2018, Vol. 39
2. 兰州交通大学 铁道车辆热工教育部重点实验室, 甘肃 兰州 730070
2. Key Laboratory of the Ministry of Education on Railway Vehicle Thermal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China
地板供暖由于具有“节能、舒适、节约空间”等优势, 目前已广泛应用到各类新建建筑中。许多学者对地板供暖的供暖效果及节能特性进行了研究。这些研究主要集中在PCM地板代替传统混凝土地板对地板辐射供暖节能效果及改善舒适性的贡献[1-3]、求解地板辐射供暖的数学模型改进[4]、地板辐射供暖与集中供暖对室内环境参数的影响比较[5]、不同条件下地板辐射供暖的能效比较[6]、地板辐射供暖系统运行优化[7]等方面。文献[8]对于地板供暖室内参数规定:室温下限值为16 ℃, 居住者经常停留区域地板表面温度为25~27 ℃, 这主要是从居住者对室内温度及舒适性需求角度考虑的。认为按照这一温度范围要求进行设计是能满足工程需要的。但在实际运行中, 室内负荷随室外气温变化而不断变化。尤其在夜间, 寒冷地区的室外气温很低, 加之窗户的隔热性能较差, 使得室内环境参数受室外环境参数的影响更加明显。如果适时调节地板表面温度, 使形成的室内热环境能同时满足供暖温度和舒适性要求, 则可以达到降低供暖能耗的目的。目前, 关于这一问题的研究, 还未见报道。
本文以兰州某民用住宅为研究对象, 在考虑通过围护结构的室内外耦合传热情况下, 对地板表面实施文献[8]所限定的温度范围内的不同值, 数值分析了不同温度取值对非通风阶段室内温度场、污染物浓度场的影响。
1 物理模型和数学模型 1.1 物理模型本文研究的住宅位于8层建筑的第4层, 如图 1所示。结构尺寸为:X×Y×Z=10.5 m×13.2 m×2.9 m; 外墙传热系数K=0.46 W/(m2·K)。客厅外窗尺寸为:高×宽为1.5 m×1.8 m; 卧室外窗尺寸均为:高×宽为1.5 m×1.2 m。外窗传热系数Kc=2.2 W/(m2·K)。冬季室内供暖方式为地板供暖。
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| 图 1 住宅物理模型 Fig. 1 Physical model of the civil residence | |
采用Realizable k-ε模型和标准壁面函数法进行模拟。室内空气湍流流动与组分输运方程具有相同的形式[10], 对于非稳态传热问题, 通用控制方程形式均可表示为
| $ \frac{\partial }{{\partial t}}(\rho {u_j}\varphi ) + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}(\rho {u_j}\varphi ) = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {{\mathit{\Gamma }_\varphi }\frac{{\partial \varphi }}{{\partial {x_j}}}} \right) + {S_\varphi } $ | (1) |
式中:通用变量φ在连续性方程及动量方程中代表速度u(速度在x轴向的分量)、v(速度在y轴向的分量)、w(速度在z轴向的分量); φ在能量方程中代表流体温度T; φ在k和ε方程中分别代表湍流动能k及湍流动能耗散率ε; φ在组分输运方程中代表污染物体积分数τp; Γφ分别代表相应方程中的有效扩散系数0、μ+μt、Pr+μt/σt、μ+μt/σk、μ+μt/σε、μ+μt/στ; Sφ分别代表相应方程中的源项, 组分输运方程中的源项为空气密度ρ, 其他方程中源项具体表达式见文献[11]。上述其余变量含义及参数取值见文献[9]。
为简化计算, 假定:1)室内空气不可压缩, 密度的变化采用Boussinesq假设, 忽略流体粘性力作功而引起的耗散热, 室内空气为辐射透明介质, 不参与辐射换热; 2)流动为非稳态, 流态为湍流; 3)地板表面污染物只沿地板外法线方向散发, 为一维质扩散, 地板表面温度的变化对污染物扩散速率的影响忽略不计, 即气固交界面上污染物扩散速率保持恒定, 忽略了室内墙壁、房顶等的吸附作用, 卫生间、厨房为封闭区域, 不参与室内外热质交换。
1.3 初始条件及边界条件1) 假设初始时刻室内C7H8浓度为0, 初始温度取18 ℃, 空气成分(体积分数):O2为21%、CO2为0.04%、H2O为0.04%, 其余均为N2。根据文献[12]对室内C7H8允许浓度规定, 假设20:00至次日11:00间不开窗通风(在此期间室外空气温度很低)为一个可能的散发时长, 结合房间体积, 可求得初始散发速率为5×10-9 kg/s, 设为地板的质量入口[13]。
2) 热边界设置:考虑围护结构对温度波的衰减和延迟效应, 采用非稳定传热方法得到污染物扩散时段通过围护结构的热流密度平均值[14], 以此为围护结构的热边界条件, 如图 2所示。室内采暖热负荷均由地板提供, 根据文献[15]的规定, 计算中地板表面温度Tf分别取25 ℃、26 ℃、27 ℃以及稍低于该规范要求的温度下限值。不考虑邻室传热, 所以内墙、天花板均设为绝热边界。
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| 图 2 通过围护结构的热流密度 Fig. 2 Heat flux through the building envelopes | |
兰州地区冬季夜晚气温低, 白天部分时段气温较高。在温度较低时段如果进行自然通风不利于保证室内舒适性, 人们一般在这些时段习惯于紧闭窗户以维持室温。根据计算日室外逐时温度计算得到室外综合温度的变化趋势[14], 如图 3所示。可以看出, 室外综合温度自6:00开始回升, 到了14:00达到最大值(以南向为例), 之后又开始下降。这就为后续进行自然通风限定了时段。
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| 图 3 室外综合温度 Fig. 3 Outdoor sol-air temperature | |
采用六面体结构网格对计算空间进行离散。为获得污染物扩散的准确信息, 对地板附近区域网格进行了局部加密。网格独立性已在文献[9]中得到了保证。
采用有限体积法对控制方程进行离散; 应用SIMPLE算法求解速度和压力耦合问题[16]; 梯度项方程采用基于最小二乘格式离散; 动量方程、能量方程、组分方程均采用二阶迎风格式离散。计算中迭代收敛准则同文献[9]。
3 计算结果及分析 3.1 地板表面温度调节方案地板供暖室内要求温度最低值可以比散热器供暖低2 ℃[17], 这可能会引发一个问题:在实际运行管理中, 是否可以将地板表面温度降低到文献[8]要求的25 ℃以下也能满足室内供暖温度的要求。为此, 本文对地板表面温度分别实施24 ℃、25 ℃、26 ℃、27 ℃时计算得到了室内Z=1.1 m水平面上温度的平均值随时间的变化关系, 如图 4所示。可以看出, 不同地板表面温度对应的室内平均温度随时间的变化趋势很相似, 地板表面温度为24 ℃时室内平均温度最低值为16.8 ℃。另一方面, 在图 4所示地板表面不同温度边界条件下对室内舒适性进行了模拟计算, 结果如图 5所示。因为是非通风时段, 计算PMV时, 气流速度取0.1 m/s, 人体代谢率按静坐时取58.15 W/m2, 人体所做机械功为0;服装热阻取1 clo。由图 5可以看出, 地板表面温度为24 ℃时PMV值均小于-0.75, 即不能满足考虑我国实际情况下对住宅室内舒适性的需求[18]。这说明能满足室内采暖温度的要求, 未必就能满足舒适性要求, 而人们对室内环境的要求是以舒适为第一心理需求的[19]。综上, 本文后续计算中不考虑地板表面温度为24 ℃的工况。
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| 图 4 平均温度随时间变化情况(Z=1.1 m) Fig. 4 Average temperature value versus time in Z=1.1 m section | |
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| 图 5 PMV随时间变化情况(Z=1.1 m) Fig. 5 PMV values at different times(Z=1.1 m) | |
图 5中PMV的计算结果显示:地板表面温度为25 ℃时PMV值在7:00达到最小值-0.75, 这是根据我国实际情况确定的住宅内舒适性指标要求的下限值。在实际运行中, 从供暖安全性角度考虑, 可以通过提高水温或增大流速等措施将7:00前后几个小时的地板表面温度提高到25 ℃以上, 其他时段保证25 ℃的地板表面温度, 可以达到节能的目的。
3.2 温度均匀性室内温度的均匀性作为衡量供暖效果的重要指标, 在舒适性的影响因素中所占权重最大。结合3.1节分析结果, 分别选取室内最低、最高温度对应时刻7:00和15:00在地板表面温度分别为25 ℃、27 ℃时Z=1.1 m水平面上的计算结果进行对比。
图 6为地板表面温度Tf=25 ℃时Z=1.1 m水平面上的温度分布。可以看出, 7:00时, 客厅温度较均匀, 只有一个外墙的房间内温度较其他房间内温度稍高一些。15:00时, 随着室外气温回升, 室内外温差逐渐减小, 各房间内温度水平较7:00上升1~2 ℃不等。室内温度均匀性整体上较7:00时有所改善。只有一个外墙的房间内温度与其他房间内温度间差异更加显著。这是因为室内温度场是辐射换热和自然对流换热综合作用的结果, 不同时刻各房间墙壁热边界条件变化在不断地改变着两种换热过程对室内热环境的作用机制。
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| 图 6 Tf=25 ℃时水平截面上温度分布(Z=1.1 m) Fig. 6 Temperature distribution in horizontal section for Tf=25 ℃(Z=1.1 m) | |
图 7为地板表面温度Tf=27 ℃时Z=1.1 m水平面上的温度分布。可以看出, 7:00时各房间温度平均水平比Tf=25 ℃时提高了2.0 ℃左右, 客厅靠窗户附近温度梯度也明显增大, 东北和东南两房间内低温区范围有所扩大。这是因为Tf=27 ℃时室内自然对流强度明显高于Tf=25 ℃时的情况, 形成的热羽流流速更快, 靠近窗户的边界层被压缩了, 温度均匀性反而变差了。15:00时各房间温度水平比Tf=25 ℃时提高了2.0 ℃左右, 客厅由两外墙围成的角落处温度梯度明显增大, 只有一个外墙的房间内温度梯度也增大了, 其他房间内的温度梯度反而减小了。与地板表面温度Tf=25 ℃类似, 15:00时各个房间内温度分布之间的差异较7:00时更为显著。而且, 无论7:00, 还是15:00, 只有一面外墙的房间内温度更均匀, 温度水平也比其他房间高。
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| 图 7 Tf=27 ℃时水平截面上温度分布(Z=1.1 m) Fig. 7 Temperature distribution in horizontal section for Tf=27 ℃ (Z=1.1 m) | |
自然对流换热中, 污染物的扩散、迁移与室内温度场变化密切相关[9, 20-21]。文献[12]规定:密闭1 h后C7H8浓度平均值超过0.2 mg/m3即视为污染物超标, 换算为摩尔浓度是2.17×10-9 kmol/m3。为全面了解住宅内各区域污染物分布, 本文重点观测X=1.15 m纵截面以及与之垂直的水平面(即人员呼吸区高度Z=1.1 m)C7H8分布情况。
图 8为地板表面温度Tf=25 ℃时X=1.15 m纵截面上的C7H8浓度分布。7:00时, 自窗户朝客厅方向污染物浓度逐渐增大, 这是因为窗户附近空气密度大, 形成的下沉冷气流抑制了污染物沿高度方向的散发。15:00时, 该截面上污染物浓度整体水平明显比7:00时提高了, 而且在客厅顶部有高浓度污染物集聚现象。这是因为15:00时室外气温回升, 透过窗户的太阳辐射使得室内温度明显上升, 而墙体较大的热惰性导致其内表面仍保持了较低的温度水平, 这样, 室内由于高低温温差增大使得自然对流换热强度增大, 热羽流特征显著, 一部分浓度较高的污染物受该气流的顶托作用而滞留在天花板附近。
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| 图 8 Tf=25 ℃时纵截面上C7H8浓度分布(X=1.15 m) Fig. 8 Concentration distribution of C7H8 in longitudinal section for Tf=25 ℃(X=1.15 m) | |
图 9为地板表面温度Tf=27 ℃时X=1.15 m纵截面上的C7H8浓度分布。7:00时, 污染物浓度场结构与Tf=25 ℃时很相似, 只是客厅远离窗户一侧污染物高浓度区范围比Tf=25 ℃时有所扩展, 这是因为地板表面较高的温度激励了自然对流过程对污染物的输运速率。15:00, 相对于地板表面温度Tf=25 ℃, 客厅远离窗户一侧污染物高浓度区范围得到了进一步扩展, 但集聚在天花板顶部的高浓度区范围被严重压缩。
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| 图 9 Tf=27 ℃时纵截面上C7H8浓度分布(X=1.15 m) Fig. 9 Concentration distribution of C7H8 in longitudinal section for Tf=27 ℃(X=1.15 m) | |
图 10为地板表面温度Tf=25 ℃时Z=1.1 m水平面上C7H8浓度分布。C7H8的空间迁移主要受重力及浮升力影响。可以看出, 7:00时各房间大部分区域污染物浓度水平相当, 窗户附近区域的污染物浓度较低, 但也超过了文献[12]要求的上限值2.17×10-9 kmol/m3。15:00时, 各房间污染物浓度水平均有较大幅度上升, 尤其是只有一个窗户的房间增幅最大, 但各房间内浓度梯度均有所降低, 这是温度场趋于均匀的体现(见图 7(b))。
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| 图 10 Tf=25 ℃时水平截面上C7H8浓度分布(Z=1.1 m) Fig. 10 Concentration distribution of C7H8 in horizontal section for Tf=25 ℃(Z=1.1 m) | |
图 11为地板表面温度Tf=27 ℃时Z=1.1 m水平面上C7H8浓度分布。7:00时, 污染物分布特征与Tf=25 ℃时很相似, 只是客厅远离窗户一侧高浓度区稍有扩展。15:00, 与Tf=25 ℃时相比, 污染物浓度在局部区域有较小幅度升高, 在其他区域有较小幅度降低。这是因为地板表面温度提高与室外气温回升对室内热环境的共同影响使得室内自然对流换热强度得到增强, 形成了显著的热羽流现象。这样, 污染物浓度场与流场、温度场间的耦合关系变得更加清晰, 最后体现为污染物浓度分布的局部不均匀性。
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| 图 11 Tf=27 ℃时水平截面上C7H8浓度分布(Z=1.1 m) Fig. 11 Concentration distribution of C7H8 in horizontal section for Tf=27 ℃(Z=1.1 m) | |
图 12为室内Z=1.1 m水平面上C7H8浓度平均值随扩散时长的变化关系。可以看出, 该截面上污染物平均浓度随扩散时长呈上升趋势, 但上升速度逐渐减小。这是因为浓度差是污染物扩散的驱动力, 扩散开始时地板表面与远离地板区域间C7H8浓度差较大, 观测平面上C7H8浓度增加较快。随着扩散的进行, 室内远离地板区域的C7H8浓度不断积累, 抑制了来自地板表面的C7H8扩散过程。另外, 地板表面温度在25 ℃~27 ℃范围内变动时, 该平面上的C7H8浓度平均值在任一时刻的波动非常微弱, 最大相对偏差只有1.25%。这说明, 通过小范围内调节地板表面温度(对应供水温度)来节能的同时也可以保证室内污染物的浓度水平不上升。
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| 图 12 Z=1.1 m水平截面上C7H8浓度平均值随时间变化 Fig. 12 Average value of C7H8 concentration in horizontal section versus time (Z=1.1 m) | |
1) 地板供暖房间内, 对地板表面温度在一定范围内进行调节, 室内温度的平均水平随时间表现出了相似的变化规律, 地板表面温度无论为25 ℃还是27 ℃, 15:00时各房间Z=1.1 m水平面上温度值均比7:00提高了1 ℃~2 ℃不等; 同一时刻, Tf=27 ℃时各房间温度水平比Tf=25 ℃时提高了2.0 ℃左右, 而不同房间内温度的局部分布特征存在较大差异。这是因为室内温度场是辐射换热和自然对流换热综合作用的结果, 不同时刻各房间墙壁热边界条件变化在不断地改变着两种换热过程对室内热环境的作用机制。
2) 围护结构的热工属性对不同房间内污染物扩散的时空分布有显著影响, 而地板表面温度在25 ℃~27 ℃范围内调节, 对室内Z=1.1 m水平面上污染物浓度平均值的影响很微弱, 最大相对偏差只有1.25%。
3) 对寒冷地区冬季地板供暖房间地板表面温度在一定范围内的调节, 以实现“舒适、节能、污染物水平不上升”三者的统一是完全可能的。
| [1] |
ZHAO Ming, ZHU Tingting, WANG Changning, et al. Numerical simulation on the thermal performance of hydraulic floor heating system with phase change materials[J]. Applied thermal engineering, 2016, 93: 900-907. DOI:10.1016/j.applthermaleng.2015.10.020 (  0)
|
| [2] |
CHENG Wenlong, XIE Biao, ZHANG Rongming, et al. Effect of thermal conductivities of shape stabilized PCM on under-floor heating system[J]. Applied energy, 2015, 144: 10-18. DOI:10.1016/j.apenergy.2015.01.055 ( 0)
|
| [3] |
XIA Yi, ZHANG Xiaosong. Experimental research on a double-layer radiant floor system with phase change material under heating mode[J]. Applied thermal engineering, 2016, 96: 600-606. DOI:10.1016/j.applthermaleng.2015.11.133 ( 0)
|
| [4] |
WU Xiaozhou, ZHAO Jianing, OLESEN B W, et al. A new simplified model to calculate surface temperature and heat transfer of radiant floor heating and cooling systems[J]. Energy and buildings, 2015, 105: 285-293. DOI:10.1016/j.enbuild.2015.07.056 ( 0)
|
| [5] |
KHORASANIZADEH H, SHEIKHZADEH G A, AZEMATI A A, et al. Numerical study of air flow and heat transfer in a two-dimensional enclosure with floor heating[J]. Energy and buildings, 2014, 78: 98-104. DOI:10.1016/j.enbuild.2014.04.007 ( 0)
|
| [6] |
曾章传, 吴锦京, 魏新利. 空气源热泵直接地板辐射采暖系统实验研究及热力性能分析[J]. 太阳能学报, 2011, 32(8): 1151-1157. ZENG Zhangchuan, WU Jinjing, WEI Xinli. Experimental research and thermodynamics analysis of direct radiant floor heating system with air source heat pump[J]. Acta energiae solaris sinica, 2011, 32(8): 1151-1157. ( 0)
|
| [7] |
曹昕. 多热源联用低温热水地板辐射采暖系统的节能控制和经济性分析[D]. 广州: 华南理工大学, 2012. CAO Xin. Research on energy-saving & economic-indicator of radiant heating system with hot water supplied by multi-source heater[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2012. ( 0)
|
| [8] |
中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ142-2012, 辐射供暖供冷技术规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2013. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. JGJ 142-2012. Technical specification for radiant heating and cooling[S]. Beijing: China Building Industry Press, 2013. ( 0)
|
| [9] |
王烨, 管国祥, 付银安, 等. 冬季自然通风与室内污染物的迁移特性[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2016, 37(8): 1151-1156. WANG Ye, GUAN Guoxiang, FU Yin'an, et al. Natural ventilation in winter and migration characteristics of indoor pollutants[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(8): 1151-1156. ( 0)
|
| [10] |
李先庭, 江亿. 用计算流体动力学方法求解通风房间的空气年龄[J]. 清华大学学报(自然科学版), 1998, 38(5): 28-31. LI Xianting, JIANG Yi. Calculating air age in a ventilated room with CFD method[J]. Journal of Tsinghua University (science & technology), 1998, 38(5): 28-31. ( 0)
|
| [11] |
陶文铨. 数值传热学[M]. 2版. 西安: 西安交通大学出版社, 2001. TAO Wenquan. Numerical heat transfer[M]. 2nd Edition. Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press, 2001. ( 0)
|
| [12] |
国家质量监督检验检疫总局. GB/T 18883-2002, 室内空气质量标准[S]. 北京: 中国标准出版社, 2003. General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China. GB/T 18883-2002, Indoor air quality standard[S]. Beijing: Standards Press of China, 2003. ( 0)
|
| [13] |
王烨, 孙鹏宝, 付银安, 等. 围护结构耦合传热条件下地板供暖室内甲苯扩散的数值分析[J]. 北京工业大学学报, 2016, 42(12): 147-155. WANG Ye, SUN Pengbao, FU Yin'an, et al. Numerical analysis on the effect of the envelope coupled heat transfer on C7H8 emission in a floor heating room[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2016, 42(12): 147-155. ( 0)
|
| [14] |
王靖文. 寒冷地区民用住宅冬季自然通风数值研究[D]. 兰州: 兰州交通大学, 2015. WANG Jingwen. Numerical research of natural ventilation of civil residence in winter in cold zones[D]. Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University, 2015. ( 0)
|
| [15] |
中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB 50325-2010民用建筑工程室内环境污染控制规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2011. Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China, General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China. GB 50325-2010, Code for indoor environmental pollution control of civil building engineering[S]. Beijing: China Planning Press, 2011. ( 0)
|
| [16] |
PATANKAR S V. Numerical heat transfer and fluid flow[M]. Washington, DC: Hemisphere, 1980.
( 0)
|
| [17] |
中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50736-2012, 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. GB50736-2012, Design code for heating ventilation and air conditioning of civil buildings[S]. Beijing: China Building Industry Press, 2012. ( 0)
|
| [18] |
王昭俊. 严寒地区居室热环境与热舒适性研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2002: 27-57. WANG Zhaojun. Study on indoor thermal environment and thermal comfort in cold area[D]. Harbin: Harbin University of Technology, 2002: 27-57. ( 0)
|
| [19] |
王烨, 王良璧, 胡文婷, 等. 建筑外壁面换热系数对室内自然对流传热特性影响研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2015, 36(9): 1206-1211. WANG Ye, WANG Liangbi, HU Wenting, et al. Influence of the heat transfer coefficient of the outer-surface on the natural convective heat transfer characteristics in a heating room[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2015, 36(9): 1206-1211. ( 0)
|
| [20] |
王烨, 孙鹏宝, 胡文婷, 等. 不同壁面边界条件下冬季自然通风数值研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2016, 37(11): 1606-1612. WANG Ye, SUN Pengbao, HU Wenting, et al. Numerical study on the natural ventilation in winter under different wall boundary conditions[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(11): 1606-1612. ( 0)
|
| [21] |
王烨, 王靖文. 寒冷地区冬季自然通风时段选择优化分析[J]. 土木建筑与环境工程, 2015, 37(5): 101-108. WANG Ye, WANG Jingwen. Optimization analysis of the period of time of natural ventilation in winter in cold zone[J]. Journal of civil, architectural & environmental engineering, 2015, 37(5): 101-108. ( 0)
|