阳光间和房间之间的自然对流换热计算方法
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1891年 第2期
甘肃科学学报
v .
3 NO.2 l99l
(总第7期)
 ̄oumal 0F Gansu ScOnce
(Sum NO.7)
阳光间和房间之间的自然
对流换热计算方法
王德
芳
(甘肃省科学院自然能搦f研究所.兰州.730DOD)
摘要
本文对附加阳
光闻型太阳房中阳光问和房间之间通过公用墙门洞的自然对
流换热问题进行了实验研究,提出了计算公
式和计算参数,方法简便可行,可
在同类太阳房中使用。
本文对苏联r.A.Makc}X
MOB提出的靠一个开口(门洞)进行房间换气的计
算公式“ 的适用场合作了研究,并结合附加阳光
闾型太阳房的实际对该式作j
改进。
一
、
引言
阳光间和房间之
间通过公用墙门洞的自然对流换热问题牵涉的因素十分复杂+与二
个不同房间的不稳定非均匀温度场和
气流速度场及其相互作用有关,是附加阳光间型太
阳房热特性模拟计算中的主要难点,目前尚未见到准
确、通用的理论计算公式c - 。近年
来美国R,Anderson。 及A.T.Kirkptr
ick“ 等人提出了论文,对上述问题进行了实验研究.
取得了进展,但其研究成果还未能达到广泛
实用的阶段。本文结合我国太阳房的实际.对
此作了实验研究,文中提出的算式和推荐的参数,使用比
较简便,可用于同类太阳房的
热平衡计算。
二、算法
时刻,由阳光间经过公用墙
上的开启门洞流入房间的对流热为
Q一(t)=G (t).C。.( (t))-t (t)) w
(I)
式中 G ( )——T时刻(满足条件 (t)>t,(t)时),
由阳光间经
公用墙上的开启门洞以对流方式进入房间的空气重量(等于由房间以对
流方式流入阳光间的空气重量)
,kg加;
C,——空气定压比热,Wh/k ̄・℃,在常温下其值等于0.28Wh/kg・C:
(t)—— 时刻,由阳光间流入房间的空气(平均)温度,C;
(t)—— 时刻,由房间
流入阳光间的空气(平均)温度.C。
当阳光问和房间气温不同,并且只通过公用墙上的一个开口(1
7洞)相互换气时,参照
苏联r—A—Makc ̄tMoB关于靠一个开口(门洞).在开口两侧空气
温差作用下进行房间自然
收稿日期・】g鲫一I_一Oa
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甘肃科学学报 1991年 筹2期
换气的计算公式 以写出
G一(
) 亏 zs
式中 ——门洞流量系数,约等于0.60
b——门洞宽度,m{
n ,2・36。。ks h (2)
h——f ̄ir,I高度,m;
g——重力加速度
,m/s。{
( )——t时刻,房间空气密度,kg/m
Y-(t)——t时刻,阳光间
空气密度,kg/m。。
根据理论计算和实测验证,在阳光间和房间内通常所能遇到的空气温差条件下
,由于
(T)和Y|(T)相差不大,通过门洞的气流中和界约在h/2处。用√Y.(T)(h/m
) 代替式(2)
由此可将式
中的√Yr(t)・Y-(t)/(YT(T) +Y.(
)m) ・ha/Z引起的计算误差不太于1・5 Ao。
(2)简化成:
G ( ):
b — ( ) ・3600 ks/h (3)
式中Y (t)——T时刻,房问和阳光问空气密度
的平均值,等于(Yr(t)+Y-(T))/2,k.g/
m3
。
可以证明式(
2)是在单纯由于孔洞两侧的空气温差作用t以及孔洞两侧是两个空气温
度不同的均匀温度场等假设条
件下推导出来的.即假设在 时刻,在满足开门进行门洞两
侧空气对流的温度条件 (t)>k(T)
时,阳光间空气温度场 —h( ,Y,z,t)和房间空气温度
场k=‘(x,Y,z, )均分别
满足条件:
苎: : :0
a)(却
及
atr atr atr <
br>磊 磊 ”・
此时式(2)中
√Y.(t)/(YI(T) +YT( )“ )
ha/Z=h
即
[1Y.(T)‘邝/YT( ) +Y.(t) / ]h—h¨ (d
)
式中
以及
h ——门洞气流中和界以上的高度,m;
√ ( )/
( (t) +Y,(T) )。h =hif
即
,
[YT( )Ⅲ/(YT(
) n+Y.(T) )]h= I )
式中 ——门洞气流中和界以下的高度tm。
但
是,在附加阳光间型太阳房的实际使用条件下t在满足 ( )>k( )条件时的开门期
间,存在于
开启门洞两侧的通常是两个非等温空气温度场。根据在甘肃省榆中太阳能试验
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王薯芳t甫光闻和房问之I可的自然对瘴换搏计算方法
基地招待所1,2号附加
阳光间(或称温室)型太阳房(见C63)的多次实测情况来看,当式
(1)或式(2)中与空气密度
( )、Y.(t)有关的空气温度的取值位置靠近开启门洞时,该式
的计算结果和实测数据吻合较
好。实测情况表明,当开启门洞二便I的室内空气温度不等
时,门洞附近的空气温度并不等于同侧室内
空气温度(后者通常以房间地面几何中心以上
1.5米垂高处的测点温度作代表),靠近开启门洞二侧
的空气密度差通常小于阳光间和房
间的空气密度差。当二者的差值越太时,用式(2)或式(3)计算
出的空气流量G (t)和实测
数据的偏离也随着增大,往往超出工程计算的允许误差。
作
为示倒,图1表示该招待所一号太阳房通过公用墙中和界上部气流的质心并与门
洞平面垂直的直线上的
温度分布实测值(1983年3月6日,1 4点30分测定)I图2为当时
在该太阳房门洞平面上的
风速分布实测图。
胃先一气■I.-14.2℃
膏一‘幔 ‘-14.i℃ 空气H 囤1 精中招待所旧1号太阳房门洞 囤2精中招待所 ‘ 1号阳光闻型太
中和界上部气流质心
发上的气温分布实洲
值(1983.3.6,1 4 l 30)
阳房套用墙门洞平面上的
风速分布实洲圉
(1983.3.6-1 4:30)
以图2所示的那组实测风速值为例,
将该组值和其相应的空气密度值算出的阳光间
和房间之间通过门洞的换气量为750kS/h。如用当
时阳光间室内空气温度的采样值
24.2℃及房间室内空气温度采样值1 4.2℃,当地大气压力为
81.32kp,,对应的阳光间和
房间的空气密度依次为0.956及0.989kg/m ,当取
u=0.6时,用式(2)算出的换气量为
c 吾曲√
=百2×o
e×o.s.
√墨 .-
n 堋oo
号 3 ×2.oz X 3600
=9
27.瓢g/h
用简化式(3)算出的换气量为
G (T)2=鲁岫、,2gY_(T)(
(T)一 (T))(芸)・3600
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甘肃科学学
报 埔91年 第2期
一i2×0
.
6XO.8
2×9.81×0.97
25(0.989—0.956)×1.013/ ×3600
—
927.9kg/h 由上可见,用式(2)算出的G ( ) 值和用简化计算式(3)算出的G-( ) 值非
常吻
合,其误差可以忽略。但实测(换算)值和式(2)或式(3)的计算值之间的相对
误差为(927.
8-750)/750—22.6 Ao,在其它多次测试中也出现类似情况。
鉴于以上情况,结合对
实测数据的分析验证,在上述算式的基础上提出以下经简化
的修正算式,井为使用方便将G ( )和
( )及 ( )之间的函数关系表示成G CSl-
( )和门洞两侧空气温度0(t)及‘(
)之间的函数关系:
G_( )=3753‘而 ub(号) √“( )一‘(T)) ( ) k
B/h (6)
戈中P——当地大气压力,千帕(kp-);
q——由于室内气温分布不均
匀引出的计算温差修正系数,无因次数I
_一( )—— 时刻,阳光间和房间的平均空气绝对温度・
k,
( )一273+ (k( )+c-( ,k。
值可根据建筑进深及温度分布的不均
匀情况取值。建筑进深较大・空气温度分布不
均匀程度较严重的取较小值,反之取较大值。根据我们的
试验情况。在阳光间型太阳房
打开公用墙上门户以便由阳光间向房间进行对流供热的大部分时间里・此
值约在0-5~
0.8之间。
三、验证及讨论
将上例中的有关值:p一81.4
3 , 一0.6,h一2.02m,k( )一24.2℃,‘( )一14.2℃及
-I( )一
292.2℃代入式(6)可得
G ( )=293.8√(k( )一‘( )) —293.8√
10 kg/h (7)
在不对计算温度作修正时,即直接用传统的室温采样值时・取 =1,此时
G—csr )一92.91 kg/h
此值和用式(2)或式(3)计算所得的结果非常接
近,两者的相对偏差不到1・5 ,说明
当取 一1时,式(7)和式(2)及式(3)可以等价使用
。但此时的计算结果和实测值之间的误
差仍然存在。
当取式(7)中的 值等于0.65时
,
:
293.82 :293.82瓜
一
749.1 kg/h
此值和实测值非常接近。特别值得注意的是,此时经 修正后的计算温差 (k
( )一‘( ))
=6.5℃和靠近门洞两侧各0.5米处的实测温度的差值:24.2—17・
8—6・4℃
.
(详见图2)十分接近。在其它多次测试中也都出现类似情况,说明前面提出的有关论点
是
正确的,井具有一定的通用性。
式(7)中参数 的推荐取值范围是在上述试验房的具体试验条件下得
出的,可供同
类太阳房使用。
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壬0芳;阳
光问和房问之问的自然对栽接热计算方法
本文引用的太阳房的建筑概况,它的详细的建筑热工特征,试
验过程中的室外气象
条件,以及整个太阳房的热平衡情况详见参考文献(6]。
本文曾得到
清华大学热能系赵荣义教授在研究思路上提供宝贵意见,并与罗棣庵教授进行过有益
的讨论.在测试工
作中得到原在甘肃省科学院能源研究所太阳能建筑采暖研究室工作的王玉荣同志的
大力协助.在此探致
谢忱.
参
[1]
考文 献
FOC)' ̄I[:CTBeHHI3e“a
Ⅱ bcm。HO cq'pouTettbc.rBy
r.A.№kcHHD日-O'r ̄eHRe
H BeHt兀删且
H alpxvrreKype,Mocksa--1955-273—27{
[2] 李元哲等,被动式暖房的研究及其进晨,太阳能学报,1985年7月.
[3]m
Anderson.NaruralConvectionResearch and s。IarBuild
ingApplicaUon,Passive Solar Jour.
hal,3(1),33—
—76(1986)
[4] A.T.砌fk Ⅱjck,]nterzor ̄Mixect Cor
tvecUort Heat Transfer In Pa ve olSar Building.Sol
ar
Englneetlns--1987
[5] 陆耀庚主编.供暖通风设计手册-中国
建筑工业出敝社,1987年12月
[6] 王德芳-寰士孔-陈建安,王玉荣,榆中太阳能基地招待
所(直接受益型和附加温室
藿!)被动式太阳能采暖试验房热工试验研究报告,甘肃省科学院自然能源
研究所.1984
年5月.
CALCULATING METHOD FOR NATUR
AL
CONVECTION HEAT TRANSFER BETWEEN
SUNSPA
CE AND ADJOINING ROOM
WangDeftmg
(Nat ̄Ener
gy Research]fistitu ̄,Gansu Academy of Sciences,Lan
zhou,730000,China)
ABsTRACT
In this paper.
the calculating formulas and its related parameter
s for calculating the natural
convection heat
transfer between sunspace and adjoining room throu
gh an opening in a common
wall are presented o
n the basis of experimental study.It can easily be
used in calculating the room
heat balance for
the sunspace solar house design.
This paper m
akc ̄a study of the suitable conditions of the form
ula presented by F.A
MaKCtJMOB to calculate th
e quantity of air exchange in a room through an op
ening.and improves
on the formula according to
the actualitfc+about the sunspace solar heating h
ouse.