工业建筑由于工艺的要求,室内常常存在高温热源.高温热源会向室内散发大量的辐射热,对于负荷和室内热环境都产生较大影响.

在计算空调负荷时,一般将热源的所有散热量都认为是以对流的形式散发到室内^[1],Chengchu Yan^[1]在研究中指出,当室内的辐射热强度较高时,忽略内部辐射效应可能导致在计算冷负荷时出现较大错误.因此,需要对建筑内部的辐射效应进行计算,避免负荷计算中产生较大的误差.Zhiwei Lian^[2]等人通过有效辐射法和Chapman法计算热源辐射热在围护结构各表面上的分配比例,可以较精确的计算空调负荷.

室内热源所散发的辐射热,投射在围护结构表面引起温度升高使之成为次生对流源,并以对流散热的形式影响室内热环境^[5].孟晓静等人^[6]通过纯对流模型和对流辐射耦合模型计算结果与实验结果的对比,提出数值模拟中辐射作用是提高工业建筑热环境预测精度的重要因素.

对于高温热源工业建筑,由于工艺的需求,生产通常要在高温状态下进行,生产时温度能够达到500～1 000℃^[7],高温热源辐射散热量能够达到总散热量的80%～90%^[8].因此,准确计算辐射散热量及其在各壁面的分布对热负荷和室内热环境计算具有重要意义.

针对高温热源工业建筑室内各壁面辐射热分布状况,采用净辐射得热强度和净辐射热分配比例进行衡量.净辐射得热强度即各内壁面单位面积净辐射得热大小(W/m²),用于直接反映各壁面所受到的净辐射热的强度; 净辐射热分配比例即各壁面的净辐射得热与热源的净辐射散热之比.

通常情况下,建筑室内热源表面黑度约为0.6～0.8,各围护结构内表面的黑度往往接近于1,因此由n个表面组成的封闭空腔中的辐射传热,可以将围护结构各内表面当做黑体进行简化处理.

对于任意围护结构内表面i,面i与热源的净辐射换热量为:

φ_is=A_iX_i,s(J_s-E_i)(W)(6)

式中,E_i为面i的表面辐射力,J_s为热源的有效辐射,下同.

与其他内表面的净辐射换热量为:

φ_ij=A_iX_i,j(E_j-E_i)(W)j=1,2,…n(7)

面i所接受到的总净辐射热量:

φ_i=φ_is+φ_ij=A_iX_i,s(J_s-E_i)+

A_iX_i,j(E_j-E_i)(W)j=1,2,…n(8)

建筑围护结构各内表温度通常相差不大,因此认为E_i≈E_j,则式(8)可以写成:

φ_i=A_iX_i,s(J_s-E_i)(W)(9)

式(9)中:

J_s=E_s+ρ_s∑ⁿ_j=1E_jX_j,s(W/m²)(10)

则,高温热源工业建筑中面i受到的净辐射热量为:

φ_i=A_iX_i,s(E_s+ρ_s∑ⁿ_j=1E_jX_j,s-E_i)(W)(11)

面i的净辐射得热强度I_i和净辐射热分配比例P_i为:

I_i=(φ_i)/(A_i)=X_i,s(E_s+ρ_s∑ⁿ_j=1E_jX_j,s-E_i)(W/m²)(12)

P_i=(φ_i)/(φ_s)=X_s,i((E_s+ρ_s∑ⁿ_j=1E_jX_j,s-E_i)(1-ε_s))/(E_s-ε_s(E_s+ρ_s∑ⁿ_j=1E_jX_j,s))(13)

式(12)、(13)说明,各壁面的净辐射得热强度、净辐射热分配比例均与E_j(j=1,2,…n)和E_i有关,即与围护结构各内表面温度有关,但对于高温热源工业建筑来说,其热源温度能够达到500℃～1 000℃,而围护结构内表面温度通常不会高于50℃,因此E_s远大于E_i及E_j(j=1,2,…n),所以式12和式13中的ρ_s∑ⁿ_j=1E_jX_j,s和E_i可以忽略,即壁面温度对于辐射热在各壁面分布的影响可以忽略.

在忽略围护结构内表温度对净辐射得热强度和净辐射热分配比例影响的基础上,面i的净辐射得热强度I_i和净辐射热分配比例P_i为:

I_i=X_i,sE_s(W/m²)(14)

P_i=(φ_i)/(φ_s)=X_s,i(15)

从式(14)、(15)可以得知,面i的净辐射得热强度与X_i,s(面i对热源面的角系数)成正比,面i的净辐射热分配比例与X_s,i(热源面对面i的角系数)成正比.

式(14)可以写成:

I_i=X_i,sε_sE_bs(W/m²)(16)

可知,各内表面净辐射得热强度与热源发射率ε_s正比,式(15)可知,各内表面净辐射得热分配比例与热源发射率无关.

通过上述理论分析发现,对于高温热源工业建筑,围护结构各内表面温度对于辐射热在各壁面分布的影响可以忽略; 壁面净辐射得热强度、净辐射热分配比例分别与该壁面对热源面的角系数、热源面对该壁面的角系数成正比; 壁面净辐射得热强度与热源发射率正比,净辐射得热分配比例与热源发射率无关.

上述理论分析结果是在一定假设的前提下得到的,为了对理论分析结果进行进一步验证,下面对典型高温热源工业建筑进行数值计算.

通过理论分析,结合典型高温热源工业建筑数值计算,发现数值计算结果与理论分析结论一致,因此对于高温热源工业建筑室内各壁面辐射热分布问题,内壁面温度、角系数以及热源发射率对辐射热分布的影响如下:

(1)围护结构内表温度对各壁面的净辐射得热强度和净辐射热分配比例的影响可以忽略;

(2)壁面净辐射得热强度、净辐射热分配比例分别与该壁面对热源面的角系数、热源面对该壁面的角系数成正比;

(3)内表面净辐射得热强度与热源发射率正比,各内表面净辐射热分配比例与热源发射率无关.