基于狀態(tài)空間法的住宅通風(fēng)替換頻率研究

基于狀態(tài)空間法的住宅通風(fēng)替換頻率研究

自然通風(fēng)在調(diào)節(jié)和改善家里的熱環(huán)境和空氣質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用，促進(jìn)了家庭自然通風(fēng)變化規(guī)律的研究。目前,確定房間換氣頻率主要通過測試方法,可直接在開窗截面上測試風(fēng)速,但由于截面處的空氣不斷改變運(yùn)動(dòng)方向,因此,很難得到有效的通風(fēng)換氣數(shù)據(jù);再就是示蹤氣體實(shí)驗(yàn)方法,根據(jù)示蹤氣體質(zhì)量平衡方程計(jì)算出房間的通風(fēng)換氣頻率,但該方法在實(shí)際現(xiàn)場難以實(shí)現(xiàn)對房間通風(fēng)換氣頻率的連續(xù)測試。此外,還有通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對單通路建筑自然通風(fēng)狀況的研究,但同樣由于空氣運(yùn)動(dòng)的脈動(dòng)特性,CFD方法無法反映出多通路的實(shí)際住宅內(nèi)房間的自然通風(fēng)狀況。本文試圖通過室溫測試研究住宅實(shí)際的自然通風(fēng)狀況。根據(jù)1999年夏季對北京市98戶住宅的室溫測試數(shù)據(jù),以其中的3戶為研究對象,通過分析比較實(shí)測室溫和模擬室溫,逐時(shí)確定出房間的通風(fēng)換氣頻率。由此可了解房間通風(fēng)換氣頻率的變化狀況、數(shù)量范圍以及換氣頻率變化趨勢與住戶開窗、關(guān)窗調(diào)節(jié)行為的相互關(guān)系,并通過對這些變化規(guī)律的研究說明計(jì)算結(jié)果的有效性。1通風(fēng)通氣頻率的計(jì)算由狀態(tài)空間法建立描述房間室溫隨時(shí)間t逐時(shí)變化的數(shù)學(xué)模型為θs(t)=∫t-∞m∑j=1n∑i=1φijeλi(t-η)qj(η)dη?(1)式中:θs為房間模擬室溫,η為時(shí)間的積分變量,q包括室外氣象因素和房間室內(nèi)發(fā)熱量,λ表示狀態(tài)空間法中房間的空間特征值向量,φ則為采樣后各個(gè)影響因素對室溫的影響系數(shù)。將通風(fēng)換氣所產(chǎn)生熱交換量qN對房間室溫變化的影響與其它因素的影響區(qū)分開,則房間室溫θs可表示為密閉室溫θa與通風(fēng)換氣所導(dǎo)致房間室溫變化Δθ的疊加,即θs(t)=θa(t)+Δθ(t).(2)同樣根據(jù)狀態(tài)空間法,得到:θa(t)=∫t-∞m∑j=1j≠Νn∑i=1φijeλi(t-η)qj(η)dη?(3)Δθ(t)=∫t-∞n∑i=1φieλi(t-η)qΝ(η)dη.(4)將式(4)進(jìn)行積分并代入式(2),得到:θs(t)=?θa(t)+ψ0qΝ(t),(5)式中:?θa(t)=θa(t)+n∑i=1Δθi(t-Δt)eλiΔt+ψ1qΝ(t-Δt)?(6)ψ0=n∑i=1Δtφi(Δtλi)2(eΔtλi-Δtλi-1)?ψ1=n∑i=1Δtφi(Δtλi)2[(Δtλi-1)eΔtλi+1].(7)又房間通風(fēng)換氣所產(chǎn)生的熱交換量為qΝ(t)=ρcpVf(t)[θout(t)-θs(t)]?(8)式中:θout為外溫,f為房間通風(fēng)換氣頻率,V為房間內(nèi)空氣體積,cp為室內(nèi)空氣定壓比熱容,ρ為室內(nèi)空氣密度。根據(jù)式(8),式(5)最終轉(zhuǎn)換為:θs(t)=?θa(t)+ψ0Vf(t)ρcpθout(t)1+ψ0Vf(t)ρcp.(9)由房間的實(shí)測室溫θm,按照|θs-θm|達(dá)到最小的原則可逐時(shí)確定出房間的通風(fēng)換氣頻率f,從而可近似認(rèn)為計(jì)算換氣頻率的變化能夠反映住宅實(shí)際的自然通風(fēng)狀況。為進(jìn)行這樣的計(jì)算,需確定室外氣象因素(外溫、太陽輻射等)、室內(nèi)發(fā)熱量、以及準(zhǔn)確地測出測試房間和鄰室的空氣溫度。2內(nèi)部測試和數(shù)據(jù)收集2.1業(yè)務(wù)大區(qū)改造樓建筑位置3戶住宅的平面布局見圖1示。除了平面布局的不同外,3戶住宅在影響房間自然通風(fēng)狀況的樓層位置、小區(qū)外環(huán)境上也有所不同。住戶A位于5層高南北向住宅樓的頂層,測試房間為南向臥室。住宅樓處在居住小區(qū)的內(nèi)部,住戶反映通風(fēng)較差。住戶B位于6層高南北向住宅樓的第5層,測試房間為西南向臥室。住宅樓處在居住小區(qū)的邊緣,建筑西外墻沒有建筑遮擋,住戶反映通風(fēng)良好。住戶C位于18層高塔式住宅樓的第12層,測試房間為南向臥室。住宅樓的四周沒有高層建筑,住戶反映通風(fēng)十分強(qiáng)烈。2.2室內(nèi)記錄和測試時(shí)間對各個(gè)測試房間,均采用0.3℃測試精度的Rhlog溫度自記儀連續(xù)地記錄房間室溫,自記儀的讀數(shù)時(shí)間間隔為1h,測試時(shí)間為1999-07-15—08-09。測試過程已避免了太陽輻射和房間內(nèi)熱源對溫度自記儀讀數(shù)的影響。2.3熱源發(fā)熱量測試外溫由百葉箱內(nèi)的溫度自記儀逐時(shí)記錄得到,而逐時(shí)的太陽直射和散射輻射數(shù)據(jù)由國家氣象部門提供,測試房間的鄰室室溫同樣由溫度自記儀逐時(shí)記錄得到。房間室溫變化還受到室內(nèi)發(fā)熱量的影響,經(jīng)對住戶的調(diào)查,得到測試房間內(nèi)人體、照明燈具及電器設(shè)備的發(fā)熱量。圖2表示出不同內(nèi)熱源發(fā)熱量Q的逐時(shí)變化。時(shí)間從0點(diǎn)算起。3室外漢內(nèi)穩(wěn)定安裝量的確定確定了外部影響因素及室內(nèi)發(fā)熱量后,可通過建筑熱環(huán)境模擬軟件DeST模擬測試房間的室溫變化,使房間模擬室溫θs與實(shí)測室溫θm的差值達(dá)到最小,從而逐時(shí)確定房間的換氣頻率。同時(shí),考慮換氣頻率初始值設(shè)定所導(dǎo)致的計(jì)算誤差,本文的研究范圍只針對1999-07-19—08-09的計(jì)算結(jié)果。3.1模擬溫室與實(shí)測溫室的比較根據(jù)測試房間模擬室溫隨實(shí)測室溫的變化趨勢以及模擬室溫計(jì)算誤差的平均值和方差,圖3和表1同時(shí)說明了各個(gè)房間的模擬室溫與實(shí)測室溫之間均存在較好的一致性。房間的室溫變化同時(shí)受到通風(fēng)換氣和其它因素的影響,當(dāng)外溫低于室溫時(shí),增大換氣頻率可以抵消其它因素如太陽輻射取值偏高所導(dǎo)致的室溫計(jì)算誤差。因而,室溫的一致性僅表明了各影響因素的確定以及換氣頻率的計(jì)算有可能是合理的,為說明計(jì)算結(jié)果的有效性,需分析計(jì)算換氣頻率的變化狀況。3.2合理間合作頻率的隨機(jī)變化住宅的自然通風(fēng)主要由風(fēng)壓作用決定,室外空氣的湍流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了風(fēng)壓的隨機(jī)變化,因此,房間換氣頻率的逐時(shí)變化也是隨機(jī)的。以1999-07-15T00:00點(diǎn)為起點(diǎn),圖4表示出了各房間換氣頻率的隨機(jī)變化趨勢。圖4還表示出計(jì)算換氣頻率基本都低于10h-1,但最高可達(dá)50h-1。這與住宅實(shí)際測試換氣頻率的變換范圍基本是一致的。3.3戶內(nèi)調(diào)節(jié)行為發(fā)生的變化主要受戶除風(fēng)壓外,房間的自然通風(fēng)狀況還與住戶的調(diào)節(jié)行為如開窗、關(guān)窗等有關(guān)。關(guān)閉外窗勢必會(huì)降低房間的換氣頻率,從而導(dǎo)致房間自然通風(fēng)狀況在一定程度上呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。選擇換氣頻率變化幅度較大的住戶B和住戶C,分析其測試房間計(jì)算通風(fēng)換氣頻率的變化趨勢與住戶調(diào)節(jié)行為的關(guān)系。根據(jù)住戶主訴,得到各住戶的調(diào)節(jié)行為如下:a)住戶B測試房間的南窗始終開啟;而西窗基本關(guān)閉。但室溫較高時(shí),住戶在18:00左右開啟西窗直至次日08:00。而窗簾是在23:00后的睡眠時(shí)間內(nèi)拉上。b)住戶C測試房間外窗始終開啟,窗簾始終拉開。住戶B測試房間的自然通風(fēng)狀況受住戶調(diào)節(jié)行為的影響,而住戶C的則主要由風(fēng)壓決定。在18:00至次日08:00的時(shí)間內(nèi),住戶B測試房間的計(jì)算通風(fēng)換氣頻率隨室溫的變化如圖5所示。在18:00至23:00的時(shí)間內(nèi),住戶B房間的計(jì)算換氣頻率隨室溫增加而增加;而在23:00以后的睡眠時(shí)間內(nèi),住戶拉上窗簾使得換氣頻率基本趨于一致,并且室溫的影響減弱。因此,計(jì)算通風(fēng)換氣頻率的變化趨勢基本表現(xiàn)出住戶調(diào)節(jié)行為的