大空间建筑,如体育馆、机场航站楼,由于其较高的人员密度和空调能耗经常有大量的内部得热和得湿[1]。然而,当室内外温差较大、建筑上下开口高差较大时往往会在高大空间建筑上部开口处形成较大的热压差,形成自然通风进而减少空调系统的使用，达到节能的效果,并为室内提供新鲜、清洁的自然空气[2]。Lomas等[3]指出自然通风适用于有限范围内的气候、场地和建筑类型,但是对于采用自然通风的建筑,比如利用烟囱效应驱动浮力流动,可以增大自然通风适用范围,其中有效上部开口也是一个很重要的设计参数。Schulze等[4]发现建筑开口对自然通风有着重要的影响,夏季自然通风的冷却潜力和室内的热舒适性很大程度上取决于自然通风策略。文献[5]研究了室内得热和开口位置对自然通风的影响,进而确认了建筑开口的最佳位置在建筑的顶部。Lin等[6]建立了均匀混合的单体高大空间热压通风效应模型,分析不同类型大空间屋面开口率特征,对比台北、台中、高雄3个城市不同空间高度下的自然通风率和显热冷却潜力,且在150 W/m2显热冷负荷前提下,计算出当屋面开口率大于0.9%时热压通风可以满足室内热舒适要求。Huang等[7]对上海国际体操体育馆进行了为期一年的实测,发现在夏季室内垂直方向上的温差达到了12 ℃而过渡季为2 ℃,不同的季节和不同的开口特征对节能有着重要的影响。Said等[8]对加拿大一个机场的8个飞机机库建筑进行了实测,发现下部空气层存在着较大的温度梯度,垂直温度系数为0.8～2.6 ℃/m时,上部空气层的垂直温度系数是0.5 ℃/m,得出热分层对建筑热负荷有着重要的影响。Pan等[9]指出在有玻璃幕墙的高大中庭建筑中,将传统混合空气模型的均匀室内温度设为室内状态点会给能耗计算带来很大的误差,通过实测验证了自定义室内空气模型下能耗计算具有更高的准确性。Zhai等[10]用EnergyPlus软件计算了自然通风建筑不同开口下的室内温度,通过比较得出有效的通风面积是非常重要的。

作为大春的朋友，我很难想象成绩卓著的企业老总，何以如此慑于民间社团的“威力”。于是一次在他的邀请之下，我欣然前往陪同接待一家前来调研的社团，一探其中奥秘。

本文主要通过实测获得高大空间垂直方向上的温度分布,利用热分层下的热压模型，计算南京、重庆、广州3个城市不同室内热源的各月室内自然通风量和室内温度。在满足平均自然通风换气次数不小于2次/h和室内热舒适这两个标准的情况下,得出建筑最优下部开口面积与上部开口面积比(上下开口比，Rab)范围和3个城市不同内热源时可利用自然通风的月份以及各月份自然通风热舒适时数,并研究室内热源对自然通风的影响。

1 建筑内垂直方向上的温度实测

本文实测的对象是南京工业大学消防实验楼,尺寸为长45 m、宽15 m、高16 m,每个窗户的尺寸是高2.7 m、宽2.2 m,东面墙上有16扇窗户,西面墙上有8扇窗户。实测的时间为9月20日至9月28日。测量仪器采用铜-康铜热电偶,如图1所示，利用轴丝并联各个热电偶，分别布置在建筑的南侧和中部，形成两个测量组,分别为A组和B组,每组分布有7个热电偶，分别布置在1.5、4、6、8、10、12、14 m高度处,另外在室外也布置了一个热电偶用于采集室外的温度参数,所有热电偶连接到agilent34970a数据采集仪上,采集仪收到1～5 V电压信号，然后输出信号经笔记本电脑转换成温度值。在测量期间所有的门窗关闭,室内设备和人员都比较少,室内的热源较小。

例如：在“研究碰撞系统动量变化规律”时，为了体现探究的完整性，笔者曾尝试过将实验数据探究和理论分析放在一节课上完成。结果发现，由于时间仓促，学生并没有真正掌握数据处理的方法，而理论分析也由于时间仓促而流于形式。而后将“理论分析”让学生在课外探究，结果表明，这种处理方式其实是两全其美的。学生在课堂上既能充分理解、掌握实验数据的科学处理方法，同时还能激发课外进行理论探究的兴趣。

  

图1 消防实验楼热电偶布置示意图Fig.1 Fire Laboratory Building (FLB) scene and its experimental arrangement

  

图2 消防实验楼内实测温度随时间变化分布(9月24日)Fig.2 Measured temperatures following with time in FLB(September 24th)

以9月24日的测量结果为例，如图2所示。由图2发现：在早晨和晚上室内外温度都较低,在中午和下午都较高,并且室内温度变化较室外温度小。室内温度峰值相比于室外有延迟的迹象,滞后了3～4 h,这是由于建筑的维护结构材料具有蓄热性,室外热流通过墙体传入室内时会出现衰减和延迟的现象,通常墙体重质程度越高,这种现象越明显。但是这个现象在早晨和晚间就不太明显了,最明显的时间段出现在12:00—18:00,这是由于室外温度较高、太阳辐射较大和围护结构的强化传热,使得室内得热量急剧增大,房间不同高度处的得热量出现不均的现象，从而导致室内温度在垂直方向上呈现不同的分布。如图3所示,9月24日实测的温度值在垂直方向上呈线性分布的趋势,通过拟合发现垂直温度系数范围为0.1～0.24 ℃/m,拟合的相关系数R2在0.95左右,垂直温度系数在12:00—16:00时呈增大趋势,16:00—18:00时呈减小趋势,最大值出现在16:00时。通过以上的实测结果,建立建筑室内垂直方向上的温度分布模型,按温度梯度法[10-11]得式(1)。

  

图3 A组在相同时刻不同高度处温度实测与拟合(9月24日)Fig.3 Measured temperatures and their fittings at different heights of group A at the same time (September 24th)

 

Th=Tn+α(h-2)

(1)

式中:Th为不同高度h处的温度,K;Tn为工作区的温度,K;α为垂直温度系数,随着室内热源的变化而变化,K/m。

2 基于热分层的热压模型

如图4所示,Aa为上部开口面积,Ab为下部开口面积,Hn为中和面到下部开口的距离,H为上部开口到下部开口的距离(约为建筑的高度),中和面为室内某一高度的压力和室外大气压(patm)相等的水平面。

  

图4 有无热分层的热压模型示意图Fig.4 Schematic of thermal pressure effect model with and without vertical temperature gratitude

通过实测值与CFD模拟值的对比,一方面用CFD模型证实了实测得出的热分层现象,另一方面用实测值对CFD模型进行验证,得到较为准确的CFD模型,对热分层的热压模型进行验证。在CFD模型中边界条件参照数学模型中的初值：室外温度为14 ℃;不考虑太阳辐射;上下开口的面积分别为11.9和23.8 m2、边界分别设为压力出口和压力进口;地面热源大小分别为50、100、150 W/m2，其他壁面设为绝热。比较热分层热压模型和CFD模型在不同热源下的室内温度(tn)、单位地板面积通风量l,结果如表2所示。室内垂直方向上温度分布如图6所示。

 

(2)

式中:pain和paout分别为上部开口室内和室外的气压；pbin和pbout分别为下部开口室内和室外的气压；ρn为从地面到2 m高度处的空气密度，视为恒定,并且取决于工作区的温度,kg/m3;ρ为室内2 m高度处到顶部的空气密度，随着高度h的变化而变化,kg/m3;ρo为室外空气密度，取决于当地大气压和室外空气温度(To)，kg/m3;g为重力加速度,取9.8 m/s2。理想气体状态方程为

 

(3)

式中：Rg为气体常数,大小为287 J/(kg·℃)。

基于质量流量流动守恒,上部开口面积和下部开口Ab的进出流量相等,可以表示为

 

(4)

式中:M为自然通风质量流量速率,kg/s;Ca和Cb分别为上部开口和下部开口流动系数;ρH为高度H处空气密度,kg/m3。

情况 7.2 若f3(v)=1,此时最坏的情况是v点关联8个6-面,一个(3,3,9)-面,v的非三角邻点均为3-点,且它们各自还关联着一个3-面。由R1,R2.1,R3.1或R3.2或R3.4及最坏3-面9+-点情形得

 

(5)

式中:Af为地板面积,m2;TH为高度H处的温度；cp为比定压热容，J/(kg·K)；q为单位地板面积室内热源,W/m2,当q>0,表示自然通风有冷却的潜力,结合ρH的表达式(3),可以联立得到式(6)。

 

(6)

基于To、q、α、H、Ab、Af和Aa这几个参数值可以结合式(1)～(4)和(6)用Matlab编程计算得出Tn、Hn和l的大小。设置工作区的温度Tn=To,再赋给Hn一个初值,然后将这些初值代入基于热分层的热压模型进行迭代计算,温度Tn步长为0.01 K,Hn步长为1 m,最后通过上下开口的自然通风量(ma和mb)和通风排热量m三者之间的误差作为算法收敛的条件,收敛标准为|m-ma|/m<0.01和|m-mb|/m<0.01。

3 模型验证

使用CFD模型的Fluent6.3模拟软件，验证热分层的热压通风模型。首先验证实测得到的室内热分层现象,利用EnergyPlus能耗模拟软件建立高大空间物理模型,以实测当天的天气文件作为边界输入,模拟得到建筑墙壁温度,如表1所示,以此作为Fluent模拟的边界条件,从而验证热分层实测结果,如图5所示。

 

表1 EnergyPlus模拟各个壁面的温度值Table 1 Wall temperatures from EnergyPlus

  

位置屋面地面窗户北墙南墙西墙东墙室外温度/℃28 0624 5528 4728 1628 4728 4928 2726 53

  

图5 CFD模拟值与实测值对比Fig.5 CFD simulation versus site measurement

由图5可见：实测值曲线和模拟值曲线较为贴合,但是在2～6 m高度处模拟的温度值较高,这是由于实测地处于山的背阴处,较低的地面温度对2～6 m高度处有低温辐射，CFD模拟中不能体现这一特点,所以模拟的温度值较高、模拟偏差较大。在10～16 m高度处实测温度较高,这是由于室内混凝土梁较多,在16：00时混凝土梁蓄热较多,梁体温度较高,使得靠近梁体的实测点温度较高,加大了模拟误差。

上部开口和下部开口的室内外压差Δpa和Δpb分别为

由表2可得：在q分别为50、100和150 W/m2时,对比热分层热压模型和CFD模型计算的tn和l。CFD模型和热分层热压模型计算的室内温度误差为0.8%～6.4%,通风量误差为3.1%～5.6%。如图6所示,通过CFD模拟得到的室内垂直方向上的温度分布,当q=50 W/m2时,通过拟合线得出的斜率即垂直温度系数为0.18;q=150 W/m2时,CFD模拟得出的垂直温度系数为0.34;q=100 W/m2时,CFD模拟得出的垂直温度系数为0.4。CFD模拟得出,在不同室内热源下,室内垂直温度系数也呈不同分布,室内热源越大,室内垂直温度系数也越大。

 

表2 CFD模拟值与模型模拟值对比Table 2 CFD simulation result versus mathematical results

  

模型tn/℃l/(m3·m-2·s-1)50W/m2100W/m2150W/m250W/m2100W/m2150W/m2热分层热压模型14 2314 7014 950 01320 01690 0194CFD模型14 3514 2414 290 01280 01790 0212误差/%0 83 26 43 15 64 6

  

图6 CFD模拟室内垂直方向上不同高度处温度值及其拟合Fig.6 CFD simulation of temperatures and their fittings in different vertical directions in the room

4 室外空气参数

1)围护结构的热惰性导致温度分层温度峰值出现时刻滞后于室外,大小也弱于室外峰值;同时温度分层随室外温度的升高而加剧,在早晚基本无分层,而在12:00—18:00分层最为显著。

  

图7 室外月平均温度和相对应的月热舒适温度Fig.7 Outdoor and indoor air temperatures of three cities in China

5 室内人员活动区空气温度

5.1 室内热舒适温度

自然通风下,基于室外月平均温度的ASHRAE标准热舒适模型[12]见式(7)。

 

(7)

式中:室外月平均温度to采用中国建筑热环境分析专用气象数据集的相关数为室内月热舒适温度,℃。通常热舒适相对湿度为45%～55%,这里的湿度采用50%。

5.2 室内热源q对室内温度的影响

在垂直温度系数α=0.2 ℃/m和上下开口比Rab=1或10的情况下比较室内热源q分别为50、100和150 W/m2时的室内温度分布情况。基于优化的热压模型和室外月平均温度(图7),在同一物理模型(长45 m、宽15 m和高16 m)下,当地板面积Ab=23.8 m2时,计算南京、重庆和广州室内工作区温度,结果如图8所示。

从通风排热的角度看,单位地板面积通风量l可以表示为

社会资本视角与“社工+义工”的组织化发展具有理论的契合性。从专业化发展路径来看，社工与义工关系大致经历了平等合作——专业分离发展——重建合作的道路。从志愿服务自始至终的包容性发展反观社工追求专业化和职业化的曲折路径发现，在多元福利服务背景下重建社工与义工平等合作关系具有现实的必要性。为了进一步明确社会工作与志愿服务的关系，接下来将简单梳理二者关系发展脉络以及研究现状。

  

图8 不同室内热源q下α=0.2 ℃/m和Rab=1或10室内温度分布Fig.8 Occupied air temperatures under different q with α=0.2 ℃/m and Rab=1,10

由图8可得：在相同的情况下,由于广州全年室外温度最高,广州室内的温度也最高,依次是重庆和南京。但是在7、8月,由于3个地区都处于全年的高温时段,3个地区的室内温度也大致相同。同一城市,q越大,室内温度越高,且随着Rab变大,室内热源增大,室内热量急剧积累导致室内温度急剧增高。室内热源以50 W/m2的幅度递增,在Rab=1时,各月室内温度大概以1 ℃的增幅增大;Rab=10时,室内温度则以6 ℃左右的增幅增大。

  

图9 不同α下q=150 W/m2和Rab=1或10室内温度分布Fig.9 Occupied air temperatures under different α with q=150 W/m2 and Rab=1,10

5.3 垂直温度系数对室内温度的影响

在q=150 W/m2和Rab=1或10的情况下比较垂直温度系数α分别为0、0.2、0.3和0.4 ℃/m时室内温度大小。在同一物理模型(长45 m、宽15 m和高16 m)下,当地板面积Ab=23.8 m2时,计算南京、重庆和广州室内温度,结果如图9所示。

由图9可得：在同一垂直温度系数情况下,由于广州地区冬季和过渡季的室外温度比其他两个城市高,所以在图9(a)中广州室内温度最高,但是在夏季的7、8月,由于3个地区都处于全年的高温时段,室外温度大致相等,所以3个地区室内温度也相近。同一城市,室内温度随着垂直温度系数的增大而减小,且垂直温度系数由0.3增大到0.4时室内温度减小幅度较大。比较图9(a)和9(b)可知：在同一垂直温度系数下,随着Rab的增大即上部开口面积减小,室内温度增大;同一城市、同一垂直温度系数下,Rab从1增大到10,室内温度增加了10 ℃左右。

6 不同To、q、α和Rab下3个城市各月通风量l分布

在不同α、q以及Rab=1或10的情况下,比较室内单位地板面积通风量随月份和开口比大小的分布情况。基于优化的热压模型,在同一物理模型(长45 m、宽15 m和高16 m)下,当地板面积Ab=23.8 m2时,计算南京、重庆和广州室内单位地板面积通风量,结果如图10和11所示。

  

图10 3个城市不同q和α下各月单位地板面积的通风量Fig.10 Ventilation volume ratel of three cities for months under different q and α

  

图11 3个城市不同q和α下l随Rab的变化分布Fig.11 Ventilation volume ratel of three cities with Rab under different q and α

综上所述，本文针对F市H社区的公共消防安全供给问题进行描述和分析，根据H社区当前公共安全服务供给的现状，以及在探索新模式的过程出现的一些问题，提出了公共消防安全联动机制供给的新思路。 城市公共安全服务供给的总体趋势是社会化多元主体共同供给，从“指令型”逐步向“开放型”社会联合供给模式转变，社区居委会和消防中介组织是其中不可或缺的参与力量，只有体制内和体制外两股力量形成合力，里应外合，形成三位一体的联动机制，才能满足人民群众日益增长的多样化公共消防安全需求，提高基层政府供给效率和能力，使得基层的公共消防安全的供给真正服务于人民、受惠于民。

7 基于基准通风量和热舒适温度标准下的可利用上下开口比范围

使用基于热分层热压模型计算在3种不同室内热源下可利用上下开口比范围,获得相应的室内最高和最低热舒适温度(tnmax和tnmin)得到3个城市各月室内平均温度的逐时值,然后结合热舒适模型计算的每月热舒适温度区间,得到各月热舒适小时数。以南京9月为例,图14为室内外温度的逐时变化曲线(Rabmax和Rabmin分别为最大和最小可利用上下开口比),进而统计出热压通风在全年各月的可利用时数占各月总时数的百分比,如图15所示。

从图10(a)可知：同一城市,室内热源强度对室内通风影响较大,随着室内热源增大,室内单位地板面积通风量增大;垂直温度系数对室内通风影响较小,随着垂直温度系数的增加,室内单位地板面积通风量减小。对比图10(a)和10(b)可知：随着上下开口比Rab的增大,即上部开口面积减小,室内单位地板面积通风量减小,通过图11可以很直观地得出室内单位地板面积通风量随着Rab的增大而减小,由于Rab增大,上部开口面积减小,弱化了室内的热压效应,使得热压驱动的自然通风量减小。

  

图12 南京9月在满足基准通风量和热舒适条件下可利用上下开口比的范围Fig.12 Available Rab with requirements of thermal comfort and ventilation rate for Nanjing at September

  

图13 3个城市在满足基准通风量和热舒适条件下不同热源的各月可利用上下开口比的范围Fig.13 Available Rab with requirements of thermal comfort and ventilation rate for the three cities at each month

由图13可得：3个城市相比而言,广州具有夏热冬暖型的气候特点,所以可通过调节上下开口比强化热压通风达到室内热舒适的月份最多。从季节角度看,3个城市在过渡季节利用自然通风达到热舒适月份最多,并且可利用上下开口比范围也较大,所以在过渡季节应尽量使用建筑开口强化自然通风以达到节能和提高室内热舒适性;而冬季和夏季利用自然通风达到室内热舒适的月份较少且可利用上下开口比的范围较小,所以在冬季和夏季应当尽可能地减小上部开口面积,弱化自然通风以保持室内热舒适性。从室内热源角度分析,在冬季室内热源较大时,可以通过设置开口引进室外风,提高室内的热舒适性;而在过渡季,当室内有热源或热源较大时应当设置开口,增大开口面积,利用热源强化下的热压引进室外风消除室内余热提高热舒适性。

8 各月热舒适时数

通过Matlab计算各月不同q和Rab时的室内温度,由基准通风量和热舒适模型两个标准得到3个地区不同室内热源下各月可利用Rab范围，基准通风量为0.008 9 m3/(m2·s)，热舒适模型是以为中心的±25 ℃温度区间，得90%的室内人员可接受室内环境温度区间，tnmin为热舒适温度下限，tnmax为热舒适温度上限。以南京为例,如图12所示,通过热舒适模型和基准通风量这两个标准得到各月热舒适温度线和通风量基准线,然后在x轴投影得到区间,即为可利用上下开口比范围,即得到南京9月室内热源q分别为50 W/m2(α=0.2 ℃/m)、100 W/m2(α=0.3 ℃/m)、和150 W/m2(α=0.4 ℃/m)时的可利用上下开口比范围。在满足基准通风量和热舒适条件下,3个城市不同热源的各月可利用上下开口比范围如图13所示。

由图15可得：在不同的室内热源下,室内各月热舒适时数占总时数的百分比为30%～70%,但是随着热源强度的增大,冬季室内热舒适时数增大;夏季室内热源强度增大时,室内热舒适时数减小。过渡季,3个城市通过热压通风达到的热舒适时数较多,夏季和冬季热舒适时数较少。相比于其他两个城市,广州利用热压通风达到室内热舒适时数最多,且多体现在过渡季,而在夏季3个城市室外温度都较高,所以热压通风达到的热舒适时数较少。Rabmin和Rabmax对室内月逐时热舒适时数影响较小。

  

图14 南京在可利用上下开口比范围内9月份室内外每小时平均温度(q=50 W/m2，α=0.2 ℃/m)Fig.14 Outdoor and indoor hourly mean temperature under available Rab conditions for the Nanjing in September(q=50 W/m2 and α=0.2 ℃/m)

9 结论

南京、重庆和广州的夏季都比较炎热。3个城市夏季7、8月份的月平均温度几乎都达到了29 ℃,广州地处夏热冬暖气候区,冬季和过渡季室外温度较高,其次是重庆,南京冬季和过渡季的温度相比于这两个城市较低。本文选取的室外气象参数来源于清华大学和中国气象局气象信息中心气象资料室合作开发的气象资料[12]，通过优化整理得到应用于建筑热环境分析的典型气象年室外月平均温度参数。以南京、重庆和广州地区室外月平均温度(to)，计算得到南京、重庆和广州地区高大空间室内月平均温度(图7)和热压通风量。

  

图15 3个城市在可利用上下开口比Rab下当q=50(α=0.2 ℃/m)、100(α=0.3 ℃/m)、150 W/m2(α=0.4 ℃/m)时自然通风热舒适时数占各月份总时数的百分比Fig.15 Percentage of natural ventilation thermal comfort hours in the total number of months under available Rab conditions for the three cities with q=50(α=0.2 ℃/m)，100(α=0.3 ℃/m),and 150 W/m2(α=0.4 ℃/m)

2)室内热源具有强化热压通风的作用,即室内热源强度越大热压通风量也越大,而垂直温度系数与通风量成反比,垂直温度系数越大通风量越小。

AUY220型电子天平，岛津国际贸易（上海）有限公司；DK-S24型电热恒温水浴锅，上海精宏实验设备有限公司；916型一体式电位滴定仪，上海万捷科技有限公司。

3)在热舒适方面,对比发现不同室内热源下,南京地区可利用开口比范围达到热舒适时数占总时数的百分比范围较小,为35%～55%,重庆各月热舒适时数占总时数的百分比范围为35%～60%,而广州的热舒适时数比例相比于南京和重庆较大,为45%～70%。

近年来，由于社会的迅速发展和教育体系的不断改革，大学生就业面临着严峻的形势，就业压力大，逐渐成为当代大学生急需解决的问题。高校团委服务于大学生的创业问题，有利于提高大学生的综合素质，提升大学生自主创业的意识，促进了个人在当前社会中的适应能力、人际关系能力等基本能力的发展。既可以帮助大学生转变就业观念，从一个求职者转换成为他人提供岗位的创造者，解决了自身的迫切问题，从而实现自我价值，又可以提高创业质量，带动社会经济的发展。

防治小麦锈病主要方法就是加强栽培管理工作，选择抗锈病的小麦品种。适当调节小麦播种时间以及播种量；根据当地气候条件适期播种。在小麦生长过程中做到合理灌溉、科学施肥；病害发生后；亩用100克的代森锌可湿性粉剂，对水30kg喷雾。

4)在热压通风可利用月份方面,当室内热源为50 W/m2时南京和重庆的可利用月份主要在5—9月,而广州可利用的月份较多为4—11月,且随着室内热源的增大,3个城市的热压通风可利用月在增多,当室内热源为150 W/m2 时,广州地区全年都可以通过改变上下开口比,强化热压通风达到室内新风和热舒适要求。

5)就全年热舒适时数分布特点来看,3个城市在过渡季节的5月和9月热压通风热舒适时数较多,在夏季的7月热压通风热舒适时数较少。

6)在实际工程中,南京、重庆及广州的高大空间可根据实际尺寸,确定上下开口比范围并采取合适的自然通风策略,提高室内热舒适性。

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