送风速度对夏热冬冷地区办公室供暖效果的影响

王时雨，亢燕铭，钟 珂

（东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620）

送风速度对夏热冬冷地区办公室供暖效果的影响

王时雨，亢燕铭，钟 珂

（东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620）

夏热冬冷地区在空调系统设计中一般以夏季工况为主，故可能造成冬季供暖能耗浪费且室内温度无法满足人体热舒适要求.针对上海一实际办公室在不同送风速度下对冬季室内热环境进行了实测.实测结果表明：夏热冬冷地区建筑窗墙面积比过大和送风参数的不当设置，使送风热量难以到达人员所在空间，导致室内上部与下部空间温差过大和加热过程中存在能源浪费.尽管提高送风速度不能彻底解决人体头－足温差过大的问题，但可以减小因温度分布不均匀造成的热负荷增加量，改善人体热舒适和实现节能效应.

夏热冬冷地区；室内热环境；送风速度；节能效应

夏热冬冷地区冬季室内热环境的舒适性通常通过热风集中供暖方式来保证.相对于北方地区，夏热冬冷地区的夏季漫长炎热，但冬季时间较短.因此，空调系统设计以夏季供冷要求为主，冬季用同一系统供热时，热风供暖的效果往往没有充分考虑.由于夏热冬冷地区建筑的重要特征是窗墙面积比远大于北方建筑［1－2］，使得冬季空调送风设计中的缺陷被放大的可能性增加.在上海地区某些办公室甚至出现冬季开吊扇，以便将聚集在顶棚附近的热空气输送到房间下部工作区的情形.

冬季送入室内的热空气在浮力作用下将上浮，导致室内上下部区域的温差最高达6℃左右［3］.房间上部气温过高不仅严重影响人体热舒适和热风能量利用率［4］，也会因室内外温差过大而增加房间热负荷，从而导致供暖能量的浪费.即使在无设计缺陷的热风供暖房间，如何降低室内上下空间的空气温差通常也是设计难点之一.文献［5］在相同能耗条件下，研究了房间尺寸和墙面温度等因素对热风供暖气流流动的影响和提高房间下部区域温度的方法.文献［6］研究了通过空气循环将聚集在顶棚下方的热空气输送到工作区的途径.

为满足办公室使用时间灵活性的要求，大多数办公室的空调系统都采用风机盘管送风.这种情况下，通过控制室内壁面温度［3，5］和气流循环路线［6］来引导热气流进入房间下部空间的可能性就大大降低.因此，在使用风机盘管的房间内，适当的送风参数是空调热风能够到达房间下部空间的保证.为此，本文在不同送风速度下，对上海地区某办公楼的室内热环境进行了实测，并分析了室内不合理热环境形成的原因，以便为改善夏热冬冷地区室内热环境、降低冬季室内热风供暖能耗提供参考依据.

1 实测房间选取与测点布置

实测所选的上海地区某办公楼在冬季供暖期间，送风方式为上供上回.工作时段，通常打开房间的吊扇加强对流，以提高下部人员工作区的空气温度.为分析形成上热下冷现象的空调系统可能存在的设计缺陷，本文在冬季供暖期间，对其中一个房间的室内热环境进行实测，分别测量不同送风参数下室内空气温度分布，以分析送风参数对室内热环境的影响.

所选办公室为中间楼层、中间位置北向房间，房间尺寸为5.4m×3.6m×3.8m（长×宽×高），如图1所示.图1（a）为北侧办公室侧视剖面图，北墙为外墙（图1（a）右侧墙）.被测房间采用风机盘管侧送风，送风口百叶处于水平状态.房间北侧有大面积的玻璃窗和玻璃门.室内有一人长期办公，室内人员间歇性活动并正常出入办公室.

实测时，在办公室内共布置14个测点，测点位置如图1所示.图1（a）所示各测点均布置在办公室的中轴线上，测点1～6测定垂直方向温度梯度；测点7，5，8和9测定水平方向温度分布，4个测点的布点高度均为0.8m，即一般情况下人员静坐时的高度.测点12～14为辅助测点，测点10和11分别测定送风温度和回风温度.采用825－T2型红外温度仪实测房间墙面温度，每间隔1h测量墙面中间位置和靠近角落的4个点（距离墙边各1m）的温度，然后取其平均值作为墙面温度.采用Humlog－20型温湿度仪测量空气温度，量程为－20～50℃，精度为±0.3℃，温度分辨率为0.1℃，采样记录数据的时间间隔为1min.采用TSI公司9535型风速仪测量风口风速，量程为0～30m／s，精度为±3%，风速分辨率为0.01m／s.

图1 实测房间与测量点位置示意图（单位：m）Fig.1 Schematic diagram of the test room and sampling point arrangement（unit：m）

实测过程中，风机盘管输入功率不变，通过改变送风口的面积来改变送风速度，同时，调整回风口的面积来保证每个工况的通风阻力基本恒定.试验准备阶段已将送风口、回风口分成等面积的5份，用硬纸板封住部分风口以控制和调节送风速度，如图2所示.

图2 风口面积调整示意图Fig.2 Adjustment of the inlet／outlet area

供暖初期，室内空气温度未稳定时，四周壁面，特别是落地窗表面的辐射作用影响很大.为避免壁面辐射热对实测的干扰，每个工况的持续时间为大楼供暖时间（8：30—19：00），并在实测前（8：10）开启吊扇和房间门，使室内空气混合均匀并保持在15℃左右（即图1中测点1～6的平均值）时开始测量，同时在热风供暖停止之前（18：00）开启吊扇，混合室内空气，获得室内平均温度.

2 实测结果与分析

针对表1所示的4种工况，在所选办公室内进行实测.A，B，C代表的3种工况送风量基本相同，D工况由于送风口部位挡住了送风射流，产生了较大阻力，故送风量明显小于其他工况.

表1 实测工况的主要参数Table 1 Main parameters for different test conditions

2.1 室内温度的时间与空间分布

图3为工况A的温度测量结果.由图3可知，所有高度的测点都在9：00左右开始达到基本稳定状态.但不同高度测点的温度曲线随时间的增长幅度不同，高度越大的测点温度上升幅度越大.在实测工作即将结束时，即18：10开启吊扇，混合室内空气，此时不同高度测点的温差迅速减小，至18：30左右温度趋于一致.再次关闭风扇后，不同高度测点温差重新变大，可见空气热浮力作用非常显著.由表1可知，各工况的送风与回风温差都在20℃左右，大温差形成的热浮力使得每种工况都表现出上述特征.

图3 不同高度处空气温度随时间变化曲线Fig.3 Variations of air temperature with time at different height

图4为工况A中墙面温度随着时间变化的实测结果.图4的结果表明，自上午测量开始，墙面温度基本呈上升趋势，只有北墙温度受室外环境影响较大，在16：30后温度略微降低.

图4 实测房间内侧墙面温度随时间变化曲线Fig.4 Variations of the wall temperature with time in the test room

由图3还可以看到，室内空气迅速升温达到热平衡后，温度开始缓慢上升.设房间最上部的测点温度达到最大值的90%后为稳定状态，并对稳定期间的温度数据取平均值.每种工况的全室平均温度不完全相同，为便于比较，需要将温度无量纲化处理.

由于不同工况时温度水平分布的最大值出现在相同位置，本文将各个测点的温度除以同一工况中的温度最大值定义为无量纲温度.图5为不同工况时无量纲温度的水平分布曲线.可以看到，所有送风速度下，外窗和门附近的气温都明显低于房间中心位置的温度.门附近区域温度较低是由人员出入时的冷风渗入所致.由图5可知，当送风速度提高到3.2m／s（对应工况B）以上时，送风速度对门附近的气温基本无影响.外窗附近区域气温较低的原因是温度过低的玻璃表面通过对流换热冷却附近空气，继而冷空气下沉至地面，造成该区域温度偏低.由图5还可知，随着送风速度提高，外窗附近的空气温度明显提高，在送风速度较大的工况D，甚至出现了近窗处温度高于近门处的情况，表明较大的送风速度可以克服玻璃窗冷表面对室内热舒适的不利影响，形成相对均匀的温度水平分布.

图5 不同工况下水平方向各测点的无量纲温度Fig.5 Dimensionless temperatures of horizontal test points under different operating conditions

类似地分析各工况下温度的垂直分布特征.由于不同工况的温度最小值出现位置相同，所以将各个测点的温度除以该工况对应的温度最小值，得到无量纲温度随高度变化的曲线，如图6所示.

图6 不同工况下高度方向各测点的无量纲温度Fig.6 Dimensionless temperatures of vertical test points under different operating conditions

图6表明，送风速度越大，高度方向的无量纲温度梯度越小.这说明增大送风速度，有利于送风热量进入房间下部空间，从而有效改善人员工作区热环境.

为了分析送风速度对室内温度随时间变化规律的影响，定义空气温度随时间的变化速率ε为式中：Δt为每Δτ时间间隔的温度变化，℃；Δτ为时间间隔，本文中取0.5h；ts为送风温度，℃；to为房间初始温度，℃.将室内空间按高度分为两个区域，即2m高度以下的区域（工作区）和2m以上空间（非工作区）.图7给出了工作区和非工作区ε的变化曲线.

图7 工作区与非工作区空气平均温度随时间变化规律Fig.7 Variations of averaged air temperatures in occupied and unoccupied spaces

从图7（a）可以看出，工作区空气的升温速率ε很小，而图7（b）的曲线表明，房间上部空间温度的上升速率很大，说明供暖开始后2h内，送风热量主要用于加热房间上部空间，对人体活动空间的贡献很小.由图7（a）和7（b）还可以看到，送风量相近而送风速度不同的4种工况对应的ε值基本相同，表明室内空气温度上升速率仅与送风量有关，不会受送风速度的影响.

2.2 室内热环境和能量利用率

由图3～7可以看到，热风供暖房间室内气温呈下低上高分布.显然，人体的头－足温差过大，会影响到人体的热舒适性.设人员头部高度为1.8m，脚踝部温度取地面附近空气温度.不同工况时头部与脚部的空气温度差值如图8所示.

图8 不同工况时头－足温差的对比Fig.8 Comparison of temperature difference between head and feet under different operating conditions

图8表明，尽管每种工况的送风量基本相同，但不同送风速度对应的头足温差有明显区别.送风速度越大，人体头－足温差越小，对应的热舒适性越好.原因是较大的送风速度有利于减弱浮力对气流轨迹的干扰，热风更容易进入工作区.另外，由图8还可知，即使在送风速度高达6.4m／s的工况D下，头－足温差也超过4℃，即不能满足相关设计标准中建议的人体热舒适允许的最大限值［7］.这说明在本文实测空调系统的送－回风温差条件下，增大送风速度虽可以缓解温度分布不均匀导致的不舒适，但并不能完全解决问题.

供暖的目的是保证工作区气温满足人体热舒适的要求，非工作区气温过高不仅无益于人体热舒适，还会因室内外温差过大，造成供暖能耗增加.为便于比较，将上述4种工况的工作区平均温度、室内平均温度和非工作区平均温度，分别除以同一工况的非工作区平均温度来重新定义无量纲温度，结果如表2所示.

表2 室内不同高度处的无量纲温度对比Table 2 Comparisons of dimensionless temperatures in zones at different height

从表2可以看出，4种工况下的工作区平均温度均低于室内平均温度和非工作区平均温度，说明热风供暖的大部分热量都消耗在房间上部的非工作区.由表2还可以发现，送风速度越高，工作区与非工作区平均温度的差值越小，表明随着送风速度增大，分配给工作区的热量比例增加，能量浪费程度减小.

尽管本文实测房间通过邻室隔墙和外墙均有热损失，但外墙（北墙）玻璃窗占墙面积的82%，显然是房间热负荷的主要来源.非工作区通过外墙的能量损失Qr可以表示为

式中：tr为非工作区平均气温，℃；te为室外气温，℃；K为北墙平均传热系数，本文中K取4.12W／（m2·K）；Fr为非工作区的墙体面积，m2.

理想的供暖效果是室内气温均匀，即非工作区气温等于工作区气温.因此，理想情况下房间非工作区的能量损失Qi为

式中：ti为理想情况下室内气温，即工作区气温，℃.于是，由于室内温度下低上高的分布特征而增加的热负荷ΔQ为

故单位建筑面积热负荷（热负荷指标）的增加量Δq为

式中：A为房间建筑面积，m2.

根据式（5）和实测数据，可以得到不同送风速度时，由于上部温度过高造成的热负荷指标增加量，结果如表3所示.

表3 房间增加的热负荷指标Table 3 Increasement of the index of heat load in the room

从表3可知，热负荷指标的增加量大致为6～12W／m2，若考虑邻室传热，该数值将更大.由表3还可以看出，送风速度越高，房间增加的热负荷指标越小.实测房间的热负荷指标大约为80W／m2，相对于该值，工况A的供暖能耗增加率为15%，而工况D仅7.5%.显然，对采用风机盘管送风的房间，在风机功率不变的情况下，通过减小送风面积，增加送风速度，可以产生不可忽略的节能效果.

实际中的各种办公室，可能因为采用的风机盘管型号不同，造成送风速度有所不同.上述多种送风速度的室内热环境的实测结果涵盖了大多数风机盘管空调系统的特征.本文研究结果表明，在实测的送风速度范围内，提高送风速度可以改善室内温度分布和降低空调能耗，故在新建建筑中可以提高风机盘管的风机功率来增大送风速度.根据本文实测结果，减小送风面积也可以达到相同的目的，并且该措施在新建建筑和已有空调系统中都易于实现.

3 结 语

利用风机盘管空调系统送热风为办公室供暖是夏热冬冷地区常见的供暖方式.由于该地区空调系统设计的常规做法是以夏季供冷为主，兼顾冬季工况，因此，在冬季供暖过程中容易出现室内上下空间中温度不均匀现象.本文针对某实际空调房间，通过改变送、回风口面积，对相同送风量不同送风速度情况下，冬季室内热环境和空调系统送、回风温度逐时变化进行了实测，实测结果表明：

（1）夏热冬冷地区外窗面积过大，导致室内温度水平分布很不均匀，近窗处的气温明显低于室内平均温度.

（2）由于空调系统送风参数范围的限制，送风携带的热量难以到达房间下部人员活动空间，使室内上部空间与下部空间的温差远大于正常供暖房间，这既影响室内热舒适性，又导致上部空间建筑热损失增大.本文实测房间常规运行状态下，热负荷指标的增加量大于12W／m2，供暖能耗增加率达15%.

（3）在送风量不变的条件下，提高送风速度在一定程度上可以改善室内温度分布的均匀性，减小因温度分布不均匀造成的热负荷增加量，但不能完全解决供暖房间人体头－足温差过大等不舒适问题.减小送－回风温差并适当增加送风量可以改善室内热环境，但需要在空调系统设计之初就重视冬季供暖问题，而不是仅考虑夏季供冷的要求.

参 考 文 献

［1］JGJ 26—1995民用建筑节能设计标准（采暖居住居住部分）［S］.北京：中国建筑工业出版社，1996.

［2］JGJ 134—2001夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2001.

［3］巴格斯罗夫斯基B H.建筑热物理学［M］.单寄平，译.北京：中国建筑工业出版社，1988.

［4］李念平.建筑环境学［M］.北京：化学工业出版社，2010.

［5］RAHIMI M， AJBAKHSH K. Reducing temperature stratification using heated air recirculation for respectively thermal energy saving［J］.Energy and Buildings，2011，43（10）：2656－2661.

［6］COSTA J J，OLIVEIRA L A，BLAY D.Turbulent airflow in a room with a two－jet heating－ventilation system：A numerical parametric study［J］.Energy and Buildings，2000，32（3）：327－343.

［7］ASHRAE.2001ASHRAE handbook：Fundamentals （SI）［M］.Atlanta：American Society of Heating，Refrigerating and Air－Conditioning Engineers，Inc，2001.

Influence of Supply Air Velocity on Office Room Heating in Hot－Summer and Cold－Winter Climatic Zones

WANGShi－yu，KANGYan－ming，ZHONGKe
（School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The set values of the supply air parameters in design of an air－conditioning system mainly meet the requirement of summer indoor thermal environment in hot－summer and cold－winter climatic zones，it may result in the waste of energy for heating while the situation that the indoor temperature can not match the requirements of human thermal comfort in winter.The indoor thermal environment of an office room with different air supply velocity in Shanghai is measured in winter.The results show that it is difficult for the warm air to reach the occupied space due to large window－to－wall ratio and improper ventilation parameters.Therefore，the temperature difference between the upper space and lower space is too large，and an additional energy waste exists during the heating process.Although increasing supply air velocity cannot eliminate the large temperature difference between head and feet，the increased heat load caused by non－uniformly indoor temperature distribution will be decreased.Besides，the requirements of human thermal comfort and energy－saving can also be achieved by increasing supply air velocity.

hot－summer and cold－winter climatic zone；indoor thermal environment；supply air velocity；energy－savingeffect

TU 111.1；TU 834.2

A

1671－0444（2014）04－0491－06

2013－07－12

国家自然科学基金资助项目 （51278094）；上海市教委科研创新重点资助项目 （13ZZ054）

王时雨（1992—），男，河南安阳人，硕士研究生，研究方向为建筑通风与室内空气品质.E－mail：wangsy＠mail.dhu.edu.cn

钟 珂（联系人），女，教授，E－mail：zhongkeyx＠dhu.edu.cn