大气压力变化对建筑冷热负荷的影响

田 硕 崔惟霖

(南京理工大学能源与动力工程学院,江苏 南京 210094)

1 概述

建筑节能工作讲究因地制宜。我国建筑气候分为五个大区：严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区。目前已有的建筑节能相关标准中对建筑热工性能的要求也都是按建筑气候区划进行分类[1]。我国当前建筑气候区的划分主要依据典型月的室外平均气温，而影响气温的因素除了纬度，还有海拔高度。利用温度涵盖了纬度和海拔高度的综合影响，是一种有效的方法，但目前看来还不够全面。建筑与外环境的换热很大一部分是通过围护结构与环境对流换热完成的。压力的变化势必会导致围护结构内外表面对流换热系数的变化，从而对整个围护结构的热工性能产生影响，进而影响建筑负荷。本文利用统计方法对建筑围护结构的传热性能与大气压力变化之间的关系进行了定量分析，再运用DeST建立模型进一步分析大气压力变化对建筑负荷的影响。

2 计算方法与建模

建筑围护结构的传热包括建筑物围护结构与周围环境之间的对流和辐射传热，以及自身的热传导。大气压力的变化可以影响对流换热，但对辐射和传导传热影响不大[3]。本文研究对象为双面敷有水泥砂浆的砖墙，砖墙和水泥砂浆厚度分别为240 mm和20 mm。在标准大气压(101.33 kPa)和风速(2.75 m/s)的情况下，该围护结构的总热阻为0.493 m2·K/W，其内表面和外表面的总换热系数分别为8.72 W/(m2·K)和23.26 W/(m2·K)。选择的室外和室内温度分别为：夏季36.8 ℃和26 ℃，冬季-12 ℃和18 ℃[3]。由于风速会对总表面传热系数产生影响，所以我们分别研究了在7种不同室外风速下总热阻与大气压力变化之间的关系。相关手册[2]列出了风速与总表面热阻对应关系的详细信息。

在稳定状态下，通过围护结构热平衡方程，得到围护结构内表面和外表面的温度。进而得出围护结构表面辐射换热系数，又因对流换热系数是表面总换热系数与辐射换热系数之差，可得出标准大气压下表面对流换热系数。大气压力变化对流换热系数的影响通过以下公式表示[4]：

(1)

本文将对当地大气压力为95 kPa,90 kPa,85 kPa,80 kPa,75 kPa,70 kPa,65 kPa,60 kPa,55 kPa和标准大气压力101.3 kPa这几种情况进行讨论。最后，通过上面的计算，可以获得在当地大气压力下的围护结构总热阻。

利用DeST-C建立一栋长宽都为24 m，层高为4 m的3层办公建筑。其围护结构选用双面敷有水泥砂浆的砖墙的建筑模型。该建筑中心部位为电梯井，电梯井四面被走廊包围，走廊外侧分别和四个办公室相连。不同功能房间的内热源功率由DeST-C提供。由于大气压力变化产生的影响已经转变成围护结构总传热系数的改变，因此，将围护结构不同大气压力下的总传热系数输入建筑模型，就可以获得不同压力下的建筑负荷。通过将建筑由3层增加到6层，9层，12层，24层，其体型系数也由0.33减少到0.25,0.22,0.21和0.19，然后探究不同体型系数下大气压力变化对建筑负荷的影响。

3 计算结果与分析

图1显示了随着大气压力的增加，围护结构总热阻力呈下降趋势，在不同风速下此变化趋势基本上是相同的。

图2显示了建筑年累积热负荷指标随着体型系数的增大而增大；当体型系数一定时，年累积热负荷指标随着大气压力的降低而降低。在不同大气压力下，年累积热负荷指标随建筑体型系数的变化基本一致。

表1中数据表示当体型系数为定值时，和标准大气压力下的建筑年累积冷负荷指标相比，当地大气压力下的建筑年累积冷负荷指标的减小百分比。

表1 不同建筑体型系数下年

4 结语

本研究的主要目的是探究大气压力变化对建筑围护结构传热性能和建筑冷热负荷的影响。研究得出的结论如下:

1)建筑围护结构的总热阻随着大气压力的减小而增大，并且风速越低，总热阻增大得越快。

2)当建筑体型系数一定时，年累积热负荷指标随着大气压力的减小而降低；年累积热负荷指标随着体型系数的增大而增大。

3)当建筑体型系数为定值时，年累积冷负荷指标随着大气压力的降低而降低。