基于系统辨识理论的多层墙体不稳定传热分析方法的研究

摘要

随着社会的发展和人民生活水平的提高,人们对室内人工环境的要求也越来越高.室内负荷的正确预测对保证室内环境质量、节约能源有着重大意义,而由建筑围护结构不稳定传热引起的室内负荷在整个负荷中占较大比例且难以准确计算.传统的分析墙体不稳定传热的方法—直接求根法存在失根、效率低下等诸多问题,一直以来,人们不断寻求更加简单、更高效率的方法来分析其动态传热过程. 由于建筑设计的需要,出现了越来越多的圆柱形的墙体和半球形的屋顶结构,而现有的负荷计算程序并没有考虑这两种类型结构对室内负荷的影响.为了弥补现有负荷计算和能耗分析程序的不足,该文用拉氏变换导出了圆柱形、球形墙体的传递矩阵.较平壁而言,这两种围护结构传热、吸热s-传递函数形式更加复杂,用常规的方法计算它们的反应系数或导热Z传递函数系数难以进行,且无法保证计算精度.而采用FDR方法同样可以从圆柱形、球形结构瞬时传热的理论频率特性中构造出一个多项式s-传递函数,并以此计算反应系数和导热Z传递函数系数.计算实例表明,用该方法分析圆柱形、球形结构不稳定传热过程同样是简单易行的,并且计算结果准确可靠.第一章绪论 研究围护结构的不稳定传热过程对室内冷热负荷的影响一直以来都是空调研究工作者的一个重点课题.现有的室内负荷计算程序和能耗分析程序在求解墙体瞬时传热时所采用的方法各异,但都存在一些无法避免的问题.开发简单可靠、易于编程实现的分析围护结构瞬时传热的新方法对准确预测空调设计负荷、建筑物年能耗分析和空调系统控制策略选择有着重要意义.第二章墙体瞬时传热传递矩阵 该章用拉普拉斯变换法具体推导了单层平壁、圆柱形及球形结构的瞬时传热传递矩阵,而多层结构墙体的传递矩阵可以通过相应的矩阵乘积及矩阵变换得到.墙体瞬时传热的各种传递函数可以从多层结构总的传递矩阵元素中计算得到.单层结构墙体的特征方程,特别是圆柱形结构和球形结构,是很复杂的超越函数.通过矩阵相乘得到的多层墙体的特征方程形式更加复杂而且难以求得.传递函数的复杂性使得求根困难、失根难以避免,这将使直接求根法很难以进行且无法保证计算结果的可靠性.必须开发简单易行的新方法来分析墙体动态传热过程.第三章基于系统辨识理论重构多层结构墙体不稳定传热新模型 详细论述了基于系统辨识理论重构多层结构墙体瞬时传热新的数学模型的方法—FDR方法的可行性和有效性.在所关心的频域范围内,两个表达形式不同而频率特性一致的数学模型可以认为是两个等价的模型.而多层结构墙体瞬时传热的理论频率响应特性可以通过各层子传递矩阵代入频率变量和矩阵数值乘积得到,这样就可以用适当的辨识算法从墙体传热的理论频率响应特性中重构一个多项式s-传递函数来等价原来理论上复杂的超越传递函数.从而避免了求多层墙体瞬时传热的理论上复杂的传递函数,而对代数多项式的传递函数的动态特性进行分析将简单得多,且可以确保计算的精度.第四章基于构造的多项式s传递函数反应系数及导热传递函数的计算具体给出了以构造的多项式s-传递函数为基础计算墙体反应系数、导热传递函数系数及周期反应系数的方法推导过程.从计算公式可以看出,基于多项式s-传递函数分析墙体动态传热过程有着传统方法不可比拟的优点:避免了求总的传递矩阵的表达式;避免了求复杂的超越函数形式的特征方程的根,从而避免了失根问题;简化了求根过程,提高了计算效率;易于编程实现.第五章验证与分析通过大量的计算实例证明了多项式s-传递函数与墙体动态传热的理论的超越s-传递函数的等价性,FDR方法分析多层结构墙体动态传热特性时的准确性和可靠性.对于直接求根法无法保证计算精度的重型墙体,FDR方法也获得很好的计算结果.文中列出的周期反应系数值应取代Spilter的推荐值作为计算设计负荷时的参考值.该章还对平壁、圆柱形和球形三种结构墙体在相同的温度边界条件下内侧瞬时热流的变化进行了比较分析.第六章结语通过上述研究,认为基于系统辨识理论提出的FDR方法用于分析多层结构墙体动态传热特性有着相当高的计算精度和计算效率,该方法可用于实际的房间负荷预测和建筑物能耗分析程序并能够改善现有的分析墙体动态传热过程的方法.通过以上章节的比较分析得出了一些结论,同时也发现该课题还可以做进一步深入的研究.

目录

文摘

英文文摘

主要符号表

摘要

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2研究历史与现状

1.3本课题研究的内容

第二章 墙体瞬时传热传递矩阵

2.1概述

2.2单层平壁墙体传递矩阵

2.3单层圆柱形墙体传递矩阵

2.4单层球形结构传递矩阵

2.5考虑内外空气边界层的多层墙体传递矩阵

2.6计算步骤

2.7本章小结

第三章 基于系统辨识理论重构多层结构墙体不稳定传热新模型

3.1系统的理论频率特性

3.2基于系统辨识理论多项式s-传递函数的构造

3.3本章小结

第四章 基于构造的多项式s传递函数下反应系数及导热传递函数的计算

4.1反应系数的计算

4.2导热传递函数系数的计算

4.3周期反应系数的计算

4.4计算步骤

4.5本章小结

第五章 验证与分析

5.1平壁墙体传热反应系数的比较

5.2三种结构墙体吸热、传热反应系数的比较

5.3平壁墙体导热传递函数系数的比较

5.4空气夹层墙体CTF系数的比较

5.5周期反应系数的比较

5.6平壁、圆柱形和球形三种结构瞬时热流的比较分析

5.7本章小结

第六章 结语

参考文献

附录

致谢