热源表面温度对热压通风效果的影响研究

王 松 钟 珂 丁淑红

东华大学环境科学与工程学院

热源表面温度对热压通风效果的影响研究

王 松 钟 珂 丁淑红

东华大学环境科学与工程学院

在房间内外初始温度相当和室内热源总散热量一定的情况下，通过实验的方法研究了热压自然通风房间内热源表面温度对室内污染物浓度分布及温度分布的影响，指出热源表面温度大小对室内温度场的分布规律的影响不大，热源表面温度越大，房间自然通风效率越高，自然通风效果越好，且室内污染物在热压自然通风条件下分层现象明显。

热源温度 热压自然通风 浓度分布 温度分布 实验研究

0 引言

近年来由于人们对节能和室内空气品质的关注，自然通风技术引起了越来越多研究者的兴趣。许多实验和CFD模拟对风压和热压这两种不同驱动力的自然通风气流进行了深入的研究[1～2]。

室内热源对热压自然通风气流产生着举足轻重的影响。实际生活中的热源形式主要是面源和体源，而在一般有关热压作用的自然通风的研究中，研究者为了获得通风气流的普遍性规律和特点，基本采用虚拟的集中热源来简化对问题的描述。

尽管已有文献对热源温度、热源位置等因素对自然通风影响，以及与热压与风压自然通风作用的影响进行了数值模拟分析及理论研究[3～5]，但对于总散热强度一定时，热源表面温度对自然通风效果的影响未做深入的实验研究。为此，本文对热压自然通风房间内污染物浓度和温度分布进行实测，分析热源温度对室内污染物浓度分布和对室内温度分布的影响，为热压自然通风系统的设计提供参考实验依据。

1 物理模型及实验介绍

1.1 实测环境

本研究所模拟的自然通风房间有效空间尺寸为3.6m×3m×2.6m。房间北面右侧有尺寸为950mm× 1800mm的门，距房间地面高2.1m处设有尺寸为587mm×140mm的排风口，该风口在门沿正上方，同时门正下方设有尺寸为900mm×72mm的进风口紧贴房间地面。实验时自然通风房间内设有一方形集中热源，热源模型是200W炽热灯内置于尺寸为500mm× 292mm×270mm的方形不锈钢网孔箱正中心，整个热源放置于自然通风房间中心位置。实验物理模型如图1所示。

图1 实验物理模型

由于热源处于房间地面中心处，故以热源模型为中心，在其周围布置4根测杆，而每根测杆上有7个测点。在实验开始前，向室内通入一定量的CO2示踪气体，利用室内CO2浓度随时间的衰减情况来研究室内污染物的清除效率。人工气候室布置的平面图以及测杆的立面图分别如图2所示。

图2 人工气候室

1.2 实验方法和仪器

1.2.1 实验方法

本研究针对4种表面温度的热源进行实测。通过在方形网孔不锈钢外罩上用金属铝箔纸覆盖不锈钢外罩上的圆孔。改变覆盖的孔数来得到不同的热源表面温度。

实验中尽量使不锈钢热罩表面上的遮挡孔分布均匀，设置四种处理后的遮挡率不同的热源，如图3所示。

图3 热源设计模型

表1 热源参数概况

1.2.2 实验仪器

本实验中热源位于气候室内地面中心，热源模型是用不同遮挡率热罩罩着的功率为P=200W的热灯。

实验中采用的 CO2和温度测量仪器为ELEKTRONIK，型号：EE80-2CT6/T04，温度测量范围0℃~50℃，分辨率为0.001℃；CO2浓度测量范围0~ 2000ppm，分辨率为0.001ppm。

2 实测结果与分析

2.1 CO2浓度垂直分布特征

定义无量纲浓度Θ为室内测点浓度值和进口浓度平均值之差与初始浓度最大浓度值和进口浓度平均值之差的比值，可以表示为：

式中：C(t)为t时刻室内的CO2浓度；C0为气候室下部风口处CO2浓度的平均值；Comax为0时刻（起始时刻）的CO2浓度，也是CO2的最大浓度根据CO2的实测结果。

图4 不同高度无量纲CO2浓度变化

图4表示的是实验进程30min和240min时不同热源表面温度垂直方向上无量纲CO2浓度的变化。由图4可知，在30min时刻高度方向CO2浓度先急剧增加CO2浓度梯度较大，然后趋于平缓CO2浓度梯度很小，房间下部CO2浓度较低，上部CO2浓度明显高于下部，室内垂直方向上出现明显的CO2浓度分层现象。形成分层的原因是由于室外的新鲜冷空气在进入到房间后不断地被热羽流加热的过程中，同时也将室内原有的污浊空气不断地卷吸向上并通过上部排风口排出，因而当气流达到稳定即热力分层形成之后，该分层界面上的气流是混合的污浊空气，而界面下的气流则包含室外空气补充进入的新鲜空气，所以室内在这个界面上的浓度高，界面下的浓度低，于是浓度分层现象便出现了。由图还可知道，240min时刻，室内CO2浓度较低，室内CO2在自然通风下被排出，接近室外CO2浓度，证明污染物基本在自然通风下被清除。

图5表示的是不同热源表面温度垂直方向上平均CO2浓度的变化，由图可以看到，在实验进程30min时，热源表面温度越高，同高度无量纲CO2浓度越低，也就是说，热源温度越高无量纲CO2浓度越低，这是因为当热源温度较大时，由较大的热源表面温度与室外空气温度之差所引起的热羽流量较大，从而导致了房间的进风量较大，因而在较大风量的通风换气作用下，CO2被清除的越多。在240min时刻，高度方向CO2浓度趋于平缓，1.6m以上CO2浓度略高于1.6m之下，这说明在自然通风充分作用后室内仍然存在CO2浓度分层的现象。也就进一步说明了室内存在集中热源的时候，在自然通风情况下室内始终保持着CO2浓度分层。

图5 不同表面温度热源垂直方向上平均CO2浓度

2.2 CO2浓度衰减速率的比较

定义无量纲时间τ50为从实验开始到气候室内无量纲二氧化碳浓度Θ=0.5时，CO2衰减所持续的时间，可以得到如图6的变化关系。

图6 CO2浓度衰减的无量纲时间

图6表示室内四根侧杆平均无量纲CO2浓度值降到0.5时所持续的时间。由图6可以很明显地看出，当热源表面温度越高，清除相同无量纲CO2所用时间越小，房间自然通风效率越高，也就是说自然通风清除房间污染物的效果越好。这也补充说明了当热源温度较大时，由较大的热源表面温度与室外空气温度之差所引起的热羽流量较大，从而导致了房间的进风量较大，因而在较大风量的通风换气作用下，CO2被清除的越多越快，图5得出的热源表面温度越高，污染物清除越多，而且越快。

2.3 室内温度垂直分布特征

从实验开始时刻分别取10min、20min、30min、60min、120min、180min、240min、300min时四根测杆位于不同测量高度的各点平均温度绘出室内垂直温度的分布变化（图7）。

图7 垂直方向温度分布

图7表示的是四根测杆 10min、20min、30min、60min、120min、180min、240min、300min时房间垂直方向温度变化。由图7可以看出竖直方向上温度分层现象明显，即房间上部温度较高，下部温度较低。图7中每个时间点上房间内垂直方向温度曲线均是在垂直高度1m处出现分层现象，在1m以下垂直方向上温度梯度较大，即温度随高度的变化较为剧烈；高度1m以上垂直温度梯度较小且温度比1m以下高出许多。同一高度，随着时间进程加长，温度逐渐升高，但随时间的变化同一高度的温度变化率逐渐减小，最终气候室内的温度会趋于缓和稳定。图7中的180min、240min和300min时线密集度较10min、20min和30min大，说明温度随时间的变化率越来越小，且上部温度在1.0m以上近乎于一条垂直的直线，上部温度都基本稳定。

3 结论

本课题通过研究在自然通风房间内外初始温差相当的情况下以CO2为示踪气体作为室内污染物浓度的变化来研究热源表面温度大小对自然通风效果的影响，以及室内温度分布规律及变化探究，得出以下结论：

1）热压自然通风作用下，室内污染物的浓度出现明显的分层现象，上层浓度高于下层，且下层浓度梯度明显高于上层，分层现象持续整个自然通风过程。

2）热源表面温度越高，自然通风量越大，自然通风效率越高。

3）室内温度梯度随着高度逐渐降低，在1m以上温度梯度明显小于1.0m以下。室内垂直温差逐渐增大。热源表面温度对室内温度分布规律影响不大。

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Influence of Heat Source Surface Temperature on Thermal Ventilation Effect

WANG Song,ZHONG Ke,DING Shu-hong
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

This paper analyses the influence of the heat source surface temperature on indoor pollutant concentrations and temperature distributions in the room which use thermal natural ventilation.Experimental method were used while the initial temperature were kept the same both indoor and outside,and the total release of the indoor heat source was also under the same control.Results indicate that surface temperature of the heat source has little impact on the indoor temperature field.The natural ventilation efficiency will be better at higher temperature of the heat surface,and stratification of indoor pollutant concentrations is obvious under thermal natural ventilation.

heat source temperature,thermal natural ventilation,concentration distribution,temperature distribution, experiment research

1003-0344（2015）04-018-4

2014-3-21

王松（1988～），男，硕士研究生；上海市松江区人民北路2999号东华大学4号学院楼5139室（201620）；E-mail:jermyws0616@sina.cn