碰撞射流通风供暖房间热环境特征的研究

王艳 钟珂 亢燕铭

东华大学环境科学与工程学院

碰撞射流通风供暖房间热环境特征的研究

王艳 钟珂 亢燕铭

东华大学环境科学与工程学院

采用数值模拟方法研究了碰撞射流通风系统的供热特性，对供热房间内热环境特征以及热舒适性的分析结果表明：在典型送风参数工况下，碰撞射流供热房间内靠近送风口附近位置处存在垂直温度分层，空气温度随房间高度增加而降低，工作区热舒适情况良好。

碰撞射流通风能量利用系数有效温度差热环境

0 引言

置换通风将新鲜空气直接送入工作区，从而提高了工作区的空气品质和通风效率[1～2]。但是该通风系统只适合于夏天供冷而不适合冬天供热，供冷供热需要两套独立空调系统，增加了空调系统初投资[3]。碰撞射流通风方式解决了置换通风不能用于供热的限制，并结合了混合通风和置换通风的优点[4～5]，被誉为“Theair queen”。该气流分布方式在瑞典出现并得到发展[6～7]。

关于碰撞射流通风系统的已有研究主要集中在供冷方面，其供热特性的研究几乎无人涉及，本文将利用数值计算方法针对碰撞射流通风系统用于供热时大空间内的流场、温度场分布进行模拟研究，探讨碰撞射流通风供暖房间热环境的特征。

1 物理模型与数值模拟方法

本文以一个跨度较大的房间作为物理模型进行数值模拟研究。房间的几何尺寸为18m×18m×9m，采用碰撞射流通风方式。在房间中心处设有送风管，其位于尺寸为0.6m×0.6m×9m的柱子外圈。根据对称性理论，选用房间模型的四分之一进行模拟，四分之一模型的几何尺寸为房间：9m×9m×9m，柱子：0.3m×0.3m× 9m，送风口尺寸0.35m×0.35m，送风口高度为0.6m，回风口的尺寸为0.45m×0.45m，如图1所示。

本文在研究过程中认为流体的属性不随其他因素变化。数值计算时，应用二阶迎风格式对控制方程进行离散化，湍流模型选用RNG k-ε模型，并且选用SIMPLE算法对离散方程进行求解。由于本文所研究的流场位于空调房间内，供热时会受到由温度差异而引起的浮升力的影响，因而采用Boussinesq假设。

2 模拟结果与分析

查阅文献可知，碰撞射流供热房间内最佳送风速度为2m/s，因此本文以送风速度2m/s，送风温差ΔT=7K为例，通过数值模拟方法对碰撞射流通风方式进行模拟。

2.1 碰撞射流供暖房间内速度和温度分布特征

2.1.1 数值模拟结果

为了研究碰撞射流通风系统供热房间内速度和温度的分布情况，本文以穿过送风管所在位置的剖面（Y=0.1m）为例，分别对速度矢量图和温度分布图进行分析。图2是送风管所在位置剖面的速度和温度模拟结果图，由图2（a）可以看出，热气流以一定的动量从喷管喷出，当碰撞到地板时沿地面时，随着动量的减小向四周扩散。近地面靠近送风口处气流速度较大，随着不断远离风口，气流速度逐渐减小，最终热浮力对气流扩散的影响占主导地位，气流扩散一段距离后便向上运动。由于受室外冷空气影响，屋顶的温度低，所以热气流向上运动到屋顶时受到冷却作用而温度下降，与上升的热气流在房间的上部形成漩涡。图2（b）给出了室内温度分布图，由图可知，送风口附近出现了垂直的温度分层，靠近送风口处温度较高，随着房间高度增加，温度也逐渐降低，这与传统的混合通风供暖的温度发布完全不同。

2.1.2 数值处理与分析

为了研究室内气流速度和室内温度分布随房间高度方向的变化，在送风口位置到气流最远扩散距离（y=4.6m）之间依次取五条直线，这五条直线距风口距离分别为y=0.9m，y=1.8m，y=2.7m，y=3.6m，y=4.5m。图3给出了不同位置速度和温度沿房间高度的分布曲线图。

图3 是不同位置速度和温度沿房间高度的分布曲线，由图3（a）可知，距风口位置水平距离较近（y= 0.9m，y=1.8m，y=2.7m）时，气流速度在靠近地面处最大，当房间高度增加到0.3m左右时，速度急剧下降到0.1m/s左右，此后速度随着房间高度的增加呈现先增大后减小的趋势，而这个速度变化的临界高度为Z= 4.5m；距风口水平距离增加到y=3.6m时，室内气流在靠近地面处具有一定速度值，但随着房间高度增加，速度并没有急剧减小，而是先增大后减小；在距风口水平距离较远（y=4.5m，y=4.6m）时，室内气流在靠近地面处速度基本为零，随着房间高度增加，出现了与近风口水平距离位置处同样的规律。分析图3（b），当距风口距离较近（y=0.9m，y=1.8m，y=2.7m）时，各直线上温度在靠近地面处最高，并且随着房间高度而逐渐降低，最终保持在同一温度值；随着水平距离增加到3.6m时，气流温度随着房间高度的增加先增大而后减小；而距风口所在位置水平距离较远（y=4.5m，y=4.6m）时，温度分布出现了相反的分布规律，即在地面处温度最小，基本上为房间室内设计温度20℃（293K），而随着房间高度增加温度也逐渐升高，最终达到稳定，这种现象是由于送出的气流受到热浮力作用的影响后，便沿房间高度向上运动，而导致气流在扩散距离的边界处温度最小。

2.2 碰撞射流供暖房间的热舒适分析

选择合理的通风方式，需要考虑很多因素，对热舒适性空调来说，室内人员的热舒适性也是一项很重要的评价指标。本文采用有效温度差△ET来评价空调房间内人员的舒适感觉，它是反映空气温度和速度对舒适感觉的综合作用效果，表达式为：

式中：Ti，Tn分别为工作区某点的空气温度和室内设计温度，K；ui为工作区某点的空气流速，m/s。一般情况下，△ET的值在-1.7K到+1.1K之间时大多数人感觉到舒适。

为考查房间内人员活动区域的空气温度和速度对人体舒适感觉的综合作用，以人体脚踝所在高度平面（Z=0.1m）和房间中心平面（Y=0.1m）为例，分析这两个平面上有效温度差，如图4所示。

图4 是送风速度为2m/s，送风温差ΔT=7K时人体脚踝平面（Z=0.1m）和房间中心平面（Y=0.1m）两个典型平面的有效温度差△ET云图。图4（a）中出现大量的深色区域，这个区域的△ET基本都大于+1.15K，并且这些区域也包括了人体活动区域（2m以下区域），说明过送风管剖面的平面处温度较高，室内人员在这个区域会感觉偏热。观察图4（b），距地面Z=0.1m的距离基本上认为是人体脚踝处所在位置，是人体比较敏感的部位之一，如果此处温度分布不均匀，足部会感到很大的温差，带来舒适性的问题，除送风口剖面所在平面外，这个平面上几乎所有区域的△ET值都在-1.7K到+1.1K之间，而出现的少量深色区域基本上就是图4（a）中所表示的风管剖面所在平面，通过综合分析图4可知，采用碰撞射流通风系统供热时，在送风速度为2m/s，送风温差ΔT=7K的工况下，室内人员在不靠近风管附近活动区域内整体感觉热舒适。

2.3 能量和能量利用系数η分析

为了了解不同工况下的能量利用情况，定义能量利用系数η如下所示：

式中：ts为房间送风口平均温度，℃；tp为房间整体空间平均温度，℃；t2m为2m高度以下空间平均温度，℃。

一般情况下，采用下送上回通风方式送风时，η的值应大于1，并且能量利用系数η越大表明能量利用越好。根据模拟结果可得：采用碰撞射流通风系统供热时，在送风速度为2.0m/s，送风温差为7℃时，ts= 299.7K，tp=293.3K，t2m=293.5K。则可计算此工况下能量利用系数为：η=1.03。表明人体空间的平均温度高于房间上部温度，送风能量得到了充分利用。这在采用传统的混合通风（含分层空调）的高大空间中是不可能实现的[8～9]。

3 结论

通过对数值模拟结果的分析，得到采用碰撞射流通风系统供热房间的室内气流分布特性，结论如下：

1）采用碰撞射流通风系统供热时，随着送风高度的增加，室内气流速度会出现先增大后减小的趋势，而这个速度改变的临界点位置所在高度为房间高度的一半（即Z=4.5m）。

2）在碰撞射流通风系统所管辖范围内，室内温度随着房间高度的增加逐渐减小，并且在室内形成垂直的温度分层，室内人体活动区域（2m以下区域）的温度分布满足人体“头冷脚热”的要求，送风能量得到了充分利用。

3）采用碰撞射流通风系统供热时，送风口附近靠近地面薄薄的一层区域内能感到吹风感，在实际应用中应注意将送风口设置在人员活动不频繁区域。

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Resea rc h o f The rm a l Env ironm en t Cha ra c te ris tic s in Im p ing ing Je t Ven tila tion Hea ting Room

WANG Yan,ZHONG Ke,KANG Yan-m ing
Schoolof EnvironmentalScienceand Engineering,Donghua University

The heating characteristics of the impinging jet ventilation was studied by numerical simulation,and the thermalenvironmentcharacteristicsand thermalcom fortofheating room wasanalyzed.The resultsshow that inworking condition of typicalairsupply parameters,it takeson the vertical temperature stratification in heating room near the inlet, and theair temperature decreasesw ith the increaseof theheightof room,and the thermal com fortofworking areameets the requirementof people.

impinging jet ventilation,utilization coefficient of energy,effective temperature difference,thermal environment

1003-0344（2014）03-005-4

2013-5-3

王艳（1988～），女，硕士研究生；东华大学环境科学与工程学院（200051）；E-mail:elvawang2011@hotmail.com基金项目：国家自然科学基金资助项目（40975093）