冷风侵入对不同送风方式供暖房间热环境的影响

2017-01-13亢燕铭

东华大学学报（自然科学版） 2016年6期

关键词：冷风热风射流

贾琳，钟珂，叶筱，亢燕铭

(东华大学环境科学与工程学院，上海201620)

冷风侵入对不同送风方式供暖房间热环境的影响

贾琳，钟珂，叶筱，亢燕铭

(东华大学环境科学与工程学院，上海201620)

利用数值计算方法分析和比较了碰撞射流通风和混合通风在不同冷风侵入情况时的热风供暖特性.结果表明，在有明显冷风侵入的房间中，碰撞射流通风供暖时室内空气混合程度远大于混合通风.冷风侵入量越大，室外气温越温和，碰撞射流热风供暖的节能率越高.

碰撞射流通风；混合通风；热风供暖；冷风侵入；节能率

传统的热风供暖送风方式为混合通风(mixing ventilation，MV)，由于热风从房间上部送入，同时热风受到向上浮力的作用，供暖能量很难进入人员所在的下部空间，特别是在有明显冷风侵入的房间，供暖能量利用率更低[1].一种新型的通风方式，即碰撞射流通风(impinging jet ventilation，IJV)为提高供暖能量利用率提供了可能[2].IJV以1.4～3.0 m/s的风速将热风从距地面较近的送风口送出，热风撞击地面后扩散开来，与室内空气混合后在浮力作用下流向布置在房间上部的回风口.已有研究[2 - 5]表明，IJV不但具有良好的空气品质而且节能，因此可以认为IJV综合了MV与置换通风的优点，但是关于IJV供暖特征的研究很少[6].文献[78]对无明显冷风侵入房间采用IJV供暖的热环境特征进行了研究，但对IJV用于有明显冷风侵入供暖空间的研究几乎没有报道.而在实际生活中这种空间非常普遍，如超市、商场等，外门的频繁开启导致的冷风侵入对室内热环境会产生很大影响.

因此，本文以冷风侵入时间和冷风温度作为主要的研究变量，利用数值计算方法分析和比较IJV和MV在不同冷风侵入情况时的供暖特性，为改善有明显冷风侵入房间的热环境和提高供暖能量利用率寻求合适的送风方式.

1 数值模型

1.1 计算模型和计算方法

本文选取的模型为一个商铺，人流量大，外门会随人员进出间歇性开启，该空间分别采用IJV系统和MV系统进行热风供暖.图1为计算域平面示意图，房间长为9 m，宽为9 m，高为4.5 m，由于建筑空间和风口布置具有对称性，因此选取全部空间的一半进行研究，见图1中灰色部分.外围护结构由玻璃墙和外门组成，外门高为2.5 m，宽为1.5 m，门和玻璃墙均采用双层钢化玻璃，空气夹层厚为6 mm，传热系数为3.0 W/(m2·K)玻璃围护结构上方以及商铺其他方向的内围护结构均为钢筋混凝土墙体，传热系数为0.47 W/(m2·K).

图1 计算域平面示意图Fig.1 Plan of the space researched

当采用IJV供暖时，两根风管分别位于两根立柱旁边，送风口距地面0.3 m，如图2所示.由于送风气流方向垂直向下，为避免近风口处对人员造成吹风感[7]，送风速度取为1.5 m/s.回风口位于屋顶中央，尺寸为0.30 m×0.15 m.采用MV供暖时，送风口设在侧墙上，距离地面高为3.5 m，尺寸为0.24 m×0.90 m，送风速度为2.5 m/s，气流与墙面夹角为30°斜向下送入.回风口位于送风口上方，距送风口0.5 m处，尺寸与送风口尺寸相同，如图2所示.

图2 IJV系统与MV系统供暖房间模型示意图Fig.2 Model of the warm air heating room by IJV and MV

为分析比较冬季不同寒冷天气时的供暖效果，数值计算时室外温度分别取为5、0和-5 ℃.由于冬季供暖最不利设计条件为阴天，故不考虑太阳辐射的影响.房间内距地面高为1 m处设置了温控器，具体位置如图2所示.供暖初始温度为15 ℃，送风温度为30 ℃.采用定频间歇供暖模式，即当监控面温度升到21 ℃时将送风温度调至21 ℃，当监控面温度下降至19 ℃时将送风温度重新调至30 ℃，依次循环.

本文采用三维连续不可压缩流体，认为在计算过程中流体属性不发生改变.在用FLUENT软件进行数值模拟时，采用二阶迎风格式对控制方程离散化，并用SIMPLE算法求解方程.考虑到室内供暖气流会受到浮力影响，室内上下温差在10 ℃左右时，空气密度可使用Boussinesq近似[9 10].在数值计算过程中，认为室外为静风条件，故设冷风侵入的速度为0.05 m/s.

在关门状态下开始计算，当监控面温度首次达到21 ℃时，第一次开门，随后根据不同的开门间隔分别进行计算.针对3种室外气温，分别计算了5种开门时间的情况，计算工况的详细参数如表1所示.为便于比较，本文定义无量纲平均冷风侵入时间(T)为

(1)

式中：τo为一个周期中的开门时间；τc为一个周期中的关门时间.

表1 工况参数说明Table 1 Illustration of parameters in different situations

注：M为平均冷风侵入量.

1.2 计算模型验证

为了保证数值模拟方法的可靠性，首先需要验证上述数学模型的合理性.在东华大学环境科学与工程学院人工气候实验室进行热风采暖试验，对室内的温度场和速度场分布进行实测，试验细节详见文献[11].实测结果与数值模拟结果的对比如图3所示.由图3可知，数值模拟计算结果与实测结果之间吻合较好，因此，本文采用的数值计算方法可以用于下文的研究.

(a) 温度(b) 风速图3 实测结果与数值模拟结果对比Fig.3 Results comparison between experiments and numerical simulations

2 分析与讨论

2.1 冷风侵入对室内气流和温度分布的影响

为了直观地看到冷风侵入对室内热环境的影响，在两种供暖方式下，开门前和开门10 s时，当工况4时通过外门中心的纵剖面(见图2)上的温度分布情况如图4所示.

(a) IJV开门前

(b) IJV开门10 s后

(d) MV开门10 s后图4 两种热风供暖方式下穿过外门中心剖面上的温度分布Fig.4 Temperature distribution at the plane across center of the door under two kinds of warm air heating

由图4可以看到，IJV和MV热风供暖房间都存在明显的温度梯度，但前者的热力分层现象明显弱于后者.分别对比两种热风供暖方式在开门前后的温度分布，可以看到，两种热风供暖方式下，冷风侵入后均直接下沉至地面附近，导致地面附近温度明显下降，而房间上部温度维持不变.由于MV房间的热力分层现象在不开门时已经很显著，使得侵入的冷风对MV房间的影响小于IJV房间.

在两种供暖方式下，开门前和开门10 s后，距地面高度0.1 m平面上的温度和流线分布情况如图5所示.

(a) IJV开门前

(b) IJV开门10 s后

(d) MV开门10 s后图5 两种热风供暖方式下离地面高度0.1 m 平面上的温度与流线分布Fig.5 Temperature distribution and air flow fields at the plane of 0.1 m height under two kinds of warm air heating

由图5可以看到，由于玻璃门和窗户的内表面温度较低，使得开门前后门窗附近气温均较低.开门后侵入的冷风对地面附近气流流动形态没有明显影响，但扩大了低温区面积，特别是在MV供暖房间中，不仅低温区面积大幅度增大，温度也明显降低.另外，由图5还可以看到，在MV房间中，由于开门后入侵的冷空气使感温器附近气温下降比IJV迅速，需要空调更早开启为室内补充热量.因为MV是沿与墙壁成30°方向向下送风，所以开门后空调开启使得低温区面积扩大的同时高温区面积也有所增大，但可以明显看出平面的平均温度降低. 相对而言，IJV对冷风的抵御作用较强，并且近地面的平均温度比MV系统也高很多.这是因为IJV送风口送出的热射流紧贴地面流动，与沿地面扩散开的冷风部分混合，有效地提高了近地面温度.

供暖的根本目的是满足人员活动区的热舒适要求，通常2 m以下空间可以视为人员区.为此，当室外气温为0 ℃，在两种热风供暖方式下，高度为2.0和0.1 m平面的平均空气温度随着开门次数的变化曲线如图6所示.为方便标记，将第n次开门时刻(尚未开门)对应的时间定义为On(n=1,2,…).

(a) MV

(b) IJV图6 两种供暖系统在不同高度平面处的平均气温与开门行为的关系Fig.6 The relation between average temperature at different height and behavior of opening the door under two kinds of warm air heating

由图6可以看到，由于采用定频热风间歇供暖，室内气温在关门状态时也有波动.由图6(a)可以看到，在MV供暖房间，室内上部和下部区域的温度随时间变化不同步.这是因为上送上回的送风方式使得热空气滞留在房间上部，由于上下部空间的空气交换微弱，使得两者气温波动规律相对独立.影响上部气温的主要因素是热风送入的间歇频率，而下部区域则主要受控于开门造成的侵入冷风.由图6(b)可以看到，在IJV供暖房间中，房间上部和下部气温随时间变化规律完全一致.这是因为在IJV系统中，热空气从房间下部送入，与侵入室内的冷空气混合后再流入回风口，这种室内空气充分混合的特征使得房间上下空间温度波动非常一致，并且上下温差也很小.这表明IJV供暖房间空气的混合程度远大于MV供暖房间.

在室外温度不同的情况下，两种热风供暖方式的房间时均温度沿高度的分布曲线如图7所示.

(a) 室外温度-5 ℃

(b) 室外温度0 ℃

从图7中可以看出，IJV热风供暖房间的温度梯度远小于MV房间.冷风侵入量对室内温度梯度的影响几乎可以忽略不计.但对比图7(a)，7(b)和7(c)可以看到，室外气温对温度梯度的影响很大.室外气温虽然对房间上部温度没有明显影响，但房间下部温度随着室外气温的下降明显降低，MV供暖房间受室外气温的影响明显大于IJV供暖房间.

为实现近地面人员区舒适温度的要求，较大的温度梯度会造成房间平均温度偏高，进而增加供暖能耗.图7表明，相同气候和房间使用条件下，IJV热风供暖房间可以实现较小的温度梯度，即意味着IJV相对于MV具有一定的节能效果.

2.2 不同热风供暖方式的能耗分析

房间供暖能耗Q的计算式为

(2)

式中：τ1为供暖时间，s；ρ为空气密度，kg/m3，文中ρ=1.2 kg/m3；G为送风量，m3/s，文中G=0.27 m3/s;c为空气的比热容，kJ/(kg·K)，文中c=1 kJ/(kg·K)；ts与th分别为送、回风温度，℃.

根据供暖能耗，可求得供暖热指标(Zi)，即

(3)

式中：i为工况编号；Qi为对应工况的能耗，kJ；τi为对应工况的供暖总时间，s；A为房间面积，m2.根据模拟计算结果以及式(2)和(3)得到的各工况供热指标，结果如图8所示.其中，工况0为相对冷风侵入量为0，即始终不开门的情况.

图8 两种供暖系统的各工况供热指标Fig. 8 Heating index of different situations under two kinds of warm air heating

由图8可以看出，在相同的室外气温条件下，两种热风供暖方式的供暖热指标均随着相对冷风侵入时间增加呈近似线性增加，但IJV的增大幅度小于MV.此外，还可以看到，在室外气候条件和冷风侵入量相同的情况下，IJV的能耗明显低于MV.由此表明在有明显冷风侵入房间采用IJV供暖，可以得到较好的节能效果.

为了更直观地分析IJV系统相对于MV系统的节能优势，定义室外温度为te时IJV系统的相对节能率(I)为

(4)

式中：ZI,te和ZM,te分别为室外温度为te时IJV和MV供暖房间的供热指标.图9 为室外温度分别为5，0，-5 ℃时IJV系统的相对节能率.

图9 IJV系统的相对节能率Fig.9 Relative energy saving rate of IJV

从图9 中可以看出，IJV热风供暖的相对节能率随着冷风侵入量的增加而增大，表明供暖房间的冷风侵入现象越明显，越适合采用IJV 热风供暖.此外，在冷风侵入量相同的情况下，IJV系统的相对节能率随室外温度的增加而增加，在5 ℃时，IJV的相对节能率高达14%～21%，但在-5 ℃的气候下，相对节能率仅为3%～9%.

3 结语

传统的上送上回热风供暖送风方式的供暖能量利用率较低，但碰撞射流通风为提高供暖能量利用率提供了可能.本文利用数值计算方法分析和比较了碰撞射流和混合通风在不同冷风侵入情况时的供暖特性，主要得到以下结论：

(1) 在有明显冷风侵入的房间中，碰撞射流通风供暖时室内空气混合程度远大于混合通风，这使

得碰撞射流通风对冷风的抵御作用强于混合通风；

(2) 由于碰撞射流热风供暖房间的室内上下温差明显小于混合通风，因而前者相对于后者具有明显的节能效果；

(3) 冷风侵入量越大，室外气温越温和，碰撞射流热风供暖的相对节能率越高，因此，可以认为碰撞射流热风供暖方式更适合夏热冬冷地区有明显冷风侵入的空间；

(4) 在-5 ℃的气候下，碰撞射流通风供暖的相对节能率仅为3%～9%，因此在室外气温较低的北方地区，相对于混合通风，碰撞射流通风在供暖方面没有明显优势.

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Effects on Thermal Environment Caused by Cold Air Infiltration under Different Styles of Warm Air Supplied

JIALin,ZHONGKe,YEXiao,KANGYan-ming

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Numerical simulations have been carried out for analyzing and comparing the characteristics on warm air heating systems between impinging jet ventilation and mixing ventilation with different condition of cold air infiltration. The results show that, in the heating room with considerable appearance of cold air infiltration, the extent of mixing air in warm air supplied by impinging jet ventilation system far exceeds that with mixing ventilation. With the higher volume of cold air infiltration and the milder temperature of outdoors, the energy saving rate of warm air heated by impinging jet ventilation will be higher.

impinging jet ventilation; mixing ventilation; warm air heating; cold air infiltration; energy saving rate

16710444 (2016)060894-06

20150922

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)

贾琳(1990—)，女，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向为建筑环境与节能.E-mail:jialin0415@foxmail.com 钟珂(联系人)，女，教授，E-mail:zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831.3