水下冰下玻璃廊的空调系统分析计算.pdf

水下( 冰下) 玻璃廊的空调系统分析计算 柯加林夏令操孙敏生 摘要：为保证国家大剧院冰下玻璃廊冬季夜间防结露，对围护结构外表面( 冰层) 与室外空气 和天空的对流、辐射换热量进．4 i - 了分析研究，采用“室外空气综合温度”并确定了其数值，代替“室 外空调计算温度”，并根据此温度数值分别按照白天和夜间不同的室温和送风情况进行传热计算和防 结露校核计算考虑水面的蒸发散热和水的吸热，并假定水面静止，进行了夏季围护结构冷负荷计 算方法的推导，分别计算出玻璃廊屋顶的温差传热和辐射得热形成的冷负荷介绍了玻璃廊的空调 气流组织形式 1 ．玻璃廊结构组成 国家大剧院圆形建筑周围环绕人工湖，人员需通过人工湖下水下通廊进入南北两侧水下通廊 分别设置了面积分别为3 4 3 m 2 和1 6 6 3 m 2 的玻璃采光顶玻璃项上的人工湖水深为l O c m 玻璃顶结 构组成及数据如图1 因增加了水面，一般固体围护结构的传热计算方法已经不适用，有必要进行 进一步的研究分析 图1水下玻璃廊顶结构组成 2 ．冬季热负荷与防结露分析计算 1 ．1 计算方法推导与分析 由于北京地区冬季夜间室外温度低于0 ℃，我们有理由假设玻璃顶上l O c m 水靠近空气侧可能结 冰，冰层厚度由室内外的温度决定。

夜间玻璃加冰水混合物的围护结构与室外空气接触的外表面的 稳态散热( 冰面传热量) Q c o n d ( 即顶部围护结构热负荷) 可分为图2 和式( 1 ) 所示的三部分 1 4 4 璃璃气璃璃玻玻窀辣玻 丌丌仃，， m m m 晰m 9 9 0 盯仃1，^￡^p^hv 互妻 Q 加州 f＼．／Q —上——————————————————一t o 逃$ ——t 瓣 垄滚弛磁2 芝乏冱趁教翻夹层玻璃屋顶院弦强磁瑟弦弦弦兹弦捌必詹擞蜗屋坝 图2 冰面传热示意 Q c o n d = Q e v a - 6 Q c o n v4 - Q r a d ( W ，m 2 )( 1 ) 式( 1 ) 中三部分热量如下： 1 ) Q e v a ：冰层表面蒸发散热： O e v a = 1 “ ·m ( W ／m 2 ) ( 2 ) 式中r 一冰层表面升华过程吸热量，取r = 2 4 2 0 ( J ／k g ) m ——冰层表面水蒸气蒸发量( K g ／m 2 s ) ，对于T o 温度下m 值确定见后 2 ) Q c o n v ：冰层表面与空气的对流换热量( W ／m 2 ) Q c o n v = a c a ·( to - - t w ) ( W ／m 2 ) ( 3 ) 式中q 。

a _ 一冰层表面与空气的对流换热系数，取1 7 ( W ／m 2 ℃) ； to 一冰层表面温度( ℃) ； t ——室外空气温度( ℃) ，一般取t 一1 2 ℃； 3 ) Q r a d ：冰层表面与外界的辐射换热量，包括与空气的辐射换热量和与天空的辐射换热量： ％= 仍．而s 嘶s ．1 ( 焉] 4 一( 孟] 4l c W ，m 2 ，c 4 ， 式中C 卜黑体的辐射常数，取5 ．6 7 ( W ／m 2 k 4 ) ； E o s ——围护结构外表面与天空辐射面间辐射系统黑度，对长波热辐射E o s = 0 ．9 7 ； 1 l ，o s ——为围护结构外表面对天空的辐射角系数，可认为围护结构外表面与天空构成 封闭系统，对水平面来说取W o s = l ； T o ——围护结构外表面绝对温度，即冰面温度( K ) ； 砖——天空当量绝对温度( K ) ，见公式( 8 ) 公式( 4 ) 可以改写成下式： Q 刎= ∞·面s ．I ( 焉卜( 焉) 4 | + ∞·肋·l ( 焉) 4 一[ 磊] l ㈣ 公式( 5 ) 式中前一项为围护结构外表面对周围假想黑体( 其温度取室外空气温度T 。

) 之间辐射 换热量；后一项为空气与天空之间的辐射换热量，此项通常称为夜间辐射工程中一般忽略后一项， 使热负荷计算值偏小，但对以保证室内温度为主的一般工程是适用的 把围护结构外表面( 即冰层表面) 对周围假想黑体表面之间辐射换热量( 公式( 5 ) 的前一项) 写成以下的样式： Q 删= a ' r a ( t o —t ) 另从公式( 3 可得冰层表面与空气的对流换热量： Q ·( t o —t w ) 由资料查得：ac a = 1 7 ( W ／m 2 ℃) ，ar a = 6 ( W ／m 2 ℃) 两式和并为： Q = ( 彩) ·( t o —t ) = a w ‘( t o —t ) ( 6 ) Q 为一般工程中考虑辐射因素的围护结构外表面与室外空气的换热量，aw 即为工程中常取的外表 面换热系数，其数值为2 3 W ／( m 2 ℃) ，包含了外表面对流换热的全部和外表面辐射换热的一部分， 忽略了公式( 4 ) 中的后一项 为确保本工程中即使是夜间也不产生结露，我们不忽略公式( 4 ) 中的后一项，并引入新概念“室 外空气综合温度”tZ ，用来代替tW 作为稳定传热中的室外空气温度。

T z 由公式( 7 ) 求得 铲铲扣肋s 惝4 一( 剐 式中t 一1 2 CT w = 2 7 3 —1 2 = 2 6 1 ( K ) aw - - - - 2 3 ( W ／m 2 ℃) C b = 5 ．6 7 ( W ／m 2 k 4 ) ： E o s = 0 ．9 7 乃：扼瓦五而．m ( 8 ) ( 7 ) 式( 8 ) 中E a ——室外空气中水蒸汽分压力( k p a ) ，由式( 9 ) 求得： E a L a ：旦 ( 9 ) = 一 I y ) 0 ．6 2 2 + d ～ 式( 9 ) 中B ——大气压力1 0 1 ．3 2 5 ( k P a ) d ——含湿量， 冬季北京地区取d = 0 ．8 ×1 0 3 ( k g ／K g 干空气) 将上述已知数据带入公式( 7 ) 后得tz = 一1 6 ．6 即当考虑公式( 4 ) 中后一项时，室外空气 计算温度为tz ，比平时我们取的tw ( 一1 2 ℃) 要低它所代表的物理意义是：如冰层表面与外界 的辐射换热量部分完全并入对流传热，当外表换热系数取2 3 ( W ／m 2 ℃) 时，室外计算温度应取t W = t z = 一1 6 ．6 ℃，为保证冬季夜间不结露，本工程这样计算是安全和必要的。

1 ．2 冬季设计计算 玻璃廊传热及各层温度如图3 所示，分为冰面蒸发传热和冰面层与空气的对流传热两部分因 白天和夜间空调送风情况和室温不同，因此以下分别从白天和夜间的不同情况加以分析 Q ．v a ‘v 『叫6 ：6 e C l = 2 s w ／r r f ℃ Q n f ℃ 十 ＼夕 塑L $t 姒 一 L O 趁之弦蜀2 囊乞冱露复勿夹层玻璃屋顶臣Z 弦2 Z 夏宠厄蕴z z 蕴z 荔z 《2 羽j 嚏屎墩燎厘J 搬 t ．：2 0C o 图3 冬季传热示意 ( 1 ) 白天计算过程如下： 已知：白天室内温度t 2 0 “ C ，相对湿度3 0 ％，其露点温度为l 2 ℃；空调系统送风平均风速为3 r r d s ( 实际工程出风口风速6m ／s ，取衰减后的平均值) ，按此风速查得玻璃内表面换热系数Q 2 2 4 ．4 ( W ／m 2 ℃) ；室外温度按t _ = 一1 6 ．6 “ C 计，换热系数Q - = 2 3 ( W ／m 2 ℃) ： 冰层表面升华过程吸热量r = 2 4 2 0 ( J ／k g ) ； 假设1 0 c m 水均结为冰，冰层热阻R 冰= 6 冰／入= O ．1 ／2 ．2 2 = 0 ．0 4 5 ( m 2 ℃，w ) ； 玻璃顶热阻R 玻璃= 6 玻璃／九+ R 空气= 0 ．5 ／0 ．7 6 + 0 ．1 4 = 0 ．8 0 ( o * C ／W ) 。

计算中忽略白天太阳辐射热的影响 1 ) 按以下方程式( 室内空气与冰面之间的传热= 冰面与室外空气之间的传热) 计算冰面温度T o 和传热量Q c o n d ． Q c o n d = 了—I ] L 一= a w ·( t o - t Ⅳ) + ，．·m 砉+ R 玻璃枷冰 公式中T o 和m 为未知数，经试算后，当t0 = 一1 2 ．6 7 “ C ，m = 0 ．0 0 7 5 ( K g ／m 2 s ) 时，公式两端相等 且Q c o n d = 1 0 8 5 3 ( W ／m 2 ) 2 ) 按下式( 玻璃外表面与冰面之间的传热) 验算玻璃外表面温度，得t w = 一7 ．7 8 C 0 ℃，即l O c m 水均结冰 Q c o n d = ：婴 ：垒 一 尺冰 3 ) 按下式( 室内空气与玻璃内表面之间的传热) 验算玻璃内表面温度t n ，校核是否结露，得出玻璃 内表面温度t l = 1 4 ．5 5 ℃，大于1 ．2 ℃的露点温度 Q c o n d = 口 ( f 1 ) 实际白天室外空气温度t w 比计算温度高，因此计算出的传热量和玻璃内表面温度均偏于安全， 白天在空调系统打开的情况下，玻璃顶不会结露。

( 2 ) 夜间计算过程： 已知：空调系统关闭，仅靠少量风机盘管值班采暖，室内温度t l II O C ，由于风速较小，取玻 璃内表面换热系数Q 8 ．7 ( W ／m 2 ℃) ，假设含湿量与白天相同，露点温度为1 ．2 “ C 室外、围护结 构计算参数和计算过程同白天 1 ) 计算传热量和冰面温度，得Q c o n d = 6 6 ．3 8 ( W ／m 2 ) ，t 0 = 一1 4 ．2 8 “ C 2 ) 验算玻璃外表面温度，得t s 2 = 一1 1 ．2 9 “ C 0 ℃，1 0c n l 水全部结冰 3 ) 验算玻璃内表面温度，得t s l = 2 ．3 74 C ，大于1 ．2 “ C 的露点温度因此夜间在空调系统关闭、仅值 1 4 7 班采暖的情况下，玻璃顶也不会结露，但玻璃内表面温度较接近露点温度，极限情况下有结露 危险 3 ．夏季冷负荷分析计算 由于玻璃表面覆盖有1 0 c m 的水，夏季的阳光需穿过水及玻璃才能进入室内，这与平时阳光透过 玻璃赢接进入室内的空调负荷计算是不同的，下面就此问题进行分析 3 ．1 计算水池温度场 为求得瞬时传入室内的热量，需要确定水池的温度场，将水深划为若干层，忽略水层自然对流 作用，仅考虑热传导。

水池水层分作如图4 所示的三层，项层厚度是其余两层的一半，图中t 为各 层温度( 定义与上述冬季不同) 可以认为顶层水面吸收的热量为1 ／S Q x ，中层和低层水面吸收的热 量都为2 1 5 Q x Q x 为水体吸收太阳热) ·t 0 ——————订———一玻嫡 t i 图4夏季水下廊温度场示意 按各层传热建立热平衡方程式： 顶层水： 中层水： 喜甄+ 吼‰1 ) = m ” 詈@ + 毒去= 高焉两∞， 奴仅 ( 1 0 ) r 2 罕t 2 - - t 32甄13--1'4 ( 1 2 ) 仅‰砧 一 低层水： 玻璃表面： ( 1 3 ) 警 旱百 ，一 一‰ 鸶砧巫氖 公式( 1 0 ) 至( 1 3 ) 的等号前项为围护结构各层从室外方向的得热量，后一项为各层向室内方向 和向室外方向的失热量以下依次进行计算： ( 1 )水体吸收太阳热Q x Q x = E t ·J ( 1 4 ) 式中Q ——水的吸收率，Q ：1 一p —T ，假设水面静止，水面反射率p = 0 ．0 4 ，水面透射率1 —0 ．5 9 ， 则Q = 0 ．3 7 J ——太阳总辐射照度，根据《采暖通风与空气调节设计规范》，北纬4 0 0 C ( 透明等级四 级；下午1 3 时；水平面) 时J = 9 1 9 W ／m 2 计算( 1 4 ) 式得Q x。