采用默认值，随着计算的进行随时调整，计算至能量不平衡率和残差 都达到要求时认为流场收敛。 8 定义参数上下限；全部采用默认设置就可以满足要求 9 设定参差监视面板和温度监视面板：s 0 1 v e 一n i t o r r e s i d u a l s v o l 哪s 残差收敛标准采用默认值就可以满足要求。 1 0 计算区域初始化：s o l v e r i n i t i a l i z e ：全部采用默认设置就可以满足要求 1 1 迭代计算，得到稳态结果，作为动态计算的初始值 1 2 在解面板中激活非定常选项。 1 3 读入室外逐时温度的p r o f i l e 文件：f i l e r e a d p r o f i l e ，读入已经做好 的p r o f i l e 文件为了能够突出研究的重点，在模拟计算中输入的温度变化不是 西安地区室外逐时计算温度，而是星v 字型的线性变化的温度，这样的好处是方 便进行数据观查、对比模拟使用的p r o f i l e 文件如下： ( ( t e m p e r a t e p r o f il et r a n s i e n t2 41 ) ( t i m e o3 6 0 07 2 0 01 0 8 0 0 1 4 4 0 0 1 8 0 0 02 1 6 0 02 5 2 0 0 2 8 8 0 0 3 2 4 0 03 6 0 0 0 3 9 6 0 04 3 2 0 04 6 8 0 0 5 0 4 0 05 4 0 0 05 7 6 0 06 1 2 0 0 6 4 8 0 0 6 8 4 0 07 2 0 0 0 7 5 6 0 0 7 9 2 0 08 2 8 0 0 ) ( t e m p e r a t e 2 7 52 7 62 7 72 7 82 7 92 8 02 8 l2 8 22 8 32 8 42 8 52 8 62 8 72 8 62 8 52 8 42 8 3 2 8 22 8 12 8 02 7 92 7 82 7 72 7 6 ) ) 1 4 按照p r o f i l e 文件输入的数据，修改供暖室外计算温度。 。 1 5 设定动态计算的迭代参数：有两个需要设置的参数：每个时间步长内的迭代 次数和时间步长的大小本课题时间步长为一个小时，每个时间步长迭代次数为 2 0 次。 。 1 6 开始动态模拟计算 以上步骤就是进行动态数值模拟计算的基本步骤和设置。 4 3 单层房间稳态工况计算结果及分析 本节对单层供暖房间进行了稳态计算，分析房间的速度场，温度场的分布规 律 4 3 1 能量平衡 模拟计算中散热器散热和围护结构散热数据见表4 3 1 。 表4 3 1 围护结构散热数据 l围护结构南外墙窗户北外墙散热器 i ， 散热量( w ) - 2 蛞1 4 3 5 z o 3 0 2 1 9 3 0 4 l 根据表4 3 1 中的数据计算得到，供暖房间通过围护结构向室外的散热量等 于散热器向房间的散热量，误差在允许范围内，能量平衡满足要求， 4 3 2 供暖房间室内温度场 表4 3 2 给出了房间围护结构内表面的温度。表4 3 3 给出了沿房间高度方 向( y 方向) 7 个截面的平均温度值以及房间空气平均温度，并且根据表4 3 3 中的数据做图4 3 1 。图4 3 2 给出了供暖房间沿东西方向( z 方向) 中间断面的 温度场。 表4 3 2 房间围护结构内表面温度 l 围护结构南外墙北外墙屋顶地板左墙右墙窗户i l 温度 2 9 1 5 7 2 8 8 2 9 1 3 72 9 l 6 02 9 1 3 02 9 1 2 92 8 2 1 2i 3 2 - 目q _ t m 。_ ”p “一唧- 一4 p 一齿# “ 表4 3 3 房间沿高度方向各截面温度和供暖房间室内平均气温 l 截面位置 0 1 米0 6 米1 1 米1 6 米2 1 米2 6 米2 8 米 室内平均气温 | 温度( 的 2 9 2 0 32 9 2 1 12 9 2 1 62 9 2 2 9 2 2 62 9 2 3 22 9 2 3 52 9 2 2 4 重 型 赠 2 9 2 4 2 9 2 3 5 2 9 2 3 兰2 9 2 2 5 蓄2 9 2 2 基2 9 2 1 5 稚 2 9 2 1 2 9 2 0 5 2 9 2 皿 晰蛇 + 舱 。 * 。 e + 0 2 m 9 1 + 鹋 盯p 蜘 “ 船p 8 2 + 8 1 + o0 511 522 53 房间高度方向截面高度( m ) 图4 3 1 沿高度方向房间截面平均温度变化图 图4 3 2 沿房间东西方向中间断面温度场 表4 3 2 给出了供暖房间各外围护结构内表面温度，绝热墙内表面温度最 高，其次为传热墙的内表面温度，窗户内表面温度最低由于散热器靠近南外墙， 所以南外墙内表面温度高于北外墙。表4 3 3 和图4 3 1 给出了供暖房间沿高度 方向温度变化规律为上热下冷，最大温度差值只有0 2 左右，温度梯度很小 由图4 3 2 可以看到：散热器附近热气流向上发展，由于窗户散热的影响，靠近 黑， 一秘隧嫒麟缫隧隧 窗户处空气温度较低；散热器附近空气温度远远高于房间其它部分；由于北墙向 室外散热，其附近空气温度明显下降 4 3 3 供暖房间室内速度场 图4 3 3 为沿房间东西方向中间断面速度场图从图可以看到；室内形成了 明显的大涡，热气流由散热器上升，到对面北外墙下降图4 3 4 为散热器正面 截面流场图。从图中可以看到，在散热器间隙中存在较高速度的上升气流 善 魁 溜 t 对 。叁，1气，。彝，曩 图4 3 3 沿房间东西方向中间断面的速度场图 l z 图4 3 4 散热器正面截面速度场图 ； 。”“+ 。+ 竹t “一”一” 1 ”1 母一”p 肿一呷案” 枷瑚咖栅棚柚棚枷仰棚枷仰仰棚删删肼删删删删删删删删删删删州m m协咖咖锄抽枷饥舢：黾伽伽叭叭协协潍咻：奇：耋!耋驰咻雏耋挑咻咻119eb776554322，161 翳缫鞫缀缫醚麟麓醚隧隧 枷仰棚仰仰仰仰仰仰仰仰仰粕埘州埘州州删删删删州删州删划划划也 黜躺黜粼嬲堇堇粼黜嬲黜黜船黜黜拙一 ，iljl119887765544322116l 黪缫窝懑黼麓缫隧黼誓 童m j 谜艘 4 4 外围护结构延迟时间和衰减倍数的解析计算 在围护结构传热过程中，由于围护结构的热惰性会导致室内气温相对室外气 温有一定的衰减和延迟，根据围护结构的热工参数汹1 进行计算如下： 多层材料围护结构的热阻计算汹1 ： r o _ r + r + 也= + r ，+ r 2 i i 丑+ ( 4 4 1 ) 其中r 鱼肛三r 。：上 风多层围护结构总热阻m 2 w i l -围护结构内表面对流换热热阻一胛 围护结构外表面对流换热热阻一脚 代入数据，进行计算得到： r o _ 0 9 0m 2 w 多层围护结构的总衰减倍数计算公式如下： 删兜髻尚拦警制 住4 嘲 其中 围护结构的总衰减倍数； 了d围护结构热惰性指标； 4 。，4 。 分别为内、外表面换热系数，w m 2 k ； 墨 由内到外各层材料的蓄热系数，w m 2 k ； _ ，。“7 ， 由内到外各层材料外表面蓄热系数，w m 2 k ； 多层围护结构的总延迟时间计算公式如下： 晶- 丢( 加5 肌嘴者知一n r c 姆若赢) 他们， 其中： y 。围护结构内表面的蓄热系数 围护结构最后一层外表面蓄热系数 d 的计算：d - d t + d p n f r t s - + r 2 s 2 + 查采暖通风设计手册表2 2 3 得到： s l - s 3 _ s 产l1 2 6s 产1 7 2 0 把以上数据代入d 的计算公式得到：了d = 2 7 l _ ) ，l y ，外表面蓄热系数的计算： 如果第n 层的d 1 ，则取蜘= s - i ，即为该层材料的蓄热系数。如果第n 层的 帅 图5 1 1 0 第五工况速度场图 ) d 趟赙 一暑)避艘 表5 1 1 三层相邻房间五个稳态工况温度和能量数据 工况 数据 第一工况第二工况第三工况第四工况第五工况 散热器总 底层9 3 2oo9 3 2 1 1 9 3 中间层 9 3 29 3 2 1 6 0 300 散热量( w ) 顶层9 3 2009 3 21 1 9 3 散热器辐底层 4 “00 4 7 16 0 5 射散热量中间