碰撞射流与混合通风系统对高大空间供暖效果的影响

2017-06-19亢燕铭

东华大学学报（自然科学版） 2017年2期

关键词：利用系数热风风口

陈杰, 亢燕铭, 叶筱, 钟珂

(东华大学环境科学与工程学院, 上海201620)

碰撞射流与混合通风系统对高大空间供暖效果的影响

陈杰, 亢燕铭, 叶筱, 钟珂

(东华大学环境科学与工程学院, 上海201620)

通过数值模拟的方法对比研究了碰撞射流通风(IJV)与不同送风口位置的混合通风(MV)的供暖特性. 结果表明: IJV房间的温度分布均匀, 其热风在室内的混合程度与供暖能量利用率明显大于MV, 且MV的送风口位置越高, IJV的节能优势越明显; IJV的人员吹风感风险大于MV, 但仍在可接受的范围内.虽然MV送风口位置越高, 吹风感就越小, 但这是以高能耗为代价的.因此在对人体吹风感无特殊限制, 且MV送风口位置不宜过低的高大空间中, 使用IJV可以同时实现节能与舒适度的要求.

碰撞射流通风; 混合通风; 能量利用系数; 送风口位置; 吹风感

高大空间建筑采用热风供暖时, 合理的气流组织可以将更多的送风能量调配到高大空间下部的人员工作区, 从而提高送风的能量利用率[1].采用传统混合通风供暖方式时, 送风口位置是影响气流组织分布的主要因素之一.文献[2]利用数值模拟的方法分析了不同送、回风口位置的高大空间内部温度场、速度场以及能量利用情况, 结果表明，降低送风口位置和采用下回风方式，可以使供暖能量在空调区的利用率得到显著提高.但是部分建筑由于其本身的功能性需求, 送风口位置必须在一定高度之上, 这将使得热空气集聚在室内上部, 难以到达人员区域, 从而导致送风能量利用率下降.为减小由此造成的供暖能量损失, 文献[3]利用数值模拟并通过试验验证的方法, 将正常热风供暖与热风循环供暖工况下的供热效率进行对比, 研究表明，热风循环供暖可以有效节省供热能量, 且供暖空间高度越高, 热风循环供暖越有效, 但热风循环供暖设施会增加额外成本和能耗.

碰撞射流通风是一种新型通风方式, 其将新鲜空气从室内下部直接送入工作区, 结合了混合通风和置换通风的优点, 有较好的应用前景[4-5].冬季供暖时, 通过距离地面一定高度(1.2 m以下)的送风口, 将具有较高动量的空气向下喷射到地面, 气流碰到地面后动量急剧衰减并沿地面向四周扩散, 但仍具有足够的动量到达较远的地方.由于送风动量较高, 热风与室内空气能够充分混合, 从而解决了混合通风供暖时热空气难以到达人员活动区域的问题[6].然而碰撞射流通风的送风参数与送风高度的不当设置，可能会给近地面区域带来一定吹风感[7].文献[8]在人工气候室对碰撞射流通风供暖时的温度与气流速度分布进行了实测, 分析了送风口高度与腿部吹风感的关系.

本文利用数值模拟计算方法对碰撞射流与不同送风口位置的混合通风进行对比研究, 当高大空间内部人员工作区达到舒适性要求的温度为20 ℃时, 探讨两种供暖方式下的室内热环境以及能量利用率等特征.

1 数值模型

1.1 计算模型的确定

以一个层高为15 m的高大空间建筑为物理模型, 该建筑南北墙为玻璃幕墙, 其平面图如图1(a)所示. 每个柱距单元的空调风口布置均相同, 为了便于计算, 考虑到房间的对称性, 选取一个柱距单元的一半作为研究对象, 几何尺寸为长(x)×宽(y)×高(z)=9 m×6 m×15 m, 图1(b)和1(c)分别为混合通风(MV)与碰撞射流通风(IJV)系统的几何模型,h为送风口高度.

(a) 高大空间平面图

(b) MV h=9 m

混合通风供暖系统采用上送下回的气流组织形式, 送风口(1个)设置在侧窗的窗肚墙上, 高度分别为3, 6, 9, 12和14.5 m, 尺寸为0.3 m×0.6 m.回风口(1个)设置在同侧墙面上, 距地0.5 m, 尺寸为0.3 m×0.6 m; 碰撞射流通风供暖系统送风口(4个)设置在模拟房间的4个柱子旁边, 几何尺寸为0.3 m×0.3 m, 距地0.6 m, 回风口(1个)设置在高大空间上方的屋面中心处, 尺寸为0.3 m×0.6 m.

冬季热风供暖时, 电脑、灯具等内热源对供暖有利, 且对室内温度与气流的局部分布影响很小[9], 故本文将忽略内热源影响.模拟研究的物理模型只有一面为玻璃幕墙, 玻璃传热系数K=4 W/(m2· ℃), 其余3面均为对称面, 故在模拟中只有一面需考虑外围环境的影响, 室外温度为-5 ℃.室内通常维持正压, 冷风渗透带来的热损失也不予考虑, 因此高大空间的负荷来源主要为玻璃幕墙.地板与屋顶均设有保温层, 通过二者的热损失相对于通过玻璃幕墙的热损失而言几乎可以忽略不计, 故在模拟中设置为绝热面.混合通风供暖系统送风温度为32 ℃, 送风倾角为水平向下30°, 对于不同的送风口位置, 通过改变送风风速使人员空间达到舒适性要求的20 ℃; 碰撞射流通风供暖系统送风气流垂直向下, 送风温度为31 ℃, 送风风速取2 m/s.

1.2 数学模型

本文研究的流体为三维连续不可压缩流体, 模拟计算中认为流体属性不变[10].采用四面体网格对物理模型进行网格划分, 并对送、回风口以及玻璃幕墙附近的网格进行加密处理.采用Fluent软件进行数值模拟时, 选用二阶迎风格式对离散方程进行离散化, 湍流模型选用RNGκ-ε两方程湍流模型, 离散方程的求解采用SIMPLE算法[11].考虑到供暖时热空气浮升力的影响, 空气密度采用Boussinesq假设[12].高大空间所有壁面均设置为无渗透和无滑移条件, 送、回风口分别定义为velocity-inlet和outflow.

1.3 数学模型的合理性验证

为保证本文数值模拟方法的可靠性, 需对所用的数学模型进行合理性验证.在东华大学环境学院人工气候室进行热风采暖试验, 对室内的温度场和速度场进行实测.详细试验内容见文献[13].

运用数值计算的方法对上述试验工况进行模拟, 数值模拟结果与部分实测数据的对比如图2所示.由图2可知, 数值模拟计算结果与实测结果之间吻合较好, 因此, 本文运用的数学模型是可靠的.

图2 实测结果与数值模拟结果对比Fig.2 Results comparison between experiments and numerical simulations

2 模拟结果与分析

2.1 混合通风与碰撞射流通风供暖方式对室内热环境的影响

y=3 m平面(y轴表示沿开间侧窗方向上的坐标, 见图1(b))为通过混合通风系统送风口以及计算空间中心轴的剖面.图3给出了碰撞射流通风和混合通风两种供暖方式下该截面的温度与流线分布图.其中混合通风和碰撞射流通风的送风温度分别为32和31 ℃, 通过改变送风风速(v)使2 m以下人员工作区达到20 ℃, 具体送风风速见图3中标注.

(a) MV， h=3 m, v=3 m/s (b) MV， h=9 m, v=4 m/s

(c) MV， h=12 m, v=4.3 m/s (d) IJV, v=2 m/s图3 典型剖面的温度和流线模拟结果Fig.3 Numerical results of the temperature and air flow on typical planes

由图3可以看到, 对于混合通风, 热风以30°的倾角向下射出, 随着送风动量的衰减以及在热浮升力的作用下, 热气流开始向上弯曲运动, 到达屋面后向四周扩散, 聚集在上部空间的热空气形成封闭的流线.同时, 被侧窗冷表面冷却的空气下沉至地面, 最终在热力分层界面上下分别形成了两个相对独立的流动区域.下回风的空气来源被迫限制在下部冷空气流动区域, 将上部热空气拖曳至下部空间的能力被大幅度削减.

尽管文献[2]的研究表明, 热风供暖房间采用下回风相较于上回风可以得到较小的温度分层, 但图3(a)～3(c)表明, 在有大面积侧窗的高大建筑中, 被侧窗冷表面冷却并下沉的冷空气大幅度减小了下回风对热空气的拖曳作用.对比图3(a)～3(c)可以看到, 送风口位置越高, 下回风将热风引导至房间下部空间的作用就越微弱, 供暖房间的温度分层现象越明显, 为实现人员空间的舒适温度要求, 所需要的送风风速也越大, 供暖能耗则越高.

由图3(d)可知, 对于碰撞射流通风, 尽管沿侧窗下沉的冷空气使得地面附近气温较低, 但由于热风直接送至人员工作区, 在热浮升力的作用下, 热空气由下而上运动, 流线在整个高大空间呈充分混合的状态, 使得高大空间上下温度分布均匀, 供暖能量得到较为高效的利用.

图4给出了两种供暖方式下室内不同高度平面的平均温度分布.

图4 IJV与MV室内不同高度平面的平均温度分布Fig.4 Distribution of average temperature at different height of the IJV and MV room

由图4可以看到, 对于碰撞射流通风, 高大空间内温度分布均匀, 而对于混合通风, 室内温度则表现出明显上高下低的分布特征. 混合通风室内热力分层界面以上区域空气温度分布较均匀, 这是由于该局部区域气流混合较为充分; 而在热力分层界面以下区域, 由于沿侧窗下沉的冷空气滞留在房间下部, 该区域气流混合程度较低, 故温度梯度非常大.

由图4还可以看到, 随着混合通风送风口位置的上升, 热力分层界面的位置越来越高, 室内上下部空间的温度差越来越大.为保证人员空间的舒适性温度要求, 不仅送风风速增大, 房间上部的温度也增高, 这使得房间热损失进一步增加.当送风口高度从3 m升高到14.5 m时, 混合通风房间上部平均温度增加了7 ℃, 并且比房间底部温度高2～8 ℃, 而碰撞射流通风供暖时, 室内上下温差不足0.5 ℃.

2.2 混合通风与碰撞射流通风供暖方式对能量利用率的影响

当高大空间2 m以下人员工作区达到相同的温度20 ℃左右时, 全空间与回风口的平均温度即成为评价送风能量是否得到有效利用的主要因素.图5给出了全空间、回风口以及2 m以下人员工作区的平均温度分布.

图5 全空间与回风口以及2 m以下空间的平均温度的比较Fig.5 Comparisons of average temperature of the whole room, air inlet and the zone below 2 m

由图5可以看到：对于混合通风, 送风口位置越高, 全空间与回风口平均温度越高, 表明当送风口位置升高时, 越来越多的送风热量加热了非人员区, 且排出室外的热量也越来越多; 对于碰撞射流通风, 由于整体大空间温度分布较为均匀, 全空间与回风口以及2 m 以下空间平均温度基本相等, 表明热风在高大空间内部得到充分混合, 送风能量得到了较为高效的利用.

为了进一步评价送风能量在供暖高大空间内的利用情况, 引入供暖能量利用系数η作为衡量指标, 其表达式为

(1)

其中:ts为送风口平均温度, ℃;tp为全空间平均温度, ℃;t2m为2 m以下空间平均温度, ℃.tp与t2m越接近, 表明送风能量在室内混合越充分, 能量利用系数η则越大.

图6给出了各工况下的能量利用系数数值.由图6可知：混合通风的能量利用系数随着送风口位置的升高而下降, 当送风位置高度由3 m增高到14.5 m时, 能量利用系数下降了约35%；碰撞射流通风的能量利用系数接近1.0, 大于所有送风口位置时的混合通风, 因此当高大空间使用条件对混合通风的送风口位置高度要求越高时, 碰撞射流通风的节能优势就越明显.

图6 IJV与MV的能量利用系数Fig.6 Comparison of the heating energy using coefficients of IJV and MV

2.3 混合通风与碰撞射流通风供暖房间的热舒适性比较

碰撞射流通风与送风口位置较低的混合通风均可将送风热量直接送达2 m以下的人员工作区, 在能量利用方面优势明显, 但由于热风直接送达人员工作区, 人体附近气流速度较高, 可能会给人体舒适性带来不利影响.流经人体的空气速度是影响人体舒适感的重要因素之一, 图7给出了各个工况下高大空间中心位置的空气流速沿高度方向的分布情况.

图7 高大空间中心位置沿高度方向的空气流速分布Fig.7 Vertical profiles of air velocity in the center of the room

由图7可知, 对于碰撞射流通风, 由于送风气流直接射至地面, 造成近地面的气流速度较大, 部分采样点空气流速接近0.5 m/s, 具有给人体带来吹风感的风险，而在距离地面1 m以上的空间, 空气流速逐渐减小至0.25 m/s以内. 对于混合通风, 当h=3 m时, 由于热风同样直接吹至2 m以下空间, 导致2 m高度以下人员空间的气流速度较大, 最大可达1 m/s, 给人体带来吹风感的风险较大；当h增大到6 m及以上时, 要使人员空间达到舒适性要求的20 ℃, 需相应地增大送风风速, 然而此时由于热风不能直接送达2 m以下空间, 人员空间的空气流速并没有增大, 均不超过0.4 m/s.

人员吹风感不仅与气流速度有关, 与气流温度也密切相关.为了进一步评价不同热风供暖方式对人体热舒适的具体影响, 引入Fanger模型(PD model), 它是目前应用最为广泛的一种吹风感预测模型, 这个模型综合考虑了空气温度、空气平均风速以及湍流强度, 具体定义如式(2)所示.

PD=(tcl-ta)(u-0.05)0.62(3.14+0.37vTu)

(2)

式中:PD为吹风感引起的不满意率,%;tcl为冬季室内人体服装表面温度, ℃, 本文取tcl=26 ℃;ta为测点温度, ℃;u为平均风速, m/s, 当u<0.05 m/s时, 令u=0.05 m/s;Tu为湍流强度,%.由文献[14]可知，人体舒适性要求可接受的最大PD值为20%.

当人员工作区达到相同的温度20 ℃时, 高大空间不同高度平面的PD平均值和近地面z=0.1m(z轴表示高大空间高度方向上的坐标, 见图1(b))的PD最大值分别如图8和9所示.

图8 IJV与MV供暖室内不同高度平面的平均PD值分布Fig.8 Distribution of average PD at different height of the IJV and MV room

图9 IJV与MV供暖室内z=0.1 m平面的最大PD值分布Fig.9 Distribution of maximum PD at z=0.1 m of the IJV and MV room

由图8可知, 对于混合通风, 送风口位置越高,PD平均值就越小, 碰撞射流通风的PD平均值大于所有送风口位置的混合通风情况.另外, 各个工况的PD平均值分布相似, 即近地面的PD平均值较大, 当空间高度上升至2 m以上,PD平均值逐渐趋于稳定.

同时, 图9表明, 在PD平均值最高的近地面, 各工况的PD最大值均在18%以内. 由此表明, 就人体舒适性而言, 尽管碰撞射流通风的吹风感大于所有送风口位置时的混合通风情况, 但均在ASHRAE55—2010标准允许的范围内.

此外, 根据图4～6可知, 尽管送风口位置较高(h=6, 9, 12或14.5 m)的混合通风, 其吹风感明显小于碰撞射流通风和送风口高度为3 m时的混合通风, 但这是以高能耗为代价. 因此在对人体吹风感无特殊限制, 同时送风口高度不宜过低的高大空间中, 碰撞射流通风可以同时兼顾节能与舒适度的要求.

3 结语

本文利用数值模拟的方法, 分析对比了碰撞射流通风和混合通风用于高大空间供暖时的内部热环境和能量利用率等特征, 主要结论如下所述.

(1) 碰撞射流通风供暖时, 高大空间内部温度分布均匀, 送风气流在室内得到充分混合; 混合通风供暖时, 高大空间则表现出明显上高下低的热力分层现象.

(2) 混合通风供暖时, 尽管送风口位置较高时, 送风风速加大, 但供暖能量利用系数仍随着送风口位置的升高而大幅下降; 碰撞射流通风的能量利用系数大于所有不同送风口位置时的混合通风, 高大空间使用条件对混合通风送风口位置高度要求越高, 碰撞射流通风的能量利用优势就越明显.

(3) 碰撞射流通风的吹风感大于所有送风口位置时的混合通风情况, 但依然在ASHRAE55—2010标准舒适性允许的值域范围内，在送风口高度不宜过低的高大空间中, 碰撞射流通风可以同时兼

顾节能与舒适度的要求.

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(责任编辑：刘园园)

Effects of the Impinging Jet Ventilation and Mixing Ventilation on Warm-Air Heating System in the Large-Height Space

CHENJie,KANGYanming,YEXiao,ZHONGKe

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

Numerical simulations have been carried out for comparing and studying the heating characteristic between impinging jet ventilation (IJV) and mixing ventilation (MV) with different height of inlet. The results show that the temperature distribution of IJV room is uniform, the mixing extent of indoor warm-air and energy-using efficiency is significantly higher than that in a MV room, and the higher height of MV inlet, the more obvious energy saving advantages of IJV. The draught risk of IJV is higher than MV, but is still in an acceptable range. The higher height of MV inlet, the smaller draught risk, but this is at the expense of high energy consumption. Therefore, IJV can achieve energy saving and comfort requirements at the same time in a large-height space when we have no special restrictions on draught risk and the height of MV inlet is inappropriate to be too low.

impinging jet ventilation; mixing ventilation; energy-using coefficient; locations of air supply inlet; draught

1671-0444 (2017)02-0254-06

2016-01-26

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)

陈杰(1990—)，男，安徽铜陵人，硕士研究生，研究方向为建筑环境与节能.E-mail: 15202155271@163.com 亢燕铭(联系人)，男，教授，E-mail: ymkang@dhu.edu.cn

TU 831.3