不同居住建筑戶間傳熱問(wèn)題的探討

1、不同居住建筑戶間傳熱問(wèn)題的探討摘要本文采用不穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值求解法，分析了目前較為普遍的傳統(tǒng)磚混住宅、鋼筋混凝土住宅和外墻內(nèi)保溫住宅，采用分室調(diào)節(jié)最低值時(shí)典型房間室溫和與鄰室的溫差及圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度分布的變化規(guī)律，為進(jìn)行住宅按戶計(jì)量供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷確定，提供了三類居住建筑戶間傳熱計(jì)算的依據(jù)，也為按戶計(jì)量收費(fèi)和建筑保溫及防結(jié)霜研究提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞不同住宅戶間傳熱不穩(wěn)態(tài)傳熱0引言隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和逐步實(shí)施按戶計(jì)量供暖收費(fèi)改革制度，采用燃?xì)怆娔?、太?yáng)能、地?zé)崮?、江河湖海等清潔能源的多種能源供暖方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤鍋爐房供暖已成為必然趨勢(shì)，這也是我國(guó)節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略重要措施之一。無(wú)論

2、采用哪種熱源集中供暖，用戶分室調(diào)節(jié)導(dǎo)致的戶間傳熱計(jì)算，成為工程設(shè)計(jì)與研究部門關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，其中，分室調(diào)節(jié)時(shí)室溫和戶間傳熱溫差及圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度分布的變化規(guī)律，是戶間傳熱計(jì)算的關(guān)鍵依據(jù)。目前，我國(guó)戶間傳熱計(jì)算的關(guān)鍵性參數(shù)的確定處于探討之中，迫于工程設(shè)計(jì)急需，采取先行界定、在過(guò)程中逐步完善的策略，因而，在一些地方的設(shè)計(jì)規(guī)程中對(duì)這些關(guān)鍵參數(shù)采取暫定的方法1。用戶分室調(diào)節(jié)導(dǎo)致的戶間傳熱，是通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題，目前我國(guó)戶間傳熱的研究主要基于穩(wěn)態(tài)傳熱分析，本文分別以目前較為普遍的傳統(tǒng)磚混住宅、鋼筋混凝土住宅和外墻內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)的三種居住建筑為對(duì)象，采用不穩(wěn)態(tài)傳熱分析方法，數(shù)值求解，分別得出了三種住宅標(biāo)

3、準(zhǔn)層和頂層的典型房間（有一面外墻和有兩面外墻），采用分室調(diào)節(jié)最低值時(shí)（即停止采暖時(shí)），典型房間室溫和與鄰室的戶間傳熱溫差及圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度分布的變化規(guī)律，并進(jìn)行了分析比較，為住宅按戶計(jì)量度供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的確定，提供了戶間傳熱計(jì)算的依據(jù)，同時(shí)也為按戶計(jì)量供暖收費(fèi)和建筑保溫及防結(jié)霜研究提供了參考依據(jù)。房間不穩(wěn)態(tài)傳熱的數(shù)學(xué)模型描述典型房間室溫及圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度變化規(guī)律的不穩(wěn)態(tài)傳熱的數(shù)學(xué)模型，由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程式及其定解條件和房間熱平衡方程組成。1.1不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程式：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，可視為平壁一維不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題。其導(dǎo)熱微分方程式為2：(1)式中，t為平壁任意厚度x處，在任意時(shí)刻的溫度，

4、即t=f(x,),；為的密度，kg/3；為物體的比熱，J/kg.；為物體的導(dǎo)熱系數(shù)，/?；對(duì)于工程均質(zhì)材料，可近視認(rèn)為=常數(shù)，則有：(2)式中：為熱擴(kuò)散系，2/s。1.2定解條件假定在北京地區(qū)供暖室外計(jì)算溫度t=-9下；各房間控制室溫為tn=20,其中典型房間突然停止采暖，分析求解該房間室溫tn=f()和圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度t=f(x,)變化規(guī)律。典型房間分別是：標(biāo)準(zhǔn)層只有一面外墻及外窗的北向房間；標(biāo)準(zhǔn)層有兩面外墻及外窗的北向房間；頂層只有一面外墻及外窗的北向房間；頂層有兩面外墻及外窗的北向房間。設(shè)典型房間突然停止采暖時(shí)刻為=0，則定解條件為：=0tn=t0=20(所有房間)；0tn=f()(典型房間

5、)tn=t0=20(其它房間)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊界條件：;t=-9內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊界條件：式中：n為室內(nèi)換熱系數(shù)，/2.；為室外換熱系數(shù)，/2.；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度，。1.3房間熱平衡方程當(dāng)?shù)湫头块g突然停止采暖后，典型房間失熱量之和等于房間內(nèi)能的變化，即(3)式中：Fi為第i個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的面積，2；N為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的總數(shù)；F為外窗面積，2；k為外窗傳熱系數(shù)，/2.；Q為外窗的冷風(fēng)滲透耗熱量3，；a為室內(nèi)空氣的密度，kg/3；a為室內(nèi)空氣的比熱，J/kg.；V為室內(nèi)空氣的體積，3。房間不穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題的數(shù)值求解本文采用有限差分法將上述數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程組24，其中，對(duì)時(shí)間變量采用向后差分的隱式格

6、式，時(shí)間步長(zhǎng)=1小時(shí)；對(duì)于幾何變量，根據(jù)內(nèi)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分別采用長(zhǎng)度不等的均勻網(wǎng)格，二階導(dǎo)數(shù)采用中心差分。將結(jié)構(gòu)材料的物性參數(shù)及幾何參數(shù)代入，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解，便可得到任意時(shí)刻室內(nèi)溫度和任意時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度分布。圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及幾何參數(shù)：對(duì)于磚混住宅，外墻為370磚墻，內(nèi)抹20厚；內(nèi)墻為120磚墻，內(nèi)外分別抹灰20；樓板厚110。對(duì)于鋼筋混凝土住宅，外墻厚250，內(nèi)抹灰20厚；內(nèi)墻厚120，內(nèi)外分別抹灰20；樓板厚110。對(duì)于內(nèi)保溫住宅，外墻為250厚陶粒混凝土，內(nèi)加含面層共60厚增強(qiáng)水泥聚苯復(fù)合保溫板5；內(nèi)墻為160厚陶粒混凝土，雙面抹灰10；樓板為110厚鋼筋混凝土，上下各抹面10；

7、屋面做法見(jiàn)文獻(xiàn)6。求解結(jié)果及分析對(duì)三種住宅的典型房間求解結(jié)果見(jiàn)圖14。曲線1代表內(nèi)保溫住宅標(biāo)準(zhǔn)層有一面外墻及外窗的北向房間，曲線2代表內(nèi)保溫住宅標(biāo)準(zhǔn)層有兩面外墻及外窗的北向房間，曲線3代表磚混住宅標(biāo)準(zhǔn)層有一面外墻及外窗的北向房間，曲線4代表磚混住宅標(biāo)準(zhǔn)層有兩面外墻及外窗的北向房間，曲線5代表鋼筋混凝土住宅標(biāo)準(zhǔn)層有一面外墻及外窗的北向房間，曲線6代表鋼筋混凝土住宅標(biāo)準(zhǔn)層有兩面外墻及外窗的北向房間，曲線7代表內(nèi)保溫住宅頂層有一面外墻及外窗的北向房間，曲線8代表內(nèi)保溫住宅頂層有兩面外墻及外窗的北向房間。圖1室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化圖2內(nèi)墻外表面(鄰室內(nèi)墻表面)溫度隨是變化圖3室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化(內(nèi)保溫

8、結(jié)構(gòu))圖4外墻主體墻與保溫層接觸面處的溫度隨時(shí)間的變化(內(nèi)保溫結(jié)構(gòu))主要計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦拢罕?磚混結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層房間鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層房間有面外墻有兩面外墻有面外墻有兩面外墻室內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間(小時(shí))70935566此時(shí)室內(nèi)溫度()16.701912.393915.40819.8086與鄰室溫差()3.29817.60614.591910.1914外墻內(nèi)表面溫度()12.12548.59136.83803.2154內(nèi)墻外表面(室內(nèi)墻表面)溫度()19.119317.96181/8.781817.2756天花板外表面(鄰室地板表面)溫度()18.741517.008518.241015.98

9、66地板外表面(鄰室天花板表面)溫度()18.836617.259618.372416.3210表2內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層房間內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)頂層房間有一面外墻有兩面外墻有一面外墻有兩面外墻室內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間(小時(shí))4455106128此時(shí)室內(nèi)溫度()17.873614.923516.110212.2819與鄰室溫差()2.12645.07653.88987.7181外墻內(nèi)表面溫度()15.756213.040214.129210.6036外墻主體墻與保溫層接觸面的溫度()-4.4489-4.934-4.7595-5.39內(nèi)墻外表面(室內(nèi)墻表面)溫度()19.572918.963419.201718

10、.4109天花板外表面(鄰室地板表面)溫度()19.233118.0466屋頂內(nèi)表面溫度()15.197911.5129地板外表面(鄰室天花板表面)溫度()19.275618.194918.620717.2185注：時(shí)間間隔為1小時(shí)內(nèi)溫度小于0.005，認(rèn)為室內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定。4.結(jié)論由以上結(jié)果可得出如下結(jié)論。4.1對(duì)于以上三中不同居住建筑，當(dāng)一個(gè)用戶停止采暖，其室溫降低至最低值所需時(shí)間各不相同，其中，對(duì)于同一層典型房間，內(nèi)保溫住宅所需時(shí)間最短，鋼筋混凝土住宅次之，磚混住宅所需時(shí)間最長(zhǎng)，并且三種住宅中，有兩面外墻時(shí)均比有一面外墻時(shí)所需要的時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于不同樓層典型房間，頂層房間與標(biāo)準(zhǔn)層房間所需時(shí)間

11、長(zhǎng)一倍以上。4.2對(duì)于三種不同住宅的標(biāo)準(zhǔn)層房間，當(dāng)一個(gè)用戶停止采暖，其室溫降低的程度各不相同，與鄰室的溫差或戶間傳熱溫差也不同，其中，鋼筋混凝土住宅溫降大，戶間傳熱溫差可達(dá)4.610.2以上；磚混住宅溫降比鋼筋混凝土住宅溫降小1.32.6，戶間傳熱溫差約3.37.6；內(nèi)保溫住宅溫降最小，戶間傳熱溫差為2.15.1，比磚混住宅溫降小1.22.5。4.3對(duì)于同一住宅，有兩面外墻的房間比有一面外墻的房間溫降大，其戶間傳熱溫差也大，且對(duì)不同住宅，房間溫降的差值不同。對(duì)于鋼筋混凝土住宅，有兩面外墻的房間比有一面的房間，戶間傳熱溫差大5.6；對(duì)于磚混住宅，有兩面外墻的房間比有一面外墻的房間，戶間傳熱溫差大

12、4.3；對(duì)于內(nèi)保溫住宅，有兩面外墻的房間比有一面外墻的房間，戶間傳熱溫差大3。4.4對(duì)于同一住宅，頂層房間比標(biāo)準(zhǔn)層房間溫降大，其戶間傳熱溫差也大。就戶間傳熱溫差較小的內(nèi)保溫住宅看，對(duì)于有一面外墻的房間，頂層房間比標(biāo)準(zhǔn)層房間溫降或戶間傳熱溫差大1.8；對(duì)于有兩面外墻的房間，頂層房間比標(biāo)準(zhǔn)層房間溫降或戶間傳熱溫差大2.7。4.5對(duì)于三種不同居住建筑的八類典型房間，當(dāng)一個(gè)用戶停止采暖后，周圍鄰室內(nèi)表面溫降均符合小于規(guī)定的允許溫差6的要求。4.6對(duì)于內(nèi)保溫食管，在供暖室外設(shè)計(jì)溫度-9條件下，外墻主體與保溫層間的溫度總是低于零下4，易引起結(jié)霜現(xiàn)象，因而外保溫國(guó)結(jié)構(gòu)更值得探討。總之，在進(jìn)行分戶計(jì)量供暖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)用戶所在建筑物類型、房間位置和房型，分別確定戶間的傳熱溫差，計(jì)算戶間的傳熱量，保證用戶采暖要