基于区域模型的工业建筑热环境动态模拟

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工业建筑通常具有局部高温热源,室内热量分布极度不均,现有的民用建筑室内动态热环境模拟软件采用集总参数法不能准确反映工业建筑工作区的热状况。因此,本文针对工业建筑具有局部高温热源、高大空间等特点,提出基于区域模型的工业建筑动态热环境模拟方法,形成通用性计算程序。分析了外扰、内扰、通风三个方面对工业建筑热环境的影响过程,建立了工业建筑热环境模拟的物理模型和数学模型,给出了热过程的求解方法。分析了集中热源模式下室内热分布,描述了热源上部热射流的产生过程,总结了集中热源对温度分布的影响因素。局部高温热源散发的热量在室内的分布是建立区域模型热环境动态模拟的关键。给出了温度计算法和系数计算法两种热分布系数计算方法。通过MATLAB编程工具将系数计算法进行了数据拟合,得出了精确的求解公式,并将拟合的函数表达式结果以代码的形式表达出来,生成图形用户界面。实现了高效求解热分布系数和热源在工作区的散热量。考虑了热源在水平方向上的分布对热分布系数的影响,提出了分散系数m4,并将其加入到之前的热分布系数计算程序中,修正了热分布系数的计算结果,提高了热分布系数计算程序的准确性。针对单节点模型热环境动态模拟,采用有限容积法推导了围护结构传热的离散方程。在时间上采用向后差分法推导离散了空气热平衡方程,并列出了围护结构节点温度的矩阵求解形式,在此基础上建立了单节点模型的室内热环境动态模拟计算程序,借助MATLAB编程工具建立了热环境动态模拟计算工具。以实际厂房为原型,通过Sketch Up软件建立模型,采用能耗软件Energy Plus模拟计算,将其结果与单节点模型热环境动态模拟计算程序计算的结果对比分析,验证了程序的准确性,为区域模型的计算程序奠定理论基础。在单节点模型热环境动态模拟程序的基础上,对区域模型的围护结构传热的离散方程和室内空气热平衡方程进行推导离散,借助MATLAB编程语言建立了工业建筑热环境动态模拟计算工具。以实际厂房为原型,采用所编写的区域模型动态模拟计算程序求解了室内热环境,并将计算结果与单节点程序计算的结果进行了对比,分析了在求解工业建筑室内热环境时分区计算与以集总思想计算室内热环境的差别及影响。选取了严寒A区、寒冷A区、夏热冬冷、夏热冬暖4个气候区的代表城市,采用本研究编写的区域模型热环境动态计算程序求解了区域温度,比较了工作区与非工作区的温度及不同气候区之间区域温度的差异,得到了相对可靠的变化规律,利用多组工况验证了本程序计算的准确性。研究表明,由于工业建筑室内的大量热量聚集在上部空间,工作区内的温度比集总参数法计算的室内温度要低,因此,在进行围护结构的节能设计时应对围护结构热工性能进行分区优化。
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