北方农村传统采暖方式与室内热环境研究

论文摘要

我国北方农村建筑采暖技术转换与更新的关键是对既有传统采暖形式的改进与创新。论文在大量的现有理论整理、现场调研与热物理环境测试的基础上,对我国北方农村传统民居的各种采暖方式进行了介绍与热过程的描述,并系统地研究了最典型的火炕采暖民居建筑在冬季采暖期的热过程。根据动态热平衡理论,通过对火炕采暖民居室内空气与内外表面动态热平衡的分析,建立了其室内热环境动态热过程的通用数学模型。运用反应系数法对火炕采暖民居动态热过程数学模型进行离散求解。在只计算火炕表面与室内其他各表面的辐射换热,而忽略室内其他各表面之间的辐射换热的情况下,给出了此房间的简化分析模型；在忽略火炕内部各表面辐射换热的情况下,给出了火炕的简化分析模型。将两种模型联接,在火炕不同的运行模式下,给出了火炕采暖民居室内空气温度与炕面温度的逐时数值解析解。给出了火炕采暖民居太阳辐射得热与长波辐射得热的计算方式,并对其内外各表面换热系数的取值方法进行了研究。根据满足人体舒适时的室内空气温度与MRT的关系,在炕面温度取舒适值并且室外计算温度按标准取值的条件下,确定了其室内空气温度的舒适值范围。在此基础上,根据火炕采暖民居内有一面高温辐射源的特殊性质,在室外计算温度波动的情况下,对其室内表面逐一给出总换热系数的取值范围,并根据辐射换热系数与对流换热系数的比例得到火炕表面辐射换热量占70%左右的结论。采用MATLAB编写了火炕采暖民居的室内热环境数值计算主程序与求解反应系数的子程序。通过计算结果与现场测试结果的对比验证,证实了上述数学模型能较准确地反应火炕采暖民居在冬季采暖期的实际运行情况。最后通过改变模型输入参数得到的数据与实际测试数据进行对比,提出了改善火炕采暖民居冬季室内热环境应采取的措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 北方农村各种采暖方式
• 1.1.1 火炕采暖
• 1.1.2 火墙采暖
• 1.1.3 土暖气采暖
• 1.1.4 火炉采暖
• 1.1.5 综合分析
• 1.2 本论文研究背景及意义
• 1.3 国内外研究状况
• 1.3.1 关于传统民居室内热环境研究
• 1.3.2 关于农村传统采暖方式的研究
• 1.4 本论文主要内容与研究思路
• 1.4.1 本论文主要内容
• 1.4.2 本论文研究思路
• 2 火炕采暖房间动态热过程
• 2.1 火炕采暖房间建筑热过程
• 2.1.1 建筑热过程概述
• 2.1.2 供暖房间热过程图解
• 2.1.3 火炕采暖房间热过程分析
• 2.2 地表太阳辐射强度
• 2.2.1 直射辐射强度
• 2.2.2 天空散射辐射强度
• 2.2.3 地面反射辐射强度
• 2.3 透过窗户的太阳辐射
• 2.4 围护结构外表面换热系数
• 2.4.1 外表面长波辐射换热
• 2.4.2 外表面换热系数的近似计算
• 2.5 围护结构内表面换热系数
• 2.5.1 内表面换热系数的近似计算
• 2.5.2 各壁面对流与辐射热量比例
• 2.6 围护结构传热基本模型
• 2.6.1 室内空气热平衡方程
• 2.6.2 围护结构内表面热平衡方程
• 2.6.3 围护结构外表面热平衡方程
• 2.6.4 围护结构传热控制方程
• 2.7 火炕传热基本模型
• 2.7.1 火炕内空气热平衡方程
• 2.7.2 火炕内表面热平衡方程
• 2.7.3 火炕外表面热平衡方程
• 2.7.4 火炕结构传热控制方程
• 2.8 火炕采暖民居热过程通用模型
• 3 火炕采暖房间数值计算
• 3.1 火炕采暖房间数学物理模型
• 3.1.1 基本假设
• 3.1.2 物理结构模型
• 3.1.3 室内热平衡方程组
• 3.1.4 室内热平衡方程简化分析
• 3.2 火炕数学物理模型
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 物理结构模型
• 3.2.3 火炕内热平衡方程组
• 3.2.4 火炕内热平衡方程简化分析
• 3.3 火炕采暖房间与火炕耦合模型求解
• 3.3.1 恒温模式
• 3.3.2 连续加热模式
• 3.3.3 间歇加热模式
• 3.4 实测条件
• 3.4.1 测试时间与地点
• 3.4.2 测试自然条件
• 3.4.3 实测建筑介绍
• 3.4.4 测试方案
• 3.5 测试结果
• 3.5.1 烧炕对有关温度的影响
• 3.5.2 室内空气温湿度的变化
• 3.5.3 内外墙表面温度的变化
• 3.6 计算条件
• 3.6.1 几何参数
• 3.6.2 热工参数
• 3.7 模型验证与误差分析
• 4 火炕采暖房间室内热环境改善
• 4.1 室内热环境指标
• 4.1.1 人体对应的平均辐射温度
• 4.1.2 室内作用温度
• 4.1.3 实例计算与分析
• 4.2 火炕性能优化设计
• 4.2.1 火炕运行方式
• 4.2.2 炕板热容量
• 4.2.3 火炕布置位置
• 4.2.4 火炕所在房间密闭性
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 附录Ⅰ 计算室内温度与炕面温度程序
• 附录Ⅱ 反应系数计算程序
• 附表Ⅰ 各处空气温度与炕面温度数据
• 附表Ⅱ 各壁面温度与室内外空气温度数据