黃志喜 鐘 珂 陳 帥

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

送風(fēng)口高度對(duì)碰撞射流氣流特征影響實(shí)驗(yàn)研究

黃志喜 鐘 珂 陳 帥

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了碰撞射流熱風(fēng)供熱時(shí)不同的送風(fēng)口高度下室內(nèi)空氣溫度、速度和熱舒適參數(shù)分布情況。分析了送風(fēng)口高度影響作用，結(jié)果表明碰撞射流熱風(fēng)供熱系統(tǒng)的送風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有顯著影響。

碰撞射流通風(fēng)送風(fēng)口高度有效吹風(fēng)感熱舒適性

0 引言

碰撞射流通風(fēng)（Impinging Jet Ventilation），作為一種新的通風(fēng)方式首先在瑞典出現(xiàn)并得到發(fā)展[1]。近年來(lái)，國(guó)外有些研究學(xué)者對(duì)這種新型通風(fēng)方式的室內(nèi)溫濕度分布特征和速度場(chǎng)展開(kāi)了研究[2]。碰撞射流通風(fēng)是基于一個(gè)高動(dòng)量氣流直接噴向地板后向四周散開(kāi)的原理，射流碰撞到地板后雖有一部分動(dòng)量損失，但是仍具有足夠的動(dòng)力沿地面散開(kāi)達(dá)到一個(gè)很長(zhǎng)的距離，使射流沖量能在大范圍內(nèi)擴(kuò)散，在地板上產(chǎn)生一個(gè)很薄的空氣層，因?yàn)樗惋L(fēng)速度較快，氣流還沒(méi)來(lái)得及出現(xiàn)紊亂就在空氣層下部推積壓力和浮升力的作用下緩慢向上飄起，所以碰撞射流不容易出現(xiàn)紊亂的氣流組織，就像活塞流一樣把室內(nèi)污濁的空氣從房間底部擠壓到房間頂部排出，該送風(fēng)方式可直接將新鮮空氣送入工作區(qū)，從而提高了工作區(qū)的空氣品質(zhì)和通風(fēng)效率[3]。碰撞射流通風(fēng)具有不同于傳統(tǒng)置換通風(fēng)和混合通風(fēng)系統(tǒng)的流場(chǎng)特征，有研究表明，碰撞射流通風(fēng)在室內(nèi)形成的流場(chǎng)和溫濕度場(chǎng)，具有混合通風(fēng)和置換通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在跨度比較大的建筑，同時(shí)它還克服了置換通風(fēng)冬季不適合用于供熱的缺點(diǎn)[4，5]。

在碰撞射流供熱系統(tǒng)中，送風(fēng)口的高度可以影響室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布，本文采用實(shí)驗(yàn)的方法研究碰撞射流供熱系統(tǒng)不同的送風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布的影響，分析碰撞射流送風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)熱舒適性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測(cè)點(diǎn)布置

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本文主要研究碰撞射流供熱系統(tǒng)噴管送風(fēng)口的高度對(duì)室內(nèi)環(huán)境熱舒適性的影響，為了不受室外環(huán)境影響，本實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)人工氣候室（以下簡(jiǎn)稱(chēng)氣候室）中進(jìn)行的，氣候室是置于一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，氣候室的墻體與實(shí)驗(yàn)室墻體完全分開(kāi)，氣候室的尺寸為L(zhǎng)×W×H= 3.6m×3.0m×2.6m，氣候室的送風(fēng)噴管為圓形風(fēng)管，其送風(fēng)口直徑為D=0.22m，采用氣候室門(mén)做為自然出風(fēng)口，其尺寸為L(zhǎng)×W=1.5m×0.9m，氣候室的物理模型如圖1所示。

圖1 人工氣候室的物理模型

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置及所用儀器

本實(shí)驗(yàn)把送風(fēng)噴管放置在靠墻的中間位置，沿著房間的進(jìn)深方向上，從碰撞點(diǎn)開(kāi)始每隔40cm布置一個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，熱電偶的離地距離均為10mm，同時(shí)還布置了4根測(cè)桿，每根測(cè)桿上面有7個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均可同時(shí)對(duì)溫度和風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，熱電偶測(cè)點(diǎn)、測(cè)桿的布置平面圖以及測(cè)桿立面圖如下圖所示，其中圖2（a）中P1～P9為熱電偶位置，C1～C4為測(cè)桿位置，圖2（b）中1～7為7個(gè)測(cè)點(diǎn)位置。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置平面圖及測(cè)桿立面圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程所用的測(cè)量?jī)x器主要有：1）TSI-9535測(cè)量?jī)x，溫度測(cè)量范圍為-17.8～93.3℃，精度為±0.05℃，風(fēng)速測(cè)量范圍為0～30m/s，精度為±0.015m/s。2）風(fēng)速儀為意大利Delta OHM型號(hào)HD2303風(fēng)速儀，探頭為AP471S5，測(cè)量范圍為0～40m/s，精度為±0.015m/s。3）熱電偶型號(hào)為WRM 2-230G，其測(cè)量范圍為0～1000℃，測(cè)量精度為±0.01℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

碰撞射流送風(fēng)速度較高，射流撞擊到地板后，沿地面水平擴(kuò)散的速度對(duì)人體熱舒適影響很大，特別是冬季供暖情況下，較大氣流速度對(duì)人體產(chǎn)生的不舒適感遠(yuǎn)大于夏季供冷情況。為此，本文將重點(diǎn)分析碰撞射流供暖時(shí)，室內(nèi)氣流速度分布和人體熱舒適狀況。

2.1 送風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)環(huán)境風(fēng)速的影響

為了研究噴管送風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)環(huán)境風(fēng)速的影響，本文取送風(fēng)速度V為3.0m/s，送風(fēng)口高度H分別為0.3m和1.2m時(shí)4根測(cè)桿風(fēng)速的分布情況作分析，如圖3所示。

圖3風(fēng)速隨測(cè)桿高度的分布

圖3 是送風(fēng)速度為3.0m/s，送風(fēng)口高度分別為0.3m和1.2m時(shí)4根測(cè)桿風(fēng)速的分布情況。由圖可知，對(duì)于測(cè)桿1，當(dāng)送風(fēng)口高度為0.3m時(shí)，風(fēng)速沿著測(cè)桿高度呈下降趨勢(shì)，最低風(fēng)速出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)2，約為0.03m/s，最高風(fēng)速出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)6，約為0.28m/s，整根測(cè)桿的平均風(fēng)速約為0.18m/s；當(dāng)送風(fēng)口高度為1.2m時(shí)，風(fēng)速沿著測(cè)桿高度也呈下降趨勢(shì)，最低風(fēng)速出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)1，約為0.06m/s，最高風(fēng)速出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)6，約為0.66m/s，整根測(cè)桿的平均風(fēng)速約為0.3m/s；對(duì)于測(cè)桿2，當(dāng)送風(fēng)口高度為0.3m時(shí)，風(fēng)速沿著測(cè)桿高度變化不大，最低風(fēng)速出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)1，約為0m/s，最高風(fēng)速出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)6，約為0.1m/s，整根測(cè)桿的平均風(fēng)速約為0.05m/s；當(dāng)送風(fēng)口高度為1.2m時(shí)，風(fēng)速沿著測(cè)桿高度波動(dòng)較大，最低風(fēng)速出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)1，約為0m/s，最高風(fēng)速出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)7，約為0.43m/s，整根測(cè)桿的平均風(fēng)速約為0.2m/s；同樣，對(duì)于測(cè)桿3和測(cè)桿4，當(dāng)送風(fēng)口高度分別為0.3m和1.2m時(shí)風(fēng)速沿著測(cè)桿高度的分布相差也比較大。從整體來(lái)看，當(dāng)送風(fēng)口高度為0.3m時(shí)，測(cè)桿整體的風(fēng)速波動(dòng)都不大，平均風(fēng)速比較接近0.15m/s，該風(fēng)速為熱風(fēng)供熱時(shí)引起人不舒適的最大風(fēng)速[6]；當(dāng)送風(fēng)口高度為1.2m/s時(shí)，測(cè)桿整體的風(fēng)速波動(dòng)較大，平均風(fēng)速約為0.28m/s，偏離人感覺(jué)舒適的風(fēng)速較大。由此可見(jiàn)，送風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)環(huán)境風(fēng)速存在很大的影響。

圖4為各工況室內(nèi)環(huán)境風(fēng)速的分布頻率圖，圖中橫線(xiàn)為速度為0.15m/s的速度分界線(xiàn)，由圖4可以看到，每一種送風(fēng)速度下，當(dāng)送風(fēng)高度不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的室內(nèi)環(huán)境風(fēng)速分布頻率也不一樣，而且隨著送風(fēng)口高度的增加室內(nèi)環(huán)境平均風(fēng)速呈上升趨勢(shì)。當(dāng)送風(fēng)速度為1.2m/s、1.8m/s和2.4m/s時(shí)，不管送風(fēng)口高度為多少，室內(nèi)環(huán)境平均風(fēng)速都不會(huì)超過(guò)0.15m/s,該風(fēng)速為熱風(fēng)供熱時(shí)引起人不舒適的最大風(fēng)速，但當(dāng)送風(fēng)口高度為3.0m/s時(shí)，送風(fēng)口高度為0.3m和0.6m時(shí)室內(nèi)環(huán)境平均風(fēng)速未超過(guò)0.15m/s，而當(dāng)送風(fēng)口高度為0.9m和1.2m時(shí)室內(nèi)環(huán)境平均風(fēng)速則超過(guò)0.15m/s，會(huì)引起人的不舒適感。由此可見(jiàn)，噴管送風(fēng)口的高度對(duì)室內(nèi)環(huán)境風(fēng)速確實(shí)存在顯著的影響。

圖4 各工況室內(nèi)風(fēng)速分布情況

2.2 送風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)環(huán)境熱舒適度的影響

單純的用室內(nèi)環(huán)境的溫度或者風(fēng)速來(lái)評(píng)價(jià)室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度都是不全面的，Nevis就曾通過(guò)匯總實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了一個(gè)用來(lái)評(píng)價(jià)室內(nèi)環(huán)境舒適度的綜合指標(biāo)，稱(chēng)作有效吹風(fēng)感θ[6，7]。因此本文將用有效吹風(fēng)感θ來(lái)評(píng)價(jià)室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度，它是把送風(fēng)溫度和送風(fēng)風(fēng)速表示為一個(gè)綜合作用效果的指標(biāo)，可以用它來(lái)反映室內(nèi)環(huán)境的舒適度，其表達(dá)式為：

式中：θ是有效溫度差，K；Tj是送風(fēng)溫度，℃；Ta是室內(nèi)空氣溫度，℃；V是工作區(qū)某點(diǎn)的風(fēng)速，m/s。

Nevis提出有效吹風(fēng)感θ的同時(shí)，還建議有效吹風(fēng)感θ的舒適標(biāo)準(zhǔn)是：-1.7<θ<1.1[6]。下面取送風(fēng)速度為1.2m/s，送風(fēng)口高度分別為0.3m和1.2m時(shí)有效吹風(fēng)感θ隨高度的分布情況來(lái)分析送風(fēng)口高度對(duì)有效吹風(fēng)感θ的影響，如圖5所示。

圖5中陰影區(qū)域所對(duì)應(yīng)高度為對(duì)應(yīng)θ值為-1.7K到+1.1K之間，即為多數(shù)人感覺(jué)到舒適的θ值范圍，在圖5（a）、（b）中分別用兩條豎線(xiàn)標(biāo)出來(lái)。由圖5可以看出，當(dāng)送風(fēng)速度為1.2m/s，送風(fēng)口高度分別為0.3m和1.2m時(shí)，這兩種工況下同一測(cè)桿θ值隨測(cè)桿高度的分布不一樣，曲線(xiàn)的斜率也不一樣，同一個(gè)測(cè)桿θ值為-1.7K到+1.1K之間對(duì)應(yīng)的測(cè)桿高度區(qū)間也不一樣，這說(shuō)明噴管送風(fēng)口高度對(duì)有效吹風(fēng)感θ值也存在較大的影響，而且當(dāng)送風(fēng)口高度為0.3m時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)桿高度區(qū)間較大。

圖5有效吹風(fēng)感θ隨測(cè)桿高度的分布

圖6 為各工況有效吹風(fēng)感θ的分布頻率圖，圖中陰影部分區(qū)域?yàn)橛行Т碉L(fēng)感θ值從-1.7K到+1.1K之間的區(qū)域，即為大多數(shù)人感覺(jué)到環(huán)境比較舒適時(shí)所對(duì)應(yīng)的有效吹風(fēng)感θ值范圍，由圖6中可以看到，當(dāng)送風(fēng)速度為1.2m/s時(shí)，隨著送風(fēng)口高度的增加測(cè)點(diǎn)有效吹風(fēng)感θ的平均值逐漸下降，頻率圖中落在陰影區(qū)域中的面積比例也隨著送風(fēng)高度的增加呈減小趨勢(shì)；當(dāng)送風(fēng)速度為1.8m/s和2.4m/s時(shí)，這兩種情況測(cè)點(diǎn)有效吹風(fēng)感θ的平均值都隨著送風(fēng)口高度的增加變化不大，幾乎相等，而且頻率圖中落在陰影區(qū)域中的面積比例隨著送風(fēng)高度的增加也相差不大；當(dāng)送風(fēng)速度為3.0m/s時(shí)，隨著送風(fēng)口高度的增加測(cè)點(diǎn)有效吹風(fēng)感θ的平均值先上升后下降，而且頻率圖中落在陰影區(qū)域中的面積比例也隨著送風(fēng)高度的增加呈減小趨勢(shì)。

圖6 各工況有效吹風(fēng)感θ的分布頻率圖

綜上所述，當(dāng)送風(fēng)速度為1.2m/s和3.0m/s時(shí)，有效吹風(fēng)感θ的平均值變化情況不一樣，但頻率圖中落在陰影區(qū)域中的面積比例都隨著送風(fēng)高度的增加呈減小趨勢(shì)，即此時(shí)送風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)環(huán)境有效吹風(fēng)感θ的影響很大。當(dāng)送風(fēng)速度為1.8m/s和2.4m/s時(shí)，有效吹風(fēng)感θ的平均值隨著送風(fēng)口高度的增加幾乎不變，頻率圖中落在陰影區(qū)域中的面積比例也隨著送風(fēng)高度的增加幾乎相同，即此時(shí)送風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)環(huán)境有效吹風(fēng)感θ的影響不大。

3 結(jié)論

本文采用實(shí)驗(yàn)的方法，通過(guò)改變碰撞射流供熱噴管送風(fēng)口的高度，得到了室內(nèi)環(huán)境的溫度和風(fēng)速的分布情況，再通過(guò)室內(nèi)熱舒適綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)——有效吹風(fēng)感θ，評(píng)價(jià)了室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性，從而得出碰撞射流供熱系統(tǒng)送風(fēng)口的高度對(duì)室內(nèi)環(huán)境的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及室內(nèi)環(huán)境有效吹風(fēng)感θ會(huì)產(chǎn)生顯著影響，可為以后對(duì)碰撞射流熱風(fēng)供熱研究及應(yīng)用提供參考。

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Ex pe rim en ta l Stud y on the He igh t o f A ir Sup p ly Ou tle t A ffe c ting the Air Flow Cha ra c te ris tic s o f Im p ing ing Je t Ven tila tion

HUANG Zhi-xi,ZHONG Ke,CHEN Shuai
Collegeof EnvironmentalScienceand Engineering,Donghua University

The Indoorair temperature distribution,velocity distribution and thermal com fortof impinging jetventilation were investigated by experimentunderdifferentheightsofairsupply outlet.Afteranalyzing the influenceof theheightof air supply outlet,the resultsshow that the heightof air supply outletof impinging jetventilation hasamarked impacton indoor thermalenvironment.

impinging jetventilation,theheightofairsupply outlet,effectiveblow ing feeling,thermalcom fort

1003-0344（2014）02-028-4

2013-4-18

黃志喜（1987～），男，碩士研究生；上海市松江區(qū)人民北路2999號(hào)東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院5135室（201620）；021-67792554；E-mail：hzx1266@126.com

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No:40975093）