被式式太阳能采暖房数学模型及模拟计算程序—Ⅰ.直接受益型和集热墙型PSHD.pdf

1 9 9 0 年 第 1 期 总第 2 期 甘 肃 科 学 学 报 J o 1 G 则S枷 W 2 l 1 9 90 Su m No 2 被 动式太 阳能采暖房数学模型 及模拟计算程序 1 直接受益型和集热墙型 H D C 下篇 王德芳 甘肃省科学院 自拣舱辣研究所 兰州 7 3 0 0 0 0 午 锁平 喜文 华 甘肃省计算中心 兰州 7 3 0 0 0 0 甘肃省科学院图书情报资料研究室 兰州 7 3 0 0 0 0 摘 要 本文上 篇 提 出 1模型 和程 序概 述及 敷学模 型 中的房 间田护 结构 内表 面热平衡 和室 内空 气热平 衡 本篇介 绍数学模 型 中的集热墙敷 学模型 模拟 计算框 图 模 型和程 序 的验 证 及 程 序使 用 简介 三 集 热 墙数 学模 型 集热墙 的数学 模 型用于 计算在不同室温和室外气象 条件下 由集热墙 供给房 间的净 热量 有风 口的集热墙向房间的供热包括由集热 墙 风 口供给房 间的热量 以及 由集热墙墙 体 传入房间的热量 集热墙 无风 口或风 口关 闭时 上述 第一种 供热量 等于 0 对 有风 口 的集热墙 本模型设定 当 t t 时 打开风 口 其余时问关闭风口 由榘热墙风口供给房间的热量 Q 咐 为 图5 集 热 墙 热 网络 图Q埘 m t T t t W 1 6 式 中 m 一 时 刻 通过 集热墙 空气夹层的空气质量流率 k g h I k T 一T时刻 由集热墙上 风 口流出的空气温 度 收稿 日期 9 B 9 0 9 2 0 维普资讯 9 9 0 年 第 l 荆 c 时刻 E h房间流入集热墙下风 口的空气温度 一般情 况下近似等 薯 内空气温度 t r m i A 3 6 0 0 k h 1 7 式中 t 时刻 集热墙空气夹层横断 面上 的空气平 均流速 m s A 集热墙空气夹层的净横断面积 m 对 应于集热墙空气夹 层内空气平均 温度 的空气密度 k m 时刻 集热墙 空气 夹层横断面上的空气平均流速 系按下式 求解 gg h m s 式中 g 一重力加速度 m s h 一集热墙 上 下风 口中心之问的垂高 m A 集热墙上 或 下 风 口面积 般设两者相等 r 1 T m 集 热墙 空气夹层中的空气平均绝对温度 为简 化 Q 的计算 减少计算 中的变量个数 可将式 1 6 整理成 f 一 t 一 Ac W 1 9 中 R 一 时刻 由嶷热墙风 口向房 l可的对流供热热阻 m w R 值可 由集热墙 夹层空气和夹层两壁 之问的热平衡方程求 出 若 假设沿 集热 墙 的导热 为一 维导 热 并 设空气温 度 密度沿 空气夹 层高度 方 向呈线性 变 化 则式 1 9 中 的 R 值 等于 2 m 但是 在实际 上 空气夹 层 中的 气流 温度及 密度 并 不沿高度呈 线性 变 f E 而 比较接 近按指数变化 的规律 通 过较准确的热平 衡计算 可 以得 出 本 程 序 采 用后 一种 解 法 式中 h t t 时 刻 气流在空气夹层中与壁面的对流换热 系数 w m 在 求解式 2 0 H h t 是 一个变量 取 决于集热 墙 空气 夹层的结构 特征 及 夹层 中的空气 流态 其计算 式 为 当 m T 一 邮寸 h T E 0 0 9 6 5 G W m 2 1 当 m O 0 时 若 R 2 0 0 0 h 1 若 R 2 0 0 0 h 0 0 I 5 8 R l I 目 W m 式申G 葛拉 晓夫数 2 2 2 3 维普资讯 王 撼片 等 诎 动 陆采 l殴 姓 艇 且艟拟 讣 程序 P 一 一 普朗特数 R 一 一 雷 诺数 I 一 空气 导热系数 W m 1 空 气夹层厚度 I T D 夹层空气流道 的定性尺 寸 m 采 用空气夹层的 当量直径 即 I X 2 I w m 2 4 式 中w 一空气 夹层 宽度 m 在 式 1 8 及 1 9 中 t T 及 T 是未 知数 当假设 了 t T 及 t 值 后可 以求 出m T n 及 R T 值 然后根据 集热 墙热平衡方程组可以求 出 t T t T t T 及 值 t t 及 t m 的准确值需 由迭代 计算确定 i S见模 拟计算框图 集热墙热平 衡方程 组系由集热墙 玻璃 罩盖 内表面热平 衡方 程 气 流平 衡方程 及集热墙墙 体 内 外表 面热 平衡方程组成 简介如下 1 内层 玻璃 内表面 热平 衡方程 q s i h r T t l T t g T h t t 一 k l l t B T t a r 0 2 5 式 中q s i c 时刻 玻璃 内表面接 受 的太 阳辐射热 包括直 接 吸收 的 日射 以及间接 吸 收 的集热 墙外表面 的反 射 日射 w m h r 时刻 集热墙外 表面对玻璃 内表面的 长波 辐射换热 系数 w m t 一一 r 时刻 集热墙外表面温度 一 时刻 玻璃 内表 面温度 一 由玻璃 内表 面至 室外空 气的 稳定 传热 系数 W m 2 集热墙 气流热平衡方程 h 1 t 一 I m h e t t 一 f 一 o 2 6 3 集热 墙外 表面热平衡方程 q s h T n J t h r t l T 一 t B q KI N T 0 2 7 式 中 q s 一 时刻 集 热墙外表 面接 受的太阳辐射热 w m 等于 I o T D i L T d 其中1 L 表示 时刻投射在集热墙玻璃外表面上的直射 漫射辐照 度 W m 讨 分 别表 示 时刻玻璃 的直射 及漫射透过 率 表 示集热墙 外 表面的 13射 吸收 系数 q k l N t t时刻 由集热墙外表 面向内表 面的传导热 w m 按下式计算 q k l N c T 一 2J z c t J n 一2 Y c I N n C R q k l N t J n 0 一 z c t 一 Y I H Z 啪 t n 一 己 Y T n C R q k l N T 1 W m 2 8 式中五 Y 构件 c 集热墙墙体 的外表 面吸热 反应 系数 及构件 C的 传热反应 系数 W m 其中右下 角第 角码 C表示构件 编号 其 余说 l 1 月 同式 8 t 一一 时刻 集热墙 内表面温度 NR 一构件 c的反应 系数 的项数 维普资讯 甘肃科学学报 1 9 9 0 年 第1 期 c 构件 C的反 应系数的公 比 4 集热 墙内表面热平衡方程 q k NL T 乙 h r N T 一 T h c N c T f N t wt T 0 2 9 式 中q k N L t 时 刻 由集 热 墙 内表 面 N 表 面 向外 表 面 的传 导 热 W m 按 下 式 计算 q k N L t 一 T n 一 Y t T n a q k N L T 1 n 口 0 N Rc o t N t 一 Y t t t H T n NRc 一 2J Y t T n C R q k NI e t 1 W m 3 0 其 中 表 示构 件 C的 内表 面吸热反应系数 W m 其 余说 明同式 2 8 及 以前 有关 说 明 h r N l 时刻 由集热墙 内表面对房 问其 余内表面 D Pj 内表面 t i l n s 的辐射 换热系数 W m h c N t t时刻 集热墙 内表面与室内空气之间的对流换热 系数 W m 由式 2 5 2 7 及 2 9 组成 的集热墙热平 衡方程组的系数矩阵可排列成对称 的严 格对 角 占优 阵 用高斯 消去法可 求得 t T t 田 T t T 及 t N t 的稳定解 q 在确 定了上述各有关值 后 即可求 出由集热墙风 口及 墙体 传给房 间的热量 三 模拟计算 框图 集热墙 型被动 式太阳房数学模型主要包括 房 问各 内表面热 平衡 方程组 房 间空气热 平衡 方程 以及集热墙热平衡方程组 包括集热墙气流热平衡方程 集热墙透光盖板内表面 集热墙 体 内 外表面热平 衡方程等 另外还 包括 计算 围护结构动态传热特性 改进型反应 系数 的方 程 计算房 间太 阳得热的方程 以及建筑外表 面热平衡 方程等 对于无 集热墙 的直接受益 型太 阳房可以省去集热墙部分的计算 为了求解整个数学模型 本计算机软件共包括1 个主程序 1 6 个子程序 子程序中包括 计 算 围护结构改进型反应系数的子程序群 由6 个子程序组成 计算房 问太阳得热的子程序群 由d 个子程序组成 计算房间各 内表 面之间热辐射 角系数的 子程序 求解房 间围护结构 外表 面温 度的子程 序 求解集热墙热平衡 的程序 由2 个 子程序组成 求解房间热平衡 的子程序 以 及求解线性 方 程组的子程序 求解 过程的流程框 图见图6 四 数 学模型和模拟程序的验证 为验证模型和程序的准确性 我们对甘肃省榆中太阳能基地招待所中兼有直接受益窗和 特朗贝式 集热墙的组合型太阳房进行了模拟计算 并将模拟计算结果和实测情况进行了对 照 现将有关 情况介绍如下 维普资讯 王德芳等 被动式太阳舱采嗳房数学摸型及摸扭计算程序 圈6 模 拟 计 算框 圈 维普资讯 甘肃科学学撤 1 9 9 0 年 第 1 期 该太 阳房 朝 向正南 中 间有 一个 直接 受益采光窗 窗的左右 两侧 为集热墙 直接 受益 窗的 面积 为2 6 m 集热墙的总面积为3 9 2 m l 在每面集热墙的上下部均设有和室内空气相连的通 风 口 进 出 风 口的面积 为0 0 4 5 m 该太 阳房 的简 图见 图7 该太 阳房 匿护 结构的主要热工特征 为 屋顶为 1 0 0 厚 空心钢 筋混 凝土予制板 上有2 0 0 厚蛭 石保 温层 南外墙 为3 7 0 砖 砌体 加内外粉刷 内隔墙 为2 4 0 砖砌体 加 内外粉刷 地面 为水泥砂 浆 面层 下 有8 0 厚 混凝 土并设有炉 渣保温层 南外 窗为单框双 层玻 璃窗 集热 墙玻璃 盖层 由外 向 内为一层3 毫米厚普通平板玻 璃 一层 I 毫米厚进 口玻璃钢 模拟计 算结果和测试结 果 的对 照见图8 从图 中可见室 温计 算值 与实测值 吻合较 好 逐 时 温度 绝对偏差 在l 以内的占8 2 1 5 C以内的占8 9 只有个 别点在2 左 右 逐 日 日平均 温 度偏 差均在 1 c以内 对 比表明本数学模型及模拟 程序能较 准确地反映该型太 阳房 的动态热 工 性 能 可 以满足 予测 分析 和设 计有 关太阳房的需要 关 于程序 的具体功能 可见本报告 第五 部 分 五 程 序使 用简介 本数 学模型适 用于直接受 益型 集热 墙型 特朗贝式 以及 两者组 合型 的被 动式 太 阳能 采 暖房 的热性 能 计算 根据数学 模型编制的 P S HD C程序的主要功 能如 下 1 模 拟予 测太阳房在无辅助热源情况下 的室 内气温和 匿 护结构表面 温度 的逐 时值 2 在 限制 房间最低温度情况下 模拟计算 所需辅 助热源的逐时值 以及室 内气温和 围护结 构表面温度 的逐时值 进行能量分 析 3 进行太 阳能集热部件及太阳房总体的优 化分析 详见以下各 项 太 阳能集热部 件的优 化分析 主要包括 集热墙玻 璃罩盖 的层数 集 热墙 玻璃 罩盖和集 热 墙外表 面之 间的空气夹 层 厚 度 集 热墙 外表面镀层 的发 射率和太 阳能 吸收率 集热墙墙体 组 成及 厚度 集热墙风 口尺寸及 问距 直接受益窗的玻璃层数 以及集热部件的朝 向等 可根据房间用途通过试算比较 确定整个房间在集热 保温和蓄热之间的优化组合 例如 一 般 住宅希望 在晚上 保持较高的室温 而办公室及学 校需要房 间在 上午有较高的室温等 4 可以根据需要予测太阳房在控制室内气温不低于某个予定的室温下限时的太阳能利用 率 和 与一定的对 比房相 比的节能率 使用 P S HD C程序所需提供的原始资料 I 室外气象 资料 2 建筑尺寸 及围护结 构的热工计算参数 维普资讯 王德芳等 被动式太阳能采暖痨教学模型盈模拟计算程序 集热墙 集热墙风 南立面图 窗 辄 平 面图 图7组 合 式太 阳房 简图 直 接 受 益 和 桌 热 墙 室 1 9 8 3 年 2月 5日 2 月 6日 2月 7日 北京时 房问实测韫度 房同计算温度 0 室外空气温度 图8温 度 计 算 值 和 实 刹 值 对 照 曲线 精 中 招 待 所 直接 受 益 窗 和 桌 热 墙 组 合 式太 阳 房 维普资讯 甘肃科学学报 l 9 9 0 年 第 1 期 3 内热源计算 资料 4 集热墙计算 资料 在 有集热墙时提出 程 序输入格式 1 运行 方式 室外 气温输入 方式 用理论值 时填 T E 用 实际值时填 A C 或其 它2 个 字符 辐射值输入 方式 用理 论值 时填 1 用实 际值时填0 有无集热墙 有填1 无填0 计算天数 每次不超过 7 天 2 内热源 非专用供 暖设备 的逐步 分配 比例 0 1 照 明 设 备的逐 时开启 比倒 实 际在 室人 员占编制人 数的逐时 比例情况 注 内热 源的数量填 在5 3 栏 3 冬季室 内最低设定温度 d 气象 资料 起 始 计 算 时 间 年 月 日 室外 最 低 气 温 气 温 日较 羞 地温 纬 度 经 度 大 气 修 正系 数口 云遮 修正系数 大气压力 外表面换热 系数 时 区 当采 用实际室外气温计算时 输入室外气温 的逐时值 当采用实际太 阳辐射资料进行计算 时 输入逐时水平 面总辐照度和散射辐照度 5 房 间 的建筑几 何 热工特 征 1 对 需计算 反应 系数的 每种结构 输入 组成 层数 逐层 厚度 导热 系数 容 重 比热 空气 层热阻 对实体层本项 填0 对 空气层前 d 项填 0 各层输入顺 序 由室 内向室外 2 房间 的围护结 构计 算总面数 3 房 间号 单 位地 面面积照明功率 设 备功 率 室 内编制人数 小孩按0 5 i t 内热 源中辐 射成份比例 冷风渗透换气次数 窗帘关闭时间 开启时间 未加窗帘时的窗户总传热系数 加 窗帘后 窗户总 传热 系数 窗户玻璃 层数 窗户有效透光面积系数 d 除集热 墙外 的不 同围护结构表面数 南 西 北 东I 房 间的宽度 进 深 高度 5 房 间各个 计算 围护结构的类型 详见页末 附注 传热性能计 算特 征 按稳 定传热计算 的填 1 0 按 动态传热计算 的填 本节 5 1 中的结构 输入 顺序 面积 朝 向 传热 系数 只填按稳 定 传热 计算的传热 系数 其余 填0 内遮 阳系数 非透 明体填 0 透 明体填1 外 围结构外表 面 的 日射吸收 系数 只填不透光结构 其余填0 邻近建筑物遮挡系数 均 填0 邻室温度 只 对邻 室气温和计算房 间不同的填给定值 其余填 0 6 阁楼数据 端墙传热系数 吊顶传热系数 端墙面积 阁楼 平均高度 无阁楼时 以上 各 项均填 0 7 集热墙数据 集热墙高 集热墙宽 集热墙玻璃罩盖的有效透光面积系数 方位 空气夹 层 间隙 上 下风 口间距 进 出 风 口面积 假设 上下风 口面积相等 集热 墙 内表面对 室 内空气 的换热 系数 集 热墙玻璃 内表面 至室外空气 的 总 传热系数 玻璃发射率 集热墙墙 体外表面 发射率 墙体外表面 日射 吸收率 6 计算 项 目选择 附注 乖栏不包括塑热墙 对外围结构中的屋顶填三 外墙填呈 t t 外宙和外玻璃门 毡 外门填 地面填旦 l 对内部围护结 构中的内墙填旦 对郐室气韫与计算房问气温不同的间隔结构填兰 以上填写社 序 屋砸 南培 西墙 北墙 东墙 地板 维普资讯 王箍劳等 被动式太阳脂采暖房数学模型丑模拟计算程序 计算在无辅助热源情况下的室内热工状况时 输入 计算在限制房间最低气温时 当室 温低于设定气温下限时 投入辅助热源 的室内热工状况 输入 1 上所 有输入量的单位均采 用 s I 制 其 中4 内大 气压力的单 位为 P a 5 0 中材料 的 比热单 位 为 K J k g 其余均见数 学模型 中的有关说明 变 量类型 凡输入量 加引号 的 为字符 型 变量 输入量 下画实线 的为整型变量 其余均 为实型变量 P S H DC程序可以根据 需要选择输 出内容 可 只输 出前述程 序功 能 中的第 1 2 项数 据 也 可 以同时输 出结 构的 动态传热系数 即 内外表 面的原始型 吸热反应 系数 及 传热反应 系数 各 表 面 的 日射得热量等 参考文献 E I 3 D8 3 见本文上篇 E 1 9 3 王德芳 午苷 平 喜文华 被动式太阳能采暖房数学模型丑模拟计算程序 l 直接受益型和集热墙型 P s H D c I 篇 甘肃科学学报 1 9 8 9 年第1 期 THE M A TH EM ATI CAL M oDEL AND THE SI M ULATI ON CALCULATI ON PROG RAM OF PASSI VE SOLAR H EATED HOUSES I The Di r e c t Ga i n and Col l e c t or St or a g e W a l l P S HDC S e c o n d P a r t W a n g De f a n g N mf d En e r g yRe e ar c h I b s d Ga mu Ac a d e my o t s d目I c L m 叫 7 30 0 00 n chl W u Su o