热压通风房间地面对流换热过程分析

王安全, 夏利梅, 喻 剑, 杨秀峰,2*

(1. 扬州大学电气与能源与动力工程学院, 江苏 扬州 225127; 2. 河南省高等学校供热空调重点学科开放实验室, 郑州 450006)

夜间通风被认为是一种能有效降低夏季空调能耗的被动式降温技术[1-2], 其原理是利用夜间温度较低的通风气流带走围护结构和室内物体白天吸收的热量,并在它们内部蓄存一定的冷量[3-5]．最简单、最常用的夜间通风方式是开窗通风, 即在热压和风压驱动下的夜间自然通风．但对层数较少、高度较低的建筑,由于建筑周围风速较小且不稳定,可不考虑风压作用[6]．夜间通风的节能效果主要取决于通风气流与围护结构表面间的对流换热．Artmann等[7]利用全尺度实验研究了夜间混合通风和置换通风情形下房间内表面的换热过程,指出通风量较小时置换通风的换热效果较好,通风量较大时混合通风更有效; Leenknegt等[8]数值模拟了通风房间内的二维流动过程,讨论了表面对流换热系数选择对建筑能耗模拟的意义,并进行了敏感度分析; Le Dréau等[9]全尺寸实验研究了夜间通风的热传递过程,考虑了通风型式、通风率、温差、地面发射率等因素, 并将导出的对流换热系数与现有关联式进行了比较; Wang等[10]分析了夜间通风过程中建筑内表面的热湿传递过程, 讨论了通风量对中国热湿气候区域房屋的室内相对湿度、壁面温度、内表面水蒸气通量和空调负荷的影响;卞维军等[11]实验测试了夜间风压通风房间内表面和地面热质的温度变化, 分析了换气次数、地面与进风气流间初始温差对地面对流换热的影响．上述研究均是针对夜间机械通风或门窗通风的情况,其流动起因、气流形式、换热强度与热压通风有显著差异．本文拟对热压通风过程中气流与地面间的对流换热过程进行实验测试,分析室内初始温度、地面初始温度和通风口尺寸对地面对流换热过程的影响,以期为夜间热压通风的节能效益评价奠定基础．

1 实验方案

1.1 实验系统

人工环境实验舱的外部尺寸为5.10 m×4.10 m×2.80 m(长×宽×高), 实验室布局如图1所示．实验舱墙壁的材质为内注发泡聚氨酯的彩钢板,地面和天花板的材质为单层彩钢板．根据实验需要对人工环境实验舱进行改造, 用5 cm厚的XPS挤塑保温板和5 mm厚的铝箔橡塑发泡隔热棉将实验舱西墙和天花板与实验舱隔开, 其他墙面同样铺设5 cm厚的挤塑保温板和5 mm厚的铝箔橡塑发泡隔热棉;地面自下而上依次铺设5 cm厚的XPS挤塑保温板、5 mm厚的铝箔橡塑发泡隔热棉、反射膜、电加热膜、5层1 cm厚的石膏板,石膏板的主要作用是室内蓄热体;实验舱舱门内侧设置一块轻质平板,平板的上部和下部分别有1个长方形孔洞,作为通风口,如图1(b)所示．由实验舱改造得到的通风测试小室的内部尺寸为3.90 m×3.60 m×1.90 m(长×宽×高)．石膏板和XPS挤塑保温板的导热系数、密度、比热容、发射率等物性参数见表1．

表1 实验材料的物性参数

图1 实验系统图(单位: mm)Fig.1 Schematic view of the experimental system

通风测试小室所在的实验室模拟热压通风建筑的室外环境,通风口打开时通风测试小室与实验室在热压作用下进行空气交换．实验步骤为: 1) 关闭实验舱舱门,利用加热膜加热石膏板,待石膏板表面温度高于实验所需温度后关闭加热膜; 2) 选择合适时机打开或关闭实验舱舱门,使实验舱通风冷却或自然冷却,从而使地面温度和室内空气温度接近实验条件; 3) 开启舱内吊扇搅拌舱内空气,当地面温度、室内温度和室外温度满足实验要求时开启通风口,进行持续的热压通风,并记录实验数据．

利用精度为±0.5 ℃的TT-T-30型热电偶(Omega公司, 美国)测量通风过程中地面石膏板、墙壁和天花板内表面、室内空气、进出风气流的温度,测点分布见图1(c)．将地面分为12个区域,每个区域中心位置的石膏板内部和表面布置6个热电偶(图1 (c)中的A～F), 测量石膏板内的垂直温度分布; 4面侧墙和天花板的中心处保温板内外侧各布置1个热电偶, 测量保温板两侧的温度; 地面第5、6、7号区域的中心处分别设置1根垂直测杆, 测杆上每隔0.2 m布置1个热电偶, 共布置9个, 测量通风小室内的垂直温度分布; 上下通风口处分别设置3个热电偶,测量进出风温度．热电偶与2台Agilent-34970A数据采集仪(Keysight公司,美国)连接, 每台采集仪内置3块20通道的34901型数据采集模块, 每30 s记录1次温度数据．

1.2 实验工况

表2 实验工况参数

为研究地面初始温度、室内初始温度、通风口尺寸等因素对热压通风气流与地面间对流换热过程的影响,进行了6组实验, 相关参数如表2所示．

2 结果与分析

2.1 实验数据处理

为减少实验误差, 常采用移动平均法处理实验数据[7,9,11,12]．实验过程中数据采集仪的移动平均数为5, 即每150 s生成1个数据,并采用文献[7,9,11]的数据处理方法,由实测的温度数据推算出地面导热量和小室各表面的辐射换热量,进而计算得到地面对流换热量和对流换热系数．

2.1.1 地面热传导量

利用一维瞬态有限差分模型推算石膏板内部的瞬态温度分布, 边界条件为石膏板上下表面处(测点F和B)的实测温度,初始条件为实验开始时石膏板内的温度分布, 根据推算出的每个时间步长内石膏板内的温度分布和Fourier定律, 可算出地面任一区域i内单位面积的导热量qcond, i[7,9,11]．

2.1.2 地面对流换热量

2.1.3 通风量

2.2 结果分析

2.2.1 典型实验分析

图2 工况2通风过程中石膏板内各点的温度和进出风温度Fig.2 Temperatures of the points inside the gypsum board and the inlet and outlet air during ventilation (Case 2).

本文以工况2为例对实测结果进行分析．图2给出了进风温度、出风温度和地面5号区域石膏板温度随时间的变化曲线．由图2可知,通风过程中进风温度基本不变,出风温度及石膏板温度均逐渐降低;石膏板垂直方向的温度由表面向内部逐渐增大,但最底层测点A的温度略低于测点B的温度,这说明虽然加热膜下方铺设了反射膜和保温材料,但仍有部分热量经保温材料向测试小室外部传递;通风初期石膏板垂直方向的温差明显,且测点D、E、F之间的温差明显大于其他测点间的温差, 且随着时间的推移，石膏板内的温度差异越来越小．

室内不同测杆处典型时刻的垂直温度分布如图3所示．由图3可知, 热压通风过程中3根测杆处的室内温度均逐渐降低, 且变化速率越来越慢; 通风初期3根测杆处均呈现出温度上高下低的热分层现象,随着通风的不断进行,距进风口较远的2号和3号测杆处的垂直温度分布趋于均匀; 但距进风口最近的1号测杆,由于进风气流的影响,下部空气温度仍然明显低于其他高度的空气温度．

图3 工况2中室内不同测杆处的垂直温度分布Fig.3 The vertical profile of air temperature along three poles during ventilation (Case 2)

图4 工况2中地面对流换热量和对流换热系数Fig.4 Convective heat flux and convective heat transfer coefficient on the floor (Case 2)

图5 室内初始温度对地面对流换热过程的影响Fig.5 Effect of initial indoor temperature on convective heat transfer on the floor

2.2.2 室内初始温度对地面对流换热的影响

图5给出了在地面初始温度相近(39 ℃左右)、室外温度相近(12.5 ℃左右)、通风口尺寸相同、室内初始温度不同时通风量对地面对流换热系数的影响．图5(a)显示,工况1的通风量逐渐减小,工况3的通风量先快速增大再逐渐减小,这是因为工况1的室内初始温度较高(接近地面初始温度),地面散热量小于通风排热量,使室内温度逐渐降低,通风量随之减小;相反, 工况3的室内初始温度明显低于地面初始温度,通风初期地面散热量大于通风排热量,室内温度先快速升高,此后才逐渐降低．图5(c)(d)说明,工况1的地面平均换热系数和局部换热系数均逐渐减小,工况3的地面平均换热系数和局部换热系数先增大再减小,与通风量的变化趋势一致．通风过程中后期,工况1测杆处地面的局部换热系数比工况3略大,这是因为这2组实验的地面与通风气流间温差相近且工况1的通风量较大,故通风气流与测杆处地面的换热较强．图5(b)显示,对相同的ΔT2而言,工况1对应的地面平均对流换热系数小于工况3对应的地面平均对流换热系数．这是因为地面换热过程包括室外流入空气与气流流经地面的对流换热以及室内空气与地面其他区域的对流换热两部分,后者与室内空气温度密切相关．由于工况1的室内空气温度比工况3的室内空气温度高,故3根测杆以外的地面区域与室内空气间的换热较弱,从而使地面平均换热强度稍差．

2.2.3 地面初始温度对地面对流换热的影响

图6给出了室内初始温度相近(26 ℃左右)、室外温度相近(12 ℃左右)、通风口尺寸相同、地面初始温度不同时通风量与地面对流换热系数的关系．由图6(a)可知,由于工况2的地面初始温度显著高于室内初始温度, 通风初期地面散热量大于通风排热量,室内温度升高, 通风量随之增大,一段时间后室温和通风量才逐渐降低;工况4的地面初始温度比室内初始温度高,地面散热量小于通风排热量,故通风过程中室内温度不断降低,通风量持续减小．图6(c)(d)显示, 工况4中测杆处地面的局部换热系数比工况2大, 这是因为工况2的地面初始温度较高, 需要较长时间才能达到与工况4相同的ΔT1值, 此时工况2的通风量小于工况4的通风量(例如, 测杆1处地面ΔT1≈10 ℃, 工况2和4的通风量分别约为249和278 m3·h-1．), 故工况2对应的地面局部换热系数较小．图6(b)表明, 对相同的ΔT2而言, 工况2的地面平均对流换热系数大于工况4的地面平均对流换热系数．这是因为工况2需要较长时间才能达到与工况4相同的ΔT2, 此时工况2的通风量与工况4的通风量相差不大(例如, ΔT2≈15℃, 工况2和4的通风量分别为245和242 m3·h-1．), 2个实验对应的室内温度也近似相等, 但工况2对应的ΔT1大于工况4对应的ΔT1, 从而使地面平均换热强度稍强．

图6 地面初始温度对地面对流换热过程的影响Fig.6 Effect of initial ground temperature on convective heat transfer on the floor

2.2.4 通风口尺寸对地面对流换热的影响

图7给出了室内初始温度相近(25 ℃左右)、地面初始温度相近(38 ℃左右)、室外温度相近(13 ℃左右)、通风口尺寸不同时通风量对地面对流换热系数的影响．工况5、6的上/下通风口尺寸分别为600 mm×160 mm/600 mm×300 mm和600 mm×300 mm/600 mm×160 mm, 两种情形的有效通风面积相等, 通风口中心的高差均为1.5 m．为叙述方便, 将这2组实验的通风口情形分别称为上小下大和上大下小的通风口组合．

图7(a)中2组实验的通风量变化过程基本重合, 这是因为热压通风量主要取决于有效通风面积、通风口高差和室内外空气温度, 工况5和6的这些参数相近．图7(c)(d)显示, 相对于上大下小的通风口组合,上小下大的通风口组合对应的测杆处地面的换热系数较大, 这是因为工况5中下进风口的下沿仅比地面高50 mm, 而工况6中下进风口的下沿比地面高120 mm, 进风口下沿越低,室外流入的空气与地面换热的效果越好．由图7(b)可知, 对相同的ΔT2而言, 工况6对应的地面平均对流换热系数大于工况5的换热系数, 这是因为工况6下通风口的面积约为工况5下通风口面积的0.53倍, 故工况6下通风口处的风速约为工况5的1.88倍, 通风气流对地面附近空气的搅动效果更好,有利于改善地面换热效果．

图7 通风口尺寸对地面对流换热过程的影响Fig.7 Effect of vent size on convective heat transfer on the floor

3 结论

1) 热压通风过程中室内温度逐渐降低,温度变化越来越慢,垂直分布趋于均匀;测杆处地面的局部换热量和局部对流换热系数分别大于地面平均换热量和平均对流换热系数;

2) 地面初始温度较高或室内初始温度较低的热压通风过程,其室内温度和通风量先上升后下降,地面局部对流换热系数先增大后减小;与室内初始温度较低的情形相比,室内初始温度较高时地面局部对流换热系数较大,平均对流换热系数较小;与地面初始温度较低的情形相比,地面初始温度较高时地面局部对流换热系数较小,平均对流换热系数较大;

3) 相对于上小下大的通风口组合, 上大下小组合对应的地面局部对流换热系数较小, 地面平均对流换热系数较大;

4) 若单侧热压通风房间的室外温度12 ℃左右,室内初始温度13～35 ℃,地面初始温度33～41 ℃, 则地面平均对流换热系数为2～8 W·m-2·K-1, 局部对流换热系数不超过18 W·m-2·K-1．