大型膜構(gòu)造建筑的空調(diào)冷負(fù)荷特性

大型膜構(gòu)造建筑的空調(diào)冷負(fù)荷特性研究摘要：膜材料被廣泛應(yīng)用于體育館、展覽館等大型公共建筑中，由于膜材的半透明特性，其空調(diào)冷負(fù)荷特征與普通建筑有所不同；本文以上海某博覽中心為研究對象，根據(jù)分層空調(diào)理論計算了在不同透光率、吸收率的膜構(gòu)造建筑的室內(nèi)負(fù)荷，分析了膜構(gòu)造高大空間建筑的空調(diào)冷負(fù)荷特性，提出了相應(yīng)的節(jié)能措施，為該類型建筑的室內(nèi)環(huán)境控制設(shè)計提供參考。關(guān)鍵字：高大空間膜構(gòu)造建筑分層空調(diào)節(jié)能1.前言隨著公共高大空間建筑向大跨度，輕結(jié)構(gòu)方向的發(fā)展，膜材料作為一種輕型材料，廣泛應(yīng)用于體育館，游泳館，展覽館等大型公用建筑。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，膜建筑分鋼骨支撐式，骨架懸頂式和氣壓支撐式。膜造建筑具有①大跨度，結(jié)構(gòu)重量比實體屋面輕很多②施工容易，工期縮短③可透光性，節(jié)省照明費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，因而逐步受到國內(nèi)外建筑師的青睞。膜材料是一種以織物為芯材，外面涂裹塑料的復(fù)合材料，根據(jù)涂裹材料種類、顏色的不同，可以使材料具有不同的輻射透過率、反射率及吸收率。由于膜材的半透明性，其空調(diào)冷負(fù)荷具有其自身的特點(diǎn)。本文以大空間膜構(gòu)造建筑為研究對象，根據(jù)分層空調(diào)理論計算不同透光率、吸收率、單雙層膜構(gòu)造建筑的冷負(fù)荷；分析空調(diào)冷負(fù)荷的特點(diǎn)，提出節(jié)能措施，為建筑材料的選擇提供參考。2.研究對象本文以上海某展覽建筑為研究原型。該展廳為拱形建筑，具體尺寸見圖1，長180m，寬72m，展館最高點(diǎn)為15.6m；屋頂材料為PVC薄膜，端墻為10mm厚單層玻璃，邊墻為彩鋼板，地面為水磨石；展廳采用分層空調(diào)形式，送風(fēng)口高度為9.6m；由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)是半透明的，所以傳熱計算中，要考慮透過屋頂?shù)娜丈漭椛?，并且地面接收短波輻射也增加，這使之與普通建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷計算有很大區(qū)別。3計算理論及方法該展廳屬于高大建筑，且僅對下部區(qū)域進(jìn)行空調(diào)，采用分層空調(diào)的方式計算。3.1分層空調(diào)計算理論計算分層空調(diào)負(fù)荷時，以送風(fēng)口為分層面，將整個高大建筑物在垂直方向分為兩個區(qū)域，分層面以下為空調(diào)區(qū)，分層面以上為非空調(diào)區(qū)。工作區(qū)為高大建筑要求保證溫濕度參數(shù)的區(qū)域，作為舒適性空調(diào)，一般可取2.0m，在滿足使用要求的前提下，分層高度越低越節(jié)能；對于舒適性空調(diào)，空調(diào)區(qū)高度一般可由右式計算：(1)式中：－工作區(qū)高度，m－射流垂直落差，m空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷的組成：(2)式中：－空調(diào)區(qū)分層空調(diào)冷負(fù)荷，W；－通過空調(diào)區(qū)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱形成的冷負(fù)荷，W；－空調(diào)區(qū)內(nèi)部熱源散熱形成的冷負(fù)荷，W；－空調(diào)區(qū)室外新風(fēng)或滲透風(fēng)形成的冷負(fù)荷，W；－非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)輻射熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷，W；－非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)對流熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷，W；3.2分層空調(diào)計算方法（1）計算非空調(diào)區(qū)域的室內(nèi)溫度：(3)式中：－室內(nèi)空調(diào)區(qū)計算溫度，℃－屋頂下表面附近空氣溫度，一般可取室外空氣溫度增加2～3℃（2）確定分層高度（3）根據(jù)分層高度計算非空調(diào)區(qū)和空調(diào)區(qū)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入室內(nèi)的熱量和散熱量（4）計算非空調(diào)區(qū)和空調(diào)區(qū)各內(nèi)表面的溫度(4)式中：－室內(nèi)計算溫度，空調(diào)區(qū)為，非空調(diào)區(qū)為－外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面放熱系數(shù)，一般取8.7綜合溫差：(5)式中：－夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算日平均溫度，℃－屋頂（或外墻輻射熱平均溫升），℃－圍護(hù)材料的衰減倍數(shù)－該朝向“作用時間”的太陽總輻射照度及太陽總輻射日平均照度，W/m2，－“作用時間”的夏季室外逐時溫差，℃，－圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸收率，－圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面與天空和周圍物體的長波輻射溫升，℃。（5）計算非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)輻射熱轉(zhuǎn)移形成的負(fù)荷①輻射熱轉(zhuǎn)移量(6)式中各項含義詳見參考文獻(xiàn)【1】中高大建筑物分層空調(diào)設(shè)計部分。②輻射熱轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷(7)式中：－冷負(fù)荷系數(shù)，通常取0.45～0.72；（6）計算非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)對流轉(zhuǎn)移形成的冷負(fù)荷空調(diào)區(qū)得熱量：空調(diào)區(qū)熱強(qiáng)度：非空調(diào)區(qū)熱量：非空調(diào)區(qū)熱強(qiáng)度：非空調(diào)區(qū)排熱量：非空調(diào)區(qū)與空調(diào)區(qū)強(qiáng)度比：非空調(diào)區(qū)的排熱率：根據(jù)，，查文獻(xiàn)【1】中的圖11.10-4即可得到無因次對流轉(zhuǎn)移負(fù)荷：（7）計算空調(diào)區(qū)的總冷負(fù)荷4.展館空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷計算4.1負(fù)荷計算基本參數(shù)：(1)空氣計算參數(shù)室內(nèi)空調(diào)區(qū)計算干球溫度＝26℃，相對濕度65％夏季空調(diào)室外計算干球溫度＝34℃夏季空調(diào)室外日平均溫度＝30.4℃屋面附近空氣平均溫度：＝34+3＝37℃非空調(diào)區(qū)計算溫度＝31.5℃(2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)計算用屋頂膜材的太陽光學(xué)性能見表1表1屋頂膜材的太陽光學(xué)性能穿透率反射率吸收率衰減倍數(shù)β①13％73％14％0.195②9.3％79.4％11.3％0.157③0％72％28％0.390各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)：墻及地板內(nèi)表面換熱系數(shù)：=8.7墻外表面換熱系數(shù)：=24.4屋頂傳熱系數(shù)：6.25夾心板傳熱系數(shù)：0.864.2負(fù)荷計算結(jié)果(1)屋頂為①號膜材時，展館的逐時冷負(fù)荷表2展館的逐時冷負(fù)荷計算時間10：0011：0012：0013：0014：0015：0016：00冷負(fù)荷（kW）2763.63140.33272.33375.83389.23253.23001.0平均負(fù)荷（kWW/m2）213.2242.3252.5260.5261.5251.0231.6注明：室內(nèi)新風(fēng)量為66000m3/h展館的最大冷負(fù)荷值出現(xiàn)在下午14:00點(diǎn)；這是由于展館的圍護(hù)結(jié)構(gòu)均為輕型材料，蓄熱能力小；且屋頂能透射一定的太陽光，展館室內(nèi)負(fù)荷大小受室外環(huán)境影響很大。(2)展廳的室內(nèi)負(fù)荷分布展館室內(nèi)冷負(fù)荷達(dá)到最大時，各項負(fù)荷值見表3表3展館冷負(fù)荷分布項目空調(diào)區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)冷負(fù)荷空調(diào)區(qū)內(nèi)部熱源源冷負(fù)荷新風(fēng)冷負(fù)荷非空調(diào)區(qū)輻射轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移冷負(fù)荷荷非空調(diào)區(qū)對流轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移冷負(fù)荷荷冷負(fù)荷（kW）212.731354.4645.51081.395.4比例6%40%19%32%3%總和3389.333負(fù)荷分布圖見下圖：如圖所示：圍護(hù)結(jié)構(gòu)為半透明材質(zhì)的高大建筑，通過非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)轉(zhuǎn)移的輻射熱負(fù)荷占的比重較大，相應(yīng)的對流轉(zhuǎn)移的負(fù)荷比例要小很多。(3)非空調(diào)區(qū)輻射熱轉(zhuǎn)移冷負(fù)荷分布表4輻射熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷分布項目非空調(diào)區(qū)外墻對對地板的輻輻射熱量透過非空調(diào)區(qū)外外墻被地板板吸收的熱熱量非空調(diào)區(qū)屋頂對對地板的輻輻射熱量透過非空調(diào)區(qū)屋屋頂被地板板吸收的熱熱量冷負(fù)荷(kW))18.15.50.4.3435.511355.222比例1.0%2.7%23.4%72.9%由表4所示，非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)輻射熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷主要是屋頂轉(zhuǎn)移負(fù)荷，其中以屋頂透射產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移負(fù)荷為主體。這說明屋頂材料的透光率是影響輻射轉(zhuǎn)移負(fù)荷的最主要因素(4)屋頂采用不同膜材時，建筑冷負(fù)荷比較計算比較下午14：00的負(fù)荷值，結(jié)果見表5表5不同屋頂材料建筑的冷負(fù)荷值①號②號③號空調(diào)區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)冷負(fù)荷212.73212.73212.73空調(diào)區(qū)內(nèi)部熱源源冷負(fù)荷1354.41354.41354.4新風(fēng)冷負(fù)荷645.5645.5645.5非空調(diào)區(qū)輻射轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移冷負(fù)荷荷1081.3725.3504.9非空調(diào)區(qū)對流轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移冷負(fù)荷荷95.429.743.84室內(nèi)冷負(fù)荷（kkW）3389.3332277.62104.8如表中所示，屋頂采用①號膜材時，建筑冷負(fù)荷值最大，屋頂采用③號膜材，冷負(fù)荷值最小；主要因為屋頂采用③號膜材，沒有太陽光透射進(jìn)入房間，輻射轉(zhuǎn)移量大大減少；相比①號膜材，②號膜材的透光率及吸收率較小，屋頂輻射減少，由此可以得到屋頂采用半透明材料，降低材料的透光率有利于降低建筑的冷負(fù)荷。(5)屋頂采用單、雙層膜材的建筑冷負(fù)荷對比以①號膜材為例，單層膜材的透光率為13%，而雙層膜材透光率僅為8%，由于輻射轉(zhuǎn)移負(fù)荷中透射負(fù)荷占主導(dǎo)，不考慮兩層膜之間的空氣熱阻，計算屋頂采用單雙層膜材的建筑冷負(fù)荷見表6表6建筑屋頂采用單雙層膜材冷負(fù)荷單層雙層差額百分比空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷((kW)3389.3332985.477403.8611.9%如表6所示，采用雙層膜材忽略空氣層熱阻，冷負(fù)荷降低11.9%；實際上膜層間的空氣熱阻對膜材的傳熱系數(shù)影響很大，采用雙層膜材的實際冷負(fù)荷可能比表6中的計算值