穆振英，刁乃仁，由世俊

(1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，濟(jì)南 250101)

置換通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

穆振英1，刁乃仁2，由世俊1

(1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，濟(jì)南 250101)

針對(duì)目前我國指導(dǎo)置換通風(fēng)實(shí)際工程設(shè)計(jì)的具體規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)缺乏、詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)不足這一問題，進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究．建立了理論計(jì)算模型，利用所建模型對(duì)置換通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，證明所建模型是正確的，可以作為后續(xù)分析的基礎(chǔ)．確定了能夠反映置換通風(fēng)特點(diǎn)的幾個(gè)參數(shù)指標(biāo)，包括熱力分層高度、通風(fēng)效率、房間垂直溫度梯度、工作區(qū)溫度和工作區(qū)風(fēng)速等．為了方便工程應(yīng)用，定義了熱源熱指標(biāo)的概念．根據(jù)熱源熱指標(biāo)設(shè)計(jì)了研究工況，利用數(shù)值模擬方法重點(diǎn)研究了熱源參數(shù)和送風(fēng)參數(shù)對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境舒適性的影響，得出了熱源參數(shù)和送風(fēng)參數(shù)的設(shè)計(jì)取值范圍，并對(duì)熱源分散性的影響提出了設(shè)計(jì)參數(shù)的修正方法．所得結(jié)論可供置換通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用校核參考．

置換通風(fēng)；送風(fēng)參數(shù)；熱源熱指標(biāo)

室內(nèi)空氣品質(zhì)對(duì)人們的工作和生活環(huán)境具有重要影響．室內(nèi)空氣品質(zhì)下降，不但會(huì)影響人體的健康，還會(huì)影響勞動(dòng)生產(chǎn)率，造成大量經(jīng)濟(jì)損失．置換通風(fēng)具有不同于傳統(tǒng)混合式通風(fēng)的氣流組織形式，能夠提供高品質(zhì)的室內(nèi)空氣，并且具有明顯的節(jié)能效果，正逐漸在工業(yè)、民用建筑中得到應(yīng)用．在歐洲置換通風(fēng)已經(jīng)占有了50%的工業(yè)空調(diào)市場(chǎng)和25%的民用空調(diào)市場(chǎng)[1]．置換通風(fēng)是將低于室內(nèi)工作區(qū)溫度的較涼新鮮空氣以很低的速度直接送入工作區(qū)，并在地板上形成一層較薄的空氣湖，當(dāng)送風(fēng)遇到室內(nèi)的熱源(人員及設(shè)備等)時(shí)被加熱，密度減小產(chǎn)生向上的對(duì)流氣流，形成室內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)氣流．排風(fēng)口設(shè)置在房間的頂部，將污染空氣排出．置換通風(fēng)以低速送風(fēng)，送風(fēng)的動(dòng)量很低，以致對(duì)室內(nèi)主導(dǎo)氣流不產(chǎn)生明顯影響，并可以極大節(jié)省送風(fēng)的能量．熱源引起的熱對(duì)流氣流使室內(nèi)產(chǎn)生垂直的溫度梯度，排風(fēng)的空氣溫度高于室內(nèi)工作區(qū)溫度，提高了工作區(qū)的舒適性．

歐洲國家對(duì)于置換通風(fēng)系統(tǒng)理論方面的研究比較成熟，已有30多年的應(yīng)用歷史．1978年，德國柏林市的一個(gè)焊接車間首次使用了置換通風(fēng)方式[2]．之后這種方式在北歐國家的工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用．至20世紀(jì)80年代，該方式開始應(yīng)用于非工業(yè)領(lǐng)域．此后，學(xué)者們不斷進(jìn)行了各方面的研究，并用得到的結(jié)論指導(dǎo)工程實(shí)踐[3-6]．

國內(nèi)對(duì)置換通風(fēng)的研究起步較晚，最早始于20世紀(jì)80年代初對(duì)下送風(fēng)方式的探討．之后有學(xué)者從原理、熱舒適性、設(shè)計(jì)方法等不同角度對(duì)置換通風(fēng)的有關(guān)問題進(jìn)行了研究[7-12]．但目前我國還沒有指導(dǎo)置換通風(fēng)實(shí)際工程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完整的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，僅在現(xiàn)行規(guī)范[13]中有2條應(yīng)用置換通風(fēng)的規(guī)定，特別是沒有詳細(xì)的可供工程設(shè)計(jì)參考的定量數(shù)據(jù)，而且對(duì)工程中常見的多熱源并存的情形也研究得不夠，這在一定程度上限制了置換通風(fēng)的廣泛應(yīng)用．因此，有必要開展相關(guān)研究，推動(dòng)置換通風(fēng)技術(shù)在我國的應(yīng)用．

本文以夏季空調(diào)方式為研究對(duì)象，采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)多熱源并存的置換通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，重點(diǎn)確定送風(fēng)參數(shù)的取值范圍，為工程設(shè)計(jì)中的參數(shù)選取和應(yīng)用校核提供理論依據(jù)．

1 理論模型的建立

置換通風(fēng)方式涉及到復(fù)雜的對(duì)流傳熱傳質(zhì)過程，數(shù)值模擬是幫助了解其工作機(jī)理的重要手段．在利用CFD軟件模擬之前需要建立求解問題的數(shù)學(xué)模型．空氣流動(dòng)滿足的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程可以寫成

其展開形式為

式中：ρ為流體密度，kg/m3；Φ為通用變量，可表示常量、速度矢量和溫度等求解變量；τ為時(shí)間，s；V為速度矢量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)；u、v和w是速度矢量V在x、y和z方向的分量，m/s．

對(duì)于連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程，Φ、Γ和S具有不同的具體形式，表1給出了3個(gè)符號(hào)與各具體方程的對(duì)應(yīng)關(guān)系．

表1 通用控制方程中各符號(hào)的具體形式Tab.1 Concrete forms of symbols in general governing equation

表1中μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；p為作用在流體微元體上的壓強(qiáng)，Pa；xm為坐標(biāo)方向，即x、y和z坐標(biāo)；Sn為S在x、y和z方向上的分量；T為流體溫度，K；k為流體的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；c為流體的比熱，kJ/(kg·K)；ST為黏性耗散項(xiàng)．

式(1)或式(2)有u、v、w、p、T和ρ 6個(gè)未知量，且不封閉，為此，需要補(bǔ)充一個(gè)聯(lián)系p和ρ的狀態(tài)方程使之封閉可解．

狀態(tài)方程的表達(dá)式為

為了能夠順利實(shí)現(xiàn)模擬工作，作以下5點(diǎn)假設(shè)：

(1) 室內(nèi)氣流為不可壓縮的牛頓型流體；

(2) 考慮熱源的熱浮升力作用，采用Boussinesq假設(shè)，在能量方程中加入浮升力的影響；

(3) 實(shí)驗(yàn)房間保溫措施良好，并且考慮到室內(nèi)氣流流態(tài)特性，邊壁采用絕熱邊界條件；

(4) 忽略熱源與壁面間以及各壁面之間的輻射換熱；

(5) 假設(shè)工況穩(wěn)定dΦ/dt＝0．

描述所研究問題的三維流動(dòng)、換熱模型建立起來之后，需要進(jìn)一步確定單值性條件，然后用前處理軟件劃分網(wǎng)格，再利用有限容積法對(duì)方程和單值性條件進(jìn)行離散，設(shè)定好CFD軟件的相關(guān)求解控制參數(shù)之后即可對(duì)方程進(jìn)行求解．

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型，使用SIMPLE算法，在壁面附近采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理．計(jì)算時(shí)，已知的定解條件中送風(fēng)口、回風(fēng)口和熱污染氣流的速度、溫度等邊界條件直接輸入CFD軟件界面．送風(fēng)系統(tǒng)采用全空氣系統(tǒng)直流式，無回風(fēng)．墻壁看作絕熱面．

2 氣流實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

自行設(shè)計(jì)建造的氣流實(shí)驗(yàn)室尺寸為5,600,mm× 5,000,mm×2,100,mm．該實(shí)驗(yàn)室建在空調(diào)房間內(nèi)，能夠通過對(duì)空調(diào)房間溫度的調(diào)節(jié)來模擬室外溫度的變化．實(shí)驗(yàn)室氣密性良好，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)敷設(shè)保溫材料．實(shí)驗(yàn)室東側(cè)開有門和觀察窗，南側(cè)墻壁下部開有4,000,mm×400,mm的孔板送風(fēng)口，頂棚中央開有2個(gè)200,mm×200,mm的排風(fēng)口．在房間中央地板上有3個(gè)200,mm×200,mm熱氣流送風(fēng)口，可送入熱氣流模擬熱源．氣流實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)布置如圖1所示．

圖1 氣流實(shí)驗(yàn)室示意Fig.1 Scheme of experimental room

實(shí)驗(yàn)所需要測(cè)量的物理量包括送排風(fēng)及熱源的氣流溫度、氣流速度和測(cè)點(diǎn)位置的幾何尺寸等．溫度的測(cè)量分為2部分，測(cè)量送排風(fēng)溫度和溫度場(chǎng)中各點(diǎn)的溫度．送排風(fēng)溫度和房間內(nèi)空間各點(diǎn)的溫度均通過溫度傳感器測(cè)量，溫度傳感器測(cè)溫范圍-50～100,℃，分辨力為0.1,℃，傳感器將采集的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，方便后續(xù)處理．排風(fēng)速度和速度場(chǎng)中各點(diǎn)的氣流速度采用風(fēng)速傳感器直接將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，風(fēng)速傳感器的測(cè)量范圍是0.05～30,m/s，最小檢測(cè)量為0.05,m/s．因?yàn)閷y(cè)量探頭安裝在了可移動(dòng)的操作支架上，通過支架上的刻度可以方便地讀取測(cè)點(diǎn)位置的幾何尺寸數(shù)據(jù)．測(cè)量時(shí)，在每個(gè)熱氣流送風(fēng)口的周圍布置了4個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試位置，測(cè)點(diǎn)沿豎向分布．

3 理論模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用第1節(jié)建立的模型對(duì)設(shè)計(jì)的2個(gè)工況進(jìn)行求解，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證．

1)工況I

單一熱源，送風(fēng)溫度293,K，送風(fēng)速度0.2,m/s；熱源熱氣流溫度341,K，熱氣流速度0.7,m/s．

2)工況II

雙熱源，送風(fēng)溫度293,K，送風(fēng)速度0.2,m/s；熱源1的熱氣流溫度326,K，熱氣流速度0.7,m/s；熱源2的熱氣流溫度310,K，熱氣流速度0.7,m/s；2個(gè)熱源距離為500,mm．

3.1 溫度分布結(jié)果對(duì)比分析

圖2與圖3分別繪出了工況I和工況II沿垂直方向溫度分布的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況．

圖2 工況I理論與實(shí)驗(yàn)溫度變化對(duì)比Fig.2 Comparison of theoretical and experimental temperatures under condition I

圖3 工況II理論與實(shí)驗(yàn)溫度變化對(duì)比Fig.3 Comparison of theoretical and experimental temperatures under condition II

從圖2和圖3的對(duì)比結(jié)果來看，二者曲線變化趨勢(shì)一致，各計(jì)算點(diǎn)誤差均小于10%，可以得出理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好的結(jié)論，驗(yàn)證了所建立模型的準(zhǔn)確性．從圖中還可知，豎向溫度分布存在明顯的分層現(xiàn)象和溫度躍升，房間下部溫度低，上部溫度高，而且在整個(gè)工作區(qū)內(nèi)溫度梯度較小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)空氣的“置換”．還可以從圖3看到，由于熱源的分散設(shè)置，使熱力分層高度有所降低，原因可以用熱羽流的理論解釋：室內(nèi)空氣受熱源的加熱作用形成上升氣流，氣流在上升過程中不斷卷吸周圍空氣形成室內(nèi)主導(dǎo)氣流，但由于熱源在較近距離內(nèi)分散設(shè)置，各熱源對(duì)周圍空氣的卷吸互相影響，加大了室內(nèi)氣流的混合運(yùn)動(dòng)，從而降低了熱力分層高度．因此，在較近距離內(nèi)應(yīng)該盡量避免分散設(shè)置熱源．

3.2 速度分布結(jié)果對(duì)比分析

圖4與圖5分別代表了工況I和工況II沿垂直方向速度變化的理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況．

從圖4和圖5可以看出，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合是比較理想的，誤差均在15%以內(nèi)．兩曲線的變化趨勢(shì)能夠反映置換通風(fēng)的主要特點(diǎn)．在地面附近氣流速度較大，隨著高度的增大，氣流速度逐漸減小，大約在房間中部，氣流速度達(dá)到最小，繼而氣流速度重新增大，直至從房間上部排出室外．

圖4 工況I理論與實(shí)驗(yàn)速度變化對(duì)比Fig.4 Comparison of theoretical and experimental velocities under condition I

圖5 工況II理論與實(shí)驗(yàn)速度變化對(duì)比Fig.5 Comparison of theoretical and experimental velocities under condition II

產(chǎn)生這種氣流變化的原因仍可以用熱羽流的有關(guān)理論來解釋：冷空氣送入室內(nèi)后，由于溫度低密度大而向地板沉積．在地板附近，由于氣流距離熱源近，受熱源的作用大，所以產(chǎn)生了較大的速度．隨著高度增加，熱源的作用逐漸減小，加之上升氣流不斷卷吸周圍的空氣，動(dòng)量降低，上升速度逐漸減?。竭_(dá)房間頂部附近時(shí)，由于此時(shí)已進(jìn)入到紊流程度大的污濁空氣區(qū)，受紊動(dòng)氣流的影響，此時(shí)的氣流速度重新增大．

從上述分析可見，理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差均在可以接受的范圍內(nèi)，這說明本文針對(duì)置換通風(fēng)系統(tǒng)所建立的模型是可靠的，可以應(yīng)用該模型直接對(duì)置換通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究．

4 參數(shù)指標(biāo)及研究工況設(shè)定

4.1 反映置換通風(fēng)特點(diǎn)的參數(shù)指標(biāo)

進(jìn)行數(shù)值模擬研究之前，有必要確定反映置換通風(fēng)特點(diǎn)以及室內(nèi)舒適性的參數(shù)指標(biāo)，通過對(duì)這些指標(biāo)的研究來衡量置換通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際工作效果和工作區(qū)的舒適程度．研究的主要指標(biāo)包括熱力分層高度、通風(fēng)效率、房間垂直溫度梯度、工作區(qū)溫度和工作區(qū)風(fēng)速等幾個(gè)參數(shù)．

具有內(nèi)部熱源的置換通風(fēng)房間普遍存在垂直溫度分層現(xiàn)象，形成下部的低溫區(qū)域和上部的高溫區(qū)域，2個(gè)溫度區(qū)域的分界面(即溫躍層)至地面的高度即為熱力分層高度．確定和控制熱力分層高度是實(shí)現(xiàn)置換通風(fēng)作用、保證高通風(fēng)效率和工作區(qū)良好空氣品質(zhì)的首要前提．

通風(fēng)效率是用來考察某種氣流組織形式能量利用有效性的一個(gè)指標(biāo)，也有學(xué)者將其稱為余熱排除效率或者能量利用系數(shù)，計(jì)算式[14]為

式中：Et為通風(fēng)效率；Tp為排風(fēng)溫度，K；Tn為工作區(qū)平均溫度，K；T0為送風(fēng)溫度，K．

房間垂直溫度梯度可以反映在垂直方向上溫度變化的劇烈程度，垂直溫度梯度不能過大，否則會(huì)降低房間的熱舒適程度．通常認(rèn)為房間垂直溫度梯度以小于2,K/m為宜[10]．

為避免產(chǎn)生明顯的吹風(fēng)感而影響舒適性，工作區(qū)平均風(fēng)速通常不應(yīng)大于0.3,m/s[15]．在本文中，工作區(qū)平均風(fēng)速中的工作區(qū)是指從距地面0.1～1.8,m高度的區(qū)域．

上述參數(shù)指標(biāo)構(gòu)成了對(duì)置換通風(fēng)系統(tǒng)下室內(nèi)氣流特征和舒適性的基本描述．

4.2 研究工況設(shè)定

不同功能的建筑物具有不同特點(diǎn)和使用要求，對(duì)置換通風(fēng)系統(tǒng)的要求也不盡相同，這給全面研究帶來了麻煩，因?yàn)閷⑺薪ㄖ母鞣N工況都進(jìn)行研究非常困難，必要性也不大．因此，本文在設(shè)計(jì)工況時(shí)，盡可能充分考慮不同建筑功能上的差異，力求使設(shè)計(jì)出的研究工況具有代表性．

室內(nèi)熱源是置換通風(fēng)主導(dǎo)氣流在室內(nèi)運(yùn)動(dòng)的根本動(dòng)力，在置換通風(fēng)技術(shù)中起到非常重要的決定性作用，因此，本文圍繞室內(nèi)熱源這一重要環(huán)節(jié)進(jìn)行工況設(shè)計(jì)．

為方便研究和工程實(shí)際應(yīng)用，定義了熱源熱指標(biāo)這一概念．熱源熱指標(biāo)是指室內(nèi)熱源在房間單位建筑面積上的散熱量，在數(shù)值上等于室內(nèi)熱源散熱量與房間建筑面積的比值，表達(dá)式為

式中：q為熱源熱指標(biāo)，W/m2；Q為室內(nèi)熱源散熱量，W；A為房間建筑面積，m2．

熱源熱指標(biāo)不同于工程上常用的冷負(fù)荷指標(biāo)，從物理概念上來看，熱源熱指標(biāo)中的熱量Q只包括能夠驅(qū)動(dòng)室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)形成置換通風(fēng)的熱量，而冷負(fù)荷指標(biāo)中的熱量是建筑房間的全部冷負(fù)荷，因此，二者有本質(zhì)區(qū)別．從數(shù)值上看，熱源熱指標(biāo)要小于冷負(fù)荷指標(biāo)．

以熱源熱指標(biāo)作為設(shè)計(jì)工況的主要依據(jù)，便于在置換通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校核時(shí)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選擇應(yīng)用．兼顧理論研究和設(shè)計(jì)應(yīng)用兩方面，本文選取的熱源熱指標(biāo)分別為23 W/m2、40 W/m2和60,W/m2，送風(fēng)溫度T0為291～293,K，送風(fēng)速度v0為0.2,～0.4,m/s，具體工況設(shè)定及各工況參數(shù)見表2．

表2 研究工況參數(shù)Tab.2 Parameters in working conditions

依據(jù)設(shè)定的工況，采用前文建立的經(jīng)過驗(yàn)證的模型針對(duì)單一熱源進(jìn)行研究，雙熱源的影響通過對(duì)單一熱源的研究結(jié)果進(jìn)行修正來體現(xiàn)．

5 設(shè)計(jì)參數(shù)研究結(jié)果及分析

5.1 研究結(jié)果

將各設(shè)定工況的研究結(jié)果按照熱源熱指標(biāo)進(jìn)行分組整理，如圖6～圖8所示．

從圖6～圖8中讀取相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，并對(duì)某些反映置換通風(fēng)特點(diǎn)的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，按照熱力分層高度、通風(fēng)效率、垂直溫度梯度和工作區(qū)平均風(fēng)速將各工況研究結(jié)果進(jìn)行整理，列于圖9～圖12中，這樣可以更直觀地反映各參數(shù)的變化趨勢(shì)，并能進(jìn)一步方便實(shí)際工程應(yīng)用．

圖6 熱源熱指標(biāo)為23 W/m2的研究結(jié)果Fig.6 Results when heat-source index is 23 W/m2

圖7 熱源熱指標(biāo)為40 W/m2的研究結(jié)果Fig.7 Results when heat-source index is 40 W/m2

圖8 熱源熱指標(biāo)為60,W/m2的研究結(jié)果Fig.8 Results when heat-source index is 60 W/m2

圖9 熱力分層高度變化Fig.9 Variation of heat stratification height

圖10 通風(fēng)效率變化Fig.10 Variation of ventilation efficiency

5.2 研究結(jié)果分析

5.2.1 從熱力分層高度的角度分析

分析圖9，如溫躍層的下邊緣高度為1.7,m，則有如下結(jié)論：除掉送風(fēng)溫度為291,K、熱源熱指標(biāo)為40,W/m2和送風(fēng)溫度為291,K、熱源熱指標(biāo)為60,W/m22種條件6個(gè)工況外，都可以實(shí)現(xiàn)送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度參數(shù)在研究范圍內(nèi)進(jìn)行的自由選擇組合，此時(shí)能夠保證熱力分層高度在滿足要求的范圍內(nèi)．對(duì)于送風(fēng)溫度為291,K、熱源熱指標(biāo)為40 W/m2的工況，要求送風(fēng)速度在0.3～0.4 m/s之間取值．送風(fēng)溫度為291 K、熱源熱指標(biāo)為60,W/m2的工況，在研究范圍內(nèi)沒有能夠滿足熱力分層高度值要求的送風(fēng)參數(shù)，這說明對(duì)于此工況中的熱源熱指標(biāo)，送風(fēng)溫度291,K偏低．解決的辦法是在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)提高送風(fēng)溫度或增大送風(fēng)速度，但二者的增大都以不影響室內(nèi)的舒適性為標(biāo)準(zhǔn)．

圖11 垂直溫度梯度變化Fig.11 Variation of vertical temperature gradient

圖12 工作區(qū)平均風(fēng)速變化Fig.12 Variation of mean wind speed in working area

單從熱力分層高度的角度分析可得如下結(jié)論：

(1) 熱源熱指標(biāo)為23,W/m2時(shí)，送風(fēng)溫度取值范圍為291～293,K，送風(fēng)速度取值范圍為0.2～0.4,m/s；

(2) 熱源熱指標(biāo)為40,W/m2時(shí)，送風(fēng)溫度取值范圍為291～293,K，送風(fēng)速度取值范圍為0.3～0.4,m/s，或者送風(fēng)溫度取值范圍為292～293,K，送風(fēng)速度取值范圍為0.2～0.4,m/s；

(3) 熱源熱指標(biāo)為60,W/m2時(shí)，送風(fēng)溫度取值范圍為292～293,K，送風(fēng)速度取值范圍為0.3～0.4,m/s．

5.2.2 從通風(fēng)效率的角度分析

由圖10可以看出，所有工況的通風(fēng)效率都大于2，這說明如果忽略舒適性的限制，單從通風(fēng)效率的角度分析，在研究范圍內(nèi)無論采用多大的送風(fēng)參數(shù)都能滿足置換通風(fēng)設(shè)計(jì)要求．從圖10中還可以看出，通風(fēng)效率都呈現(xiàn)出隨著送風(fēng)速度的增大而先增大后減小的變化趨勢(shì)，即通風(fēng)效率存在極值，極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的送風(fēng)速度為0.3,m/s，這可以理解為送風(fēng)速度增大導(dǎo)致送風(fēng)量增大；從而加大了置換通風(fēng)的置換能力，通風(fēng)效率增大，但是當(dāng)送風(fēng)速度超過一定值之后對(duì)主導(dǎo)氣流產(chǎn)生了影響，使室內(nèi)氣流有向全面通風(fēng)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，所以通風(fēng)效率有所降低．

5.2.3 從垂直溫度梯度的角度分析

由圖11可以看出，最大的垂直溫度梯度值也在1.5,K/m以內(nèi)，這說明單從該參數(shù)的角度考慮，各工況的參數(shù)都能滿足設(shè)計(jì)要求．

從變化趨勢(shì)來看，對(duì)垂直溫度梯度的研究有如下結(jié)論：

(1) 對(duì)于熱源熱指標(biāo)較高的工況(T0＝291,K，q＝60,W/m2和T0＝293 K，q＝60,W/m2)和熱源熱指標(biāo)不是很高但送風(fēng)溫度較高的工況(T0＝293,K，q＝40,W/m2)，房間垂直溫度梯度表現(xiàn)為隨送風(fēng)速度的增大而先增大后減??；

(2) 對(duì)于熱源熱指標(biāo)不是很高但送風(fēng)溫度較低的工況(T0＝291,K，q＝40,W/m2)和熱源熱指標(biāo)較低的工況(T0＝291,K，q＝23,W/m2和T0＝293,K，q＝23,W/m2)，房間垂直溫度梯度表現(xiàn)為逐漸減?。?/p>

5.2.4 從工作區(qū)平均風(fēng)速的角度分析

由圖12可以看出，除了T0＝291,K，q＝60,W/m2和T0＝293,K，q＝40,W/m2的工況工作區(qū)平均風(fēng)速大于0.3,m/s外，其余工況工作區(qū)平均風(fēng)速都較理想．通過分析，送風(fēng)速度取值范圍的下限可以取0.2,m/s，上限可以考慮取0.35,m/s．

6 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定及工程應(yīng)用

6.1 單一熱源工況設(shè)計(jì)參數(shù)

在所研究的工況條件下，通風(fēng)效率和垂直溫度梯度在所有送風(fēng)參數(shù)條件下都滿足要求，即不能對(duì)送風(fēng)參數(shù)起到界定作用．綜合熱力分層高度和工作區(qū)平均風(fēng)速的影響這2項(xiàng)研究結(jié)果，送風(fēng)參數(shù)建議在如下范圍內(nèi)選?。?/p>

(1) 熱源熱指標(biāo)為23,W/m2時(shí)，送風(fēng)溫度取值范圍為291～293 K，送風(fēng)速度取值范圍為0.2～0.4,m/s；

(2) 熱源熱指標(biāo)為40,W/m2時(shí)，送風(fēng)溫度取值范圍為291～293,K，送風(fēng)速度取值范圍為0.3～0.35,m/s，或者送風(fēng)溫度取值范圍為292～293,K，送風(fēng)速度取值范圍為0.2～0.35,m/s；

(3) 熱源熱指標(biāo)為60,W/m2時(shí)，送風(fēng)溫度取值范圍為292～293,K，送風(fēng)速度取值范圍為0.3～0.4,m/s．

6.2 雙熱源時(shí)參數(shù)取值范圍的修正

圖9～圖12的結(jié)果是在單一熱源的情況下得到的，雙熱源的影響可以通過對(duì)單一熱源的結(jié)果進(jìn)行修正來體現(xiàn)．依據(jù)第4.1節(jié)確定的反映置換通風(fēng)特點(diǎn)的參數(shù)指標(biāo)，綜合考慮室內(nèi)的舒適性，對(duì)比雙熱源與單一熱源的有關(guān)研究數(shù)據(jù)，建議雙熱源各相關(guān)參數(shù)修正值如下：熱力分層高度減少0.1～0.3,m，通風(fēng)效率降低20%～30%，垂直溫度梯度增大0.5～0.6,K/m，工作區(qū)平均風(fēng)速減小15%～25%．

6.3 研究結(jié)果工程應(yīng)用

本文的主要研究結(jié)果可以作為置換通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校核時(shí)的理論參考依據(jù)．其主要作用有：①對(duì)置換通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；②對(duì)所設(shè)計(jì)的置換通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行校核．具體的使用方法是：在進(jìn)行送風(fēng)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，通過已知的熱源熱指標(biāo)，選定熱力分層高度和通風(fēng)效率等參數(shù)，然后可以通過查圖確定送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度，對(duì)置換通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；在進(jìn)行校核計(jì)算時(shí)，可以通過熱源熱指標(biāo)、已經(jīng)確定的送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度來查圖得到熱力分層高度、通風(fēng)效率等參數(shù)的大小及變化情況，校核置換通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，檢驗(yàn)其是否能夠滿足使用功能和舒適性等要求．

7 結(jié) 論

(1) 理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，在置換通風(fēng)條件下室內(nèi)垂直方向上存在明顯的熱力分層現(xiàn)象，在整個(gè)工作區(qū)內(nèi)溫度梯度和氣流速度均較小，舒適性較好．但分散的熱源削弱了置換通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣的“置換”作用，存在不利影響．

(2) 綜合熱力分層高度、通風(fēng)效率、垂直溫度梯度和工作區(qū)平均風(fēng)速的影響，送風(fēng)參數(shù)建議在如下范圍內(nèi)選?。孩贌嵩礋嶂笜?biāo)為23 W/m2時(shí)，送風(fēng)溫度取值范圍為291～293 K，送風(fēng)速度取值范圍為0.2～0.4,m/s；②熱源熱指標(biāo)為40,W/m2時(shí)，送風(fēng)溫度取值范圍為291～293,K，送風(fēng)速度取值范圍為0.3～0.35,m/s，或者送風(fēng)溫度取值范圍為292～293,K，送風(fēng)速度取值范圍為0.2～0.35,m/s；③熱源熱指標(biāo)為60,W/m2時(shí)，送風(fēng)溫度取值范圍為292～293,K，送風(fēng)速度取值范圍為0.3～0.4,m/s．

(3) 雙熱源的影響可以通過對(duì)單一熱源的結(jié)果進(jìn)行修正來體現(xiàn)．本文建議雙熱源各相關(guān)參數(shù)修正值如下：熱力分層高度減少0.1～0.3,m，通風(fēng)效率降低20%～30%，垂直溫度梯度增大0.5～0.6,K/m，工作區(qū)平均風(fēng)速減小15%～25%．

(4) 本文的主要研究結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)和校核時(shí)的理論參考依據(jù)：在已知熱源熱指標(biāo)，選定熱力分層高度和通風(fēng)效率等參數(shù)的情況下，可以通過查圖確定送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度，對(duì)置換通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；也可以通過熱源熱指標(biāo)、已經(jīng)確定的送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度來查圖得到熱力分層高度、通風(fēng)效率等參數(shù)的大小及變化情況，校核置換通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，檢驗(yàn)其是否能夠滿足使用功能和舒適性等要求．

［1］ Yuan X，Chen Q，Glicksman L R A. Critical review of displacement ventilation[J]. ASHRAE Trans，1998，104：78-90.

［2］ Mundt E. The Performance of Displacement Ventilation System[D]. Sweden：Royal Institute of Technology，1996.

［3］ Park Hee-Jin，Holland D. The effect of location of a convective heat source on displacement ventilation：CFD study[J]. Building and Environment，2001，36(7)：883-889.

［4］ Skisted H，Mundt E，Nielsen P V，et al. Displacement ventilation in non-industrial premises[C]//REHVA. Norway，2002.

［5］ Novoselac A，Srebric J. A critical review on the performance and design of combined cooled ceiling and displacement ventilation systems[J]. Energy and Buildings，2002，34(5)：497-509.

［6］ Lee C K，Lama H N. Computer modeling of displacement ventilation systems based on plume rise in stratified environment[J]. Energy and Buildings，2007，39(4)：427-436.

［7］ 連之偉，馬仁民. 下送風(fēng)空調(diào)原理與設(shè)計(jì)[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2006. Lian Zhiwei，Ma Renmin. Theory and Design of Underfloor Air Supply[M]. Shanghai：Shanghai Jiaotong University Press，2006(in Chinese).

［8］ 邵建濤. 商場(chǎng)類建筑置換通風(fēng)設(shè)計(jì)方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，2006. Shao Jiantao. Study on Design Method of Displacement Ventilation in Shopping Mall Buildings[D]. Harbin：School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，2006(in Chinese).

［9］ 馬仁民. 置換通風(fēng)的通風(fēng)效率及其微熱環(huán)境評(píng)價(jià)[J].暖通空調(diào)，1997，27(4)：1-6，65. Ma Renmin. Displacement ventilation effectiveness and evaluation of the micro thermal environment[J]. Journal of HV & AC，1997，27(4)：1-6，65(in Chinese).

［10］ 李強(qiáng)民. 置換通風(fēng)原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 暖通空調(diào)，2000，30(5)：41-46. Li Qiangmin. Displacement ventilation：Principles，design and applications[J]. Journal of HV & AC，2000，30(5)：41-46(in Chinese).

［11］ 馬仁民，連之偉. 置換通風(fēng)幾個(gè)問題的討論[J]. 暖通空調(diào)，2000，30(4)：18-22. Ma Renmin，Lian Zhiwei. Some questions in displacement ventilation[J]. Journal of HV & AC，2000，30(4)：18-22(in Chinese).

［12］ 倪 波. 置換通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 暖通空調(diào)，2000，30(5)：2-11. Ni Bo. Experiment of indoor temperature and velocity field for displacement ventilation[J]. Journal of HV & AC，2000，30(5)：2-11(in Chinese).

［13］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50019—2003采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國計(jì)劃出版社，2003. The Ministry of Housing and Urban-Rural Development. GB 50019—2003 Code for Design of Heating Ventilation and Air Conditioning[S]. Beijing：China Planning Press，2003(in Chinese).

［14］ 李先庭，趙 彬. 室內(nèi)空氣流動(dòng)數(shù)值模擬[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009. Li Xianting，Zhao Bin. Numerical Analysis on Indoor Air Flow[M]. Beijing：China Machine Press，2009(in Chinese).

［15］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50189—2005公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) [S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005．The Ministry of Housing and Urban-Rural Development. GB 50189—2005 Design Standard for Energy Efficiency of Public Buildings[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，2005(in Chinese).

Confirmation of Displacement Ventilation System Design Sending-Wind Parameters

MU Zhen-ying1，DIAO Nai-ren2，YOU Shi-jun1
(1. School of Environmental Science and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China)

For lack of codes and particular parameters of displacement ventilation design in China now，theoretical and experimental research has been conducted in the paper. Theoretical calculation model was first established and verified through experiment. Using the model，numerical simulation was carried out，and the results were used for follow-up analysis. Parameters reflecting the characteristics of displacement ventilation were determined，including thermal stratification height，ventilation efficiency，vertical temperature gradient，temperature and wind speed in working area. To facilitate engineering application，heat-source index was also defined，according to which the working conditions under study were set. The influences of heat-source parameters and sending-wind parameters on indoor air comfort were mainly studied. The reasonable design values of sending-wind and heat-source parameters were gained，and the correction method of reducing the impact of heat-source distribution was raised. The results can serve as a guide to the design and verification of the displacement ventilation system.

displacement ventilation；sending-wind parameters；heat-source index

TU831.8

A

0493-2137(2010)12-1123-08

2010-03-15；

2010-06-02.

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006BAJ04A15)．

穆振英（1978— ），女，博士，mzy0609@163.com．

由世俊，yousj@tju.edu.cn.