主动式冷梁诱导特性研究

翁文兵 黄旭 朱佳璐

（上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093）

主动式冷梁诱导特性研究

翁文兵 黄旭 朱佳璐

（上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093）

针对主动式冷梁诱导性能实验中存在的风量测量问题，设计了一套新型主动式冷梁诱导性能测试实验台，基于此实验台研究不同一次风量对主动式冷梁诱导性能的影响。结果表明：一次风量小于80 m3/h时，冷梁诱导比随一次风量的增加而增加，当一次风量达到80 m3/h以后，诱导比基本趋于3．17。冷梁静压箱压力与一次风量之间存在二次方的关系，在冷梁4 mm喷嘴下，静压箱压力随一次风变化的拟合曲线为y＝0．0225x2＋0．0101x。建立主动式冷梁模型，针对一次风量对诱导性能的影响进行数值模拟，并基于设计的实验台对模拟结果进行验证，得到冷梁诱导比、静压箱压力模拟结果和实验结果误差最高分别达10．5%和8．8%，模拟整体结果和趋势与实际测量吻合良好，说明该模型具有较高的可靠性。

主动式冷梁；风量测量；诱导比；静压箱；数值模拟

在倡导节约能源的今天，主动式冷梁作为全球15个有利于建筑节能的技术之一得到广泛的运用［1－5］。国内外关于主动式冷梁的研究有许多：同济大学的张智力等［6］研究了喷射型诱导风口诱导比的影响因素，认为喷嘴几何尺寸对诱导比的影响较大，一次风影响较小。利兹大学的M．Ruponen等［7－8］研究了一种新型冷梁诱导比测量方法，通过实验研究发现送风口形状对诱导比几乎没有影响，对诱导比影响最重要的因素是喷嘴和送风口的面积比率。天津大学的孙斌辉等［9－10］采用实验测试与计算机数值模拟相结合的方法对主动式冷梁诱导比性能进行研究，对主动式冷梁结构设计提出了建议。以上对主动式冷梁诱导性能研究中，冷梁二次风量的测量主要采用两种方法：第一种将一组温度探头设置在换热器的进出口位置，记录二次风通过换热器的温差，结合冷梁供冷量求得二次风量大小；第二种通过仪器直接测量。这两种方法存在以下问题：1）冷梁供冷量通过测量冷梁冷水进出温差以及冷水流量来求得，但冷梁在运行过程中存在一定的辐射量，故供冷量测量不精确；2）实验涉及冷梁水系统运行情况的研究，较为复杂；3）直接测量风速得到二次风量，实验仪器须有较高的精确度，且测量结果不稳定。

针对以上主动式冷梁二次风量测量存在的问题，本文设计一套主动式冷梁诱导性能测试实验台，并基于此实验台研究了不同一次风量对主动式冷梁诱导性能的影响，同时基于此实验台对Fluent数值模拟结果进行验证。

1 主动式冷梁实验系统

1.1 实验原理

实验系统分为三个部分：一次风侧风量测量装置、主动式冷梁主体、二次风侧风量测量装置。通过一次风侧风量测量装置向主动式冷梁主体内送风，一次风进入冷梁静压箱内，测量一次风量大小与静压箱内压力大小。静压箱内一次风通过冷梁喷嘴流出，并诱导二次风进入冷梁，使回风面板处呈负压。通过二次风侧风量测量装置向冷梁送风，平衡回风面板处负压，测量此时二次风量的大小。实验系统原理如图1所示。

图1 主动式冷梁诱导性能测试实验系统Fig．1 The active chilled beam induced performance test experiment system

诱导比是评价主动式冷梁诱导性能的一个重要指标，诱导比的大小决定了主动式冷梁送风系统中一次风能否与室内二次风进行充分混合，以满足空调系统的设计送风温差及送风量要求，主动式冷梁诱导比的计算公式为：

式中：Q为冷梁送风量，m3/h；Q1为冷梁一次风侧风量，m3/h；Q2为冷梁二次风侧风量，m3/h。

要得到主动式冷梁的诱导比，需要得到一次风量、二次风量和送风量中的两个参数值。对于冷梁送风量，为保证送风能贴附天花板流动，达到贴附射流的效果，冷梁一般会采用有一定角度的出风口，不规则角度的送风风量很难测得，因此本文选择测量冷梁一次风量与二次风量。

1）一次风侧风量测量。在主动式冷梁的一次风侧设计一套送风系统，由送风机将新风送入冷梁静压箱内，送风机为变频离心风机，可以调节风机的风量大小。在风管设置喷嘴，喷嘴的前后设有取压口，在实验过程中测量喷嘴前后压差，即可知通过的一次风量。为了使进入喷嘴的风量均匀，在喷嘴入口段设有整流段，装置结构如图2所示。

图2 一次风侧风量测量装置Fig．2 The primary air flow measuring device

2）二次风侧风量测量。主动式冷梁二次风量的测量主要有温度探头结合冷梁供冷量测量和仪器直接测量两种方法，这两种方法均存在测量不精确，结果不稳定的问题，因此本文提出一种新型风量测试方法，适用于低风速下通过不规则面板的风量测量。该方法基于烟雾流向对压力变化的反应相对于仪器更为敏感的原理进行设计。

二次风侧风量测量装置主要由风罩、发烟装置、压差传感器、喷嘴、变频引风机组成。在冷梁的二次风侧，用风罩将整个回风面板罩住，在风罩的内部设置用于均流的孔板，在孔板上方开一个直径为5 mm的小孔。发烟装置由四通管、气管、熏香组成，四通管通过气管与风罩小孔相连，熏香放置在四通管中心。变频引风机通过喷嘴连接风罩，通过变频引风机将室内回风引进并送入风罩中，压差传感器安置在喷嘴的两侧，可测量通过喷嘴的风量。通过发烟装置发烟，观察四通管内烟雾的流向。当烟雾的流向为竖直上升时，视为风罩内外压差为零，此时通过喷嘴的风量即为二次风侧风量。二次风侧风量测量装置结构如图3所示。

实验过程中，使四通管内烟雾流向竖直向上，控制回风罩内的风压与外界气压保持一致，则通过二次风侧变频风机的风量即为二次风量，可通过喷嘴前后压差传感器测量得出。喷嘴的直径有25 mm、40 mm、50 mm、70 mm 4种规格，可以根据二次风量的大小来决定使用喷嘴直径的大小。

图3 二次风侧风量测量装置Fig．3 The secondary air volume measuring device

3）静压箱压力测量。为研究主动式冷梁诱导性能，还需对冷梁静压箱内压力变化进行研究。对于静压箱内压力的测量，可直接在静压箱上布置测点，通过压力测量仪进行测量。在冷梁的静压箱上，距离静压箱一侧100 mm处开个小孔，将压力传感器通过小孔布置在静压箱内，同时密封小孔，通过压力测量仪读取静压箱内压力。

1.2 实验测量装置

1）主动式冷梁主体。主动式冷梁主体选用双出风型主动式冷梁，冷梁规格为1 800 mm×590 mm×250 mm，冷梁静压箱喷嘴大小固定。一次风管直径120 mm。内翅片换热器规格为1 630 mm×350 mm×45 mm，翅片之间的间距为4 mm，在翅片的一侧有进回水管。在冷梁静压箱的两侧都有喷嘴，且喷嘴的数量为81×2个，喷嘴直径为4 mm。

2）测量工具。在本实验系统中，压力测量利用Testo 512压力测量仪进行测量，该仪器是一款带有温度补偿功能的精密型压力测量仪，测试范围为0～2 kPa，利用该仪器可测量流动流体的正压、负压和差压。实验过程中，可以同时显示出压力值和风速，读取方便。

1.3 实验过程

主动式冷梁诱导性能测试步骤如下：1）检查实验电源及实验仪器，包括一次侧调速风机、电位器、二次侧变频风机、冷梁样机以及测试仪器能否正常使用。2）打开一次侧调速风机，通过调节电位器电阻至最小值，待运行一段时间稳定后，用压差计测量一次风侧喷嘴的前后压差并记录。3）通过观察烟雾流动状态，调节二次侧变频风机的频率至烟雾呈竖直向上升起的状态。记录此时的二次风侧喷嘴的前后压差以及静压箱压力。4）调大电位器的电阻，重复步骤2和步骤3，进行多组数据的测量记录。5）实验测量结束后及时切断电源，熄灭发烟装置，整理实验测试装置及实验仪器。

2 主动式冷梁诱导性能数值模拟

为研究一次风量对主动式冷梁诱导性能的影响，本文根据主动式冷梁实际结构尺寸，利用Gambit建模软件建立主动式冷梁模型，用数值模拟软件Fluent对其进行数值模拟分析［11－13］，并基于设计的主动式冷梁诱导性能测试系统对数值模拟结果进行验证。

由于主动式冷梁的几何结构比较复杂，在不影响研究主动式冷梁诱导性能以及精确性前提下，对模型作如下假设和简化：

1）送、回风不等温，但是温度对射流形态及射流发展的影响程度不大，故模型中忽略温度的影响。

2）在冷梁内部，由于换热器内翅片对二次风量大小影响可以忽略，且翅片数目较多，对其进行网格划分会影响模型整体网格的质量，同时，回风面板亦有众多小孔结构，不利于网格的划分，因此实际建立模型时，将换热器和回风面板均省略，只将其简化为二次风压力入口。

对主动式冷梁几何模型进行非结构性网格划分，喷嘴采用Hex/Wedge单元与Cooper相结合的方式进行体网格划分，采用适应性较强的TGrid网格对其他部分进行整体划分。模型采用不可压缩流体的稳态模型，湍流计算采用K⁃ε模型，一次风入口设置为速度进口，按照给定的一次风风量设置入口截面上的平均风速v。二次风入口设置为压力入口，其值为2 Pa。出风口定义为压力出口，出口静压为0 Pa。采用SIMPLE算法对压力和速度进行耦合，离散格式为二阶迎风格式。

3 结果与分析

3.1 一次、二次风量实验测量结果

实验采集了一次风量在60～120 m3/h变化时的12组数据，如图4所示。根据测试的结果计算不同一次风量条件下对应的诱导比，如图5所示。

由图4及图5可以看出，当一次风量在70～80 m3/h变化时，二次风量随一次风量的增加而增加，冷梁诱导比随一次风量的增加而增加。当一次风量大于80 m3/h时，二次风量随一次风量增加而增加，但此时冷梁诱导比不再随一次风量增加而增加，基本趋于一定值，在3.17附近上下浮动。由此可得：主动式冷梁的诱导比与一次风量并无关系，当一次风量较小时，冷梁诱导比随着一次风量的增加有所增加，当一次风量增加到一定值以后，诱导比维持在一定区间内，基本趋于一定值。

图5 诱导比随一次风量变化Fig．5 The induction ratio curve with the primary air volume

3.2 静压箱压力实验测量结果

主动式冷梁内部的风速较大，射流处于阻力平方区，从静压箱至送风出口管段的管网特性是恒定的，其阻抗为定值。因此，冷梁静压箱内一次风的静压pS与一次风量Q1应该符合以下关系式［14］：

式中：S1为冷梁静压箱至送风口的管路阻抗，kg/m7。

实验测试中，控制一次风侧变频风机送风量在60～120 m3/h变化，测量对应一次风量时静压箱内压力大小，共计采集12组数据，将静压箱内压力测量结果与一次风量测量结果绘制在二维折线图中，并选用二次曲线对结果进行曲线拟合，如图6所示。

由图可知，静压箱压力随一次风量的增加而增加，与一次风量之间存在二次方的关系，拟合曲线为y＝ 0.022 5x2＋ 0.010 1x，拟合曲线的可决系数为0.999 5，说明回归曲线的拟合程度良好。

3.3 实验装置测量误差分析

1）一次风侧测量误差

一次风侧风量的测量由式（4）计算：

图6 静压箱压力随一次风量变化Fig．6 The pressure curve of the cold box with the primary air volume

式中：C为喷嘴的流量系数；d为喷嘴直径，m；Δp为喷嘴两侧压差，Pa；ρ为空气密度，kg/m3。

由式（4）可知一次侧风量测量误差主要由喷嘴两侧压差测量决定［15］，本文选用Testo 512压力测量仪测量一次风侧喷嘴两侧压差，该压力测量仪测量精度为0.5级，量程为0～2 kPa，则由最大相对误差公式［16］：

式中：δ为仪表的精确度等级；A0为仪表量程；A为实测时仪表读数。

一次风侧喷嘴直径为40 mm，取测量最大压差为500 Pa，则喷嘴两侧压差测量最大相对误差为2%。

由间接测量误差传递公式可知：

式中：yqv为风量测量随机误差，m3/h；qv为为风量测量值，m3/h；xΔp为压差测量随机误差，Pa。

则一次风侧风量测量最大相对误差为1%，满足设计要求。

2）二次风侧测量误差

二次风侧风量测量误差主要由喷嘴两侧压差测量不准以及烟雾装置观测不准引起。

二次风侧喷嘴两侧压差测量与一次风侧喷嘴两侧压差测量一致，喷嘴直径为70 mm，取测量最大压差为400 Pa，由式（5）可知二次风侧喷嘴压差最大相对误差为2.5%，最大绝对误差为10 Pa，则由式（6）可求得二次风侧喷嘴测量最大绝对误差e1＝4.451 m3/h。

为使回风面板处为零压，需要使发烟装置烟雾流向竖直向上，而实验测试过程中，烟雾流向有些许飘动，导致测量误差。对于这一部分误差，由式（7）计算：

式中：v为连通管内风速，m/s；A为连通管截面积，m2。

取连通管内风速为0.02 m/s，连通管直径为2 cm，则可求得烟雾飘动误差e2＝0.023 m3/h。

随机误差的合成公式为［17］：

式中：ei为各项独立的随机误差。

对e1和e2两部分误差进行合成，因e2较e1数值非常小，最终取值可忽略e2影响，则二次风侧风量测量最大相对误差为1.25%，满足设计要求。

3.4 数值模拟结果与实验验证结果对比

数值模拟过程中，控制一次风量在60 ～120 m3/h变化，模拟一定一次风量条件下二次风量值、诱导比值、静压箱压力值，共计11组数据。同时实验测试对应一次风量条件下二次风量值、诱导比值、静压箱压力值，将数值模拟结果与实验测试结果列于下表1。

表1 主动式冷梁测试模拟结果与实验验证结果Tab．1 The simulation results and experimental verification results of active chilled beam

由表1可知，对于同一主动式冷梁，其诱导比模拟计算值与实验测试值最小相对误差为1.61%，最大相对误差为10.5%。静压箱压力模拟计算值与实验测试值最小相对误差为5.33%，最大相对误差为8.8%，误差均在可接受范围之内。

将实验结果与Fluent数值模拟结果绘制在二维折线图中，图7为主动式冷梁二次风量随一次风量变化的实验值与模拟值对比，图8所示为主动式冷梁诱导比随一次风量变化的实验值与模拟值对比。图9为主动式冷梁静压箱压力随一次风量变化的实验值与模拟值对比。

从图7～图9中可以看出，主动式冷梁二次风量、诱导比和静压箱压力的实验测试结果与数值模拟计算结果基本一致，且模拟结果与实验结果的诱导比均在理论计算范围内。从图中可看出，数值模拟结果相对实验测试结果较小，这是因为在建立模型时，冷梁盘管和回风面板两者阻力值在低风速下均很小，总阻力低于2 Pa，故将两者阻力影响简化为冷梁二次风进口处的固定阻力值，模拟中设置固定阻力值为2 Pa，因而导致模拟计算结果相对比实测值较小。

图7 二次风量实测结果与模拟结果对比Fig．7 The comparison between experimental results and simulation results for the secondary air

4 结论

图8 诱导比模拟结果与实测结果对比Fig．8 The comparison between experimental results and simulation results for the induction ratio

图9 静压箱压力实测结果与模拟结果对比Fig．9 The comparison between experimental results and simulation results for the pressure of cold box

本文针对主动式冷梁诱导性能实验中存在的风量测量问题，设计一套主动式冷梁诱导性能测试实验台，研究了不同一次风量对主动式冷梁诱导性能的影响，并基于实验台验证了主动式冷梁数值模拟结果，得出以下结论：

1）当一次风量在70～80 m3/h区间内变化时，主动式冷梁二次风量、诱导比随一次风量的增加而增加。当一次风量大于80 m3/h时，冷梁诱导比不再随一次风量增加而增加，基本趋于一定值，在3.17附近上下浮动。

2）冷梁静压箱压力与一次风量之间存在二次方的关系，在冷梁4 mm喷嘴下，静压箱压力随一次风变化的拟合曲线为y＝0.022 5x2＋0.010 1x。

3）数值模拟结果与实验测试结果整体趋势吻合良好，冷梁诱导比数值模拟结果和实验测试值的误差最高在10.5%，冷梁静压箱压力实验测试结果与数值模拟结果最大误差为8.8%，说明建立的主动式冷梁模型具有较高的可靠性。

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Research on the Induction Characteristics of Active Chilled Beam

Weng Wenbing Huang Xu Zhu Jialu
（School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，Chi⁃na）

To solve the problem of air flowrate measurement in an active chilled⁃beam system，a test rig of active chilled⁃beam was de⁃signed，and the influences of different primary air flowrate on the induced performance of an active chilled beam were investigated．The re⁃sults show that the induction ratio of the chilled beam increases with the increasing primary air volume when the primary air volume is less than 80 m3/h．The induction ratio tended to 3．17 when the primary air volume later reached 80 m3/h．There is a quadratic relationship between the pressure of the cold plenum and the primary air flow．Under the 4 mm nozzle of the chilled beam，the fitted curve of the static pressure with the primary air isy＝0．0225x2＋ 0．0101x．The active chilled⁃beam model was then set up，the effect of the primary air volume on the induced performance was simulated numerically，and the simulation results were verified based on the test results．The rela⁃tive errors between the experimental results and the numerical results reached 10．5%and 8．8%for the induction ratio and the pressure of cold plenum，respectively．The overall results and the trend of the simulation are in good agreement with the measured values，which indi⁃cates that the simulation has high reliability．

active chilled beam；air flow measurement；induction ratio；plenum chamber；numerical simulation

Huang Xu，male，master degree candidate，School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technolo⁃gy，＋86 15800906189，E⁃mail：1803230227＠ qq．com．Research fields：HV＆AC control technology，air⁃conditioning system energy⁃saving technology．

TB61＋1；TU831．4；TK39

A

0253－4339（2017）06－0060－07

10.3969 /j.issn.0253 － 4339.2017.06.060

2016年12月20日

黄旭，男，硕士研究生，上海理工大学环境与建筑学院，15800906189，E⁃mail：1803230227＠ qq．com。 研究方向：暖通空调自动控制技术，空调系统节能技术。