夜间自然通风建筑围护结构内表面对流换热的量化研究

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夜间通风被认为是一种能有效降低空调能耗的被动式降温技术,掌握通风过程的冷却机理是合理运用夜间通风的前提,而通风气流与围护结构内表面的对流换热过程则是通风冷却的核心环节。本研究对门窗通风房间围护结构内表面的对流换热过程进行了实验和模拟研究。实验测试在一个全尺度测试小室内进行,根据测得的温度数据演算得到了地面的对流换热量和对流换热系数,进而分析了换气次数、送风气流与地面间初始温差、小室门(进风口)距地高度等因素对地面对流换热过程的影响。结果表明,对门窗通风的建筑,若换气次数在4.99~13.6次/h之间、地面与进风气流的初始温差在6.86~12.5 ℃之间,通风过程中地面的平均对流换热系数不超过7W/(m2·K),局部对流换热系数不超过12W/(m2·K)。根据实验测试小室的物理原型,建立了夜间通风建筑围护结构内表面对流换热的数学模型,并进行了数值求解。经验证,模拟结果与实测数据吻合较好,数值方法合理可靠。对通廊式建筑夜间门窗通风的典型过程进行了数值模拟,结果显示,若入口风速在0.1~0.5 m/s之间,室内表面与入口空气的初始温差在3~7 ℃之间,围护结构内表面的平均对流换热系数不超过3.1 W/(m2·K),局部对流换热系数不超过6W/(m2·K)。对数值模拟数据进行了多元回归分析,得到了对流换热关联式,可用于通廊式建筑门窗通风情形下围护结构内表面换热强度的预测。研究表明,通风过程中房间高度方向有明显的温度分层,围护结构温度持续降低,其中地面的温度下降最快;对由南向北通风的房间,通风过程中地面平均对流换热系数略微减小,其余5个表面的平均对流换热系数基本不变;地面和北墙的对流换热最强,东西墙次之,南墙再次之,天花板最弱;地面换热量在房间总换热量中的比例缓慢下降,其余表面换热量的占比变化很小;温度效率的变化幅度不大,基本稳定。入口风速(换气次数)越大,围护结构内表面的对流换热系数越大,房间平均对流换热系数也越大,但温度效率越低;初始温差并不是影响围护结构内表面换热强度的决定因素,对房间平均对流换热系数没有明显影响,对温度效率的影响也很小;进风口的垂直位置对夜间通风冷却效果有显著影响,进风口越低,地面平均换热系数越大,进风口距地高度存在一个温度效率最高的最佳值。
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