賈 琳，鐘 珂，葉 筱，亢燕銘

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620)

冷風(fēng)侵入對(duì)不同送風(fēng)方式供暖房間熱環(huán)境的影響

賈 琳，鐘 珂，葉 筱，亢燕銘

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620)

利用數(shù)值計(jì)算方法分析和比較了碰撞射流通風(fēng)和混合通風(fēng)在不同冷風(fēng)侵入情況時(shí)的熱風(fēng)供暖特性.結(jié)果表明，在有明顯冷風(fēng)侵入的房間中，碰撞射流通風(fēng)供暖時(shí)室內(nèi)空氣混合程度遠(yuǎn)大于混合通風(fēng).冷風(fēng)侵入量越大，室外氣溫越溫和，碰撞射流熱風(fēng)供暖的節(jié)能率越高.

碰撞射流通風(fēng)；混合通風(fēng)；熱風(fēng)供暖；冷風(fēng)侵入；節(jié)能率

傳統(tǒng)的熱風(fēng)供暖送風(fēng)方式為混合通風(fēng)(mixing ventilation，MV)，由于熱風(fēng)從房間上部送入，同時(shí)熱風(fēng)受到向上浮力的作用，供暖能量很難進(jìn)入人員所在的下部空間，特別是在有明顯冷風(fēng)侵入的房間，供暖能量利用率更低[1].一種新型的通風(fēng)方式，即碰撞射流通風(fēng)(impinging jet ventilation，IJV)為提高供暖能量利用率提供了可能[2].IJV以1.4～3.0 m/s的風(fēng)速將熱風(fēng)從距地面較近的送風(fēng)口送出，熱風(fēng)撞擊地面后擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，與室內(nèi)空氣混合后在浮力作用下流向布置在房間上部的回風(fēng)口.已有研究[2 - 5]表明，IJV不但具有良好的空氣品質(zhì)而且節(jié)能，因此可以認(rèn)為IJV綜合了MV與置換通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)，但是關(guān)于IJV供暖特征的研究很少[6].文獻(xiàn)[78]對(duì)無(wú)明顯冷風(fēng)侵入房間采用IJV供暖的熱環(huán)境特征進(jìn)行了研究，但對(duì)IJV用于有明顯冷風(fēng)侵入供暖空間的研究幾乎沒(méi)有報(bào)道.而在實(shí)際生活中這種空間非常普遍，如超市、商場(chǎng)等，外門的頻繁開(kāi)啟導(dǎo)致的冷風(fēng)侵入對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境會(huì)產(chǎn)生很大影響.

因此，本文以冷風(fēng)侵入時(shí)間和冷風(fēng)溫度作為主要的研究變量，利用數(shù)值計(jì)算方法分析和比較IJV和MV在不同冷風(fēng)侵入情況時(shí)的供暖特性，為改善有明顯冷風(fēng)侵入房間的熱環(huán)境和提高供暖能量利用率尋求合適的送風(fēng)方式.

1 數(shù)值模型

1.1 計(jì)算模型和計(jì)算方法

本文選取的模型為一個(gè)商鋪，人流量大，外門會(huì)隨人員進(jìn)出間歇性開(kāi)啟，該空間分別采用IJV系統(tǒng)和MV系統(tǒng)進(jìn)行熱風(fēng)供暖.圖1為計(jì)算域平面示意圖，房間長(zhǎng)為9 m，寬為9 m，高為4.5 m，由于建筑空間和風(fēng)口布置具有對(duì)稱性，因此選取全部空間的一半進(jìn)行研究，見(jiàn)圖1中灰色部分.外圍護(hù)結(jié)構(gòu)由玻璃墻和外門組成，外門高為2.5 m，寬為1.5 m，門和玻璃墻均采用雙層鋼化玻璃，空氣夾層厚為6 mm，傳熱系數(shù)為3.0 W/(m2·K)玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)上方以及商鋪其他方向的內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土墻體，傳熱系數(shù)為0.47 W/(m2·K).

圖1 計(jì)算域平面示意圖Fig.1 Plan of the space researched

當(dāng)采用IJV供暖時(shí)，兩根風(fēng)管分別位于兩根立柱旁邊，送風(fēng)口距地面0.3 m，如圖2所示.由于送風(fēng)氣流方向垂直向下，為避免近風(fēng)口處對(duì)人員造成吹風(fēng)感[7]，送風(fēng)速度取為1.5 m/s.回風(fēng)口位于屋頂中央，尺寸為0.30 m×0.15 m.采用MV供暖時(shí)，送風(fēng)口設(shè)在側(cè)墻上，距離地面高為3.5 m，尺寸為0.24 m×0.90 m，送風(fēng)速度為2.5 m/s，氣流與墻面夾角為30°斜向下送入.回風(fēng)口位于送風(fēng)口上方，距送風(fēng)口0.5 m處，尺寸與送風(fēng)口尺寸相同，如圖2所示.

圖2 IJV系統(tǒng)與MV系統(tǒng)供暖房間模型示意圖Fig.2 Model of the warm air heating room by IJV and MV

為分析比較冬季不同寒冷天氣時(shí)的供暖效果，數(shù)值計(jì)算時(shí)室外溫度分別取為5、0和-5 ℃.由于冬季供暖最不利設(shè)計(jì)條件為陰天，故不考慮太陽(yáng)輻射的影響.房間內(nèi)距地面高為1 m處設(shè)置了溫控器，具體位置如圖2所示.供暖初始溫度為15 ℃，送風(fēng)溫度為30 ℃.采用定頻間歇供暖模式，即當(dāng)監(jiān)控面溫度升到21 ℃時(shí)將送風(fēng)溫度調(diào)至21 ℃，當(dāng)監(jiān)控面溫度下降至19 ℃時(shí)將送風(fēng)溫度重新調(diào)至30 ℃，依次循環(huán).

本文采用三維連續(xù)不可壓縮流體，認(rèn)為在計(jì)算過(guò)程中流體屬性不發(fā)生改變.在用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程離散化，并用SIMPLE算法求解方程.考慮到室內(nèi)供暖氣流會(huì)受到浮力影響，室內(nèi)上下溫差在10 ℃左右時(shí)，空氣密度可使用Boussinesq近似[9 10].在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，認(rèn)為室外為靜風(fēng)條件，故設(shè)冷風(fēng)侵入的速度為0.05 m/s.

在關(guān)門狀態(tài)下開(kāi)始計(jì)算，當(dāng)監(jiān)控面溫度首次達(dá)到21 ℃時(shí)，第一次開(kāi)門，隨后根據(jù)不同的開(kāi)門間隔分別進(jìn)行計(jì)算.針對(duì)3種室外氣溫，分別計(jì)算了5種開(kāi)門時(shí)間的情況，計(jì)算工況的詳細(xì)參數(shù)如表1所示.為便于比較，本文定義無(wú)量綱平均冷風(fēng)侵入時(shí)間(T)為

(1)

式中：τo為一個(gè)周期中的開(kāi)門時(shí)間；τc為一個(gè)周期中的關(guān)門時(shí)間.

表1 工況參數(shù)說(shuō)明Table 1 Illustration of parameters in different situations

注：M為平均冷風(fēng)侵入量.

1.2 計(jì)算模型驗(yàn)證

為了保證數(shù)值模擬方法的可靠性，首先需要驗(yàn)證上述數(shù)學(xué)模型的合理性.在東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院人工氣候?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行熱風(fēng)采暖試驗(yàn)，對(duì)室內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布進(jìn)行實(shí)測(cè)，試驗(yàn)細(xì)節(jié)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[11].實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比如圖3所示.由圖3可知，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間吻合較好，因此，本文采用的數(shù)值計(jì)算方法可以用于下文的研究.

(a) 溫度(b) 風(fēng)速圖3 實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.3 Results comparison between experiments and numerical simulations

2 分析與討論

2.1 冷風(fēng)侵入對(duì)室內(nèi)氣流和溫度分布的影響

為了直觀地看到冷風(fēng)侵入對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，在兩種供暖方式下，開(kāi)門前和開(kāi)門10 s時(shí)，當(dāng)工況4時(shí)通過(guò)外門中心的縱剖面(見(jiàn)圖2)上的溫度分布情況如圖4所示.

(a) IJV開(kāi)門前

(b) IJV開(kāi)門10 s后

(c) MV開(kāi)門前

(d) MV開(kāi)門10 s后圖4 兩種熱風(fēng)供暖方式下穿過(guò)外門中心剖面上的溫度分布Fig.4 Temperature distribution at the plane across center of the door under two kinds of warm air heating

由圖4可以看到，IJV和MV熱風(fēng)供暖房間都存在明顯的溫度梯度，但前者的熱力分層現(xiàn)象明顯弱于后者.分別對(duì)比兩種熱風(fēng)供暖方式在開(kāi)門前后的溫度分布，可以看到，兩種熱風(fēng)供暖方式下，冷風(fēng)侵入后均直接下沉至地面附近，導(dǎo)致地面附近溫度明顯下降，而房間上部溫度維持不變.由于MV房間的熱力分層現(xiàn)象在不開(kāi)門時(shí)已經(jīng)很顯著，使得侵入的冷風(fēng)對(duì)MV房間的影響小于IJV房間.

在兩種供暖方式下，開(kāi)門前和開(kāi)門10 s后，距地面高度0.1 m平面上的溫度和流線分布情況如圖5所示.

(a) IJV開(kāi)門前

(b) IJV開(kāi)門10 s后

(c) MV開(kāi)門前

(d) MV開(kāi)門10 s后圖5 兩種熱風(fēng)供暖方式下離地面高度0.1 m 平面上的溫度與流線分布Fig.5 Temperature distribution and air flow fields at the plane of 0.1 m height under two kinds of warm air heating

由圖5可以看到，由于玻璃門和窗戶的內(nèi)表面溫度較低，使得開(kāi)門前后門窗附近氣溫均較低.開(kāi)門后侵入的冷風(fēng)對(duì)地面附近氣流流動(dòng)形態(tài)沒(méi)有明顯影響，但擴(kuò)大了低溫區(qū)面積，特別是在MV供暖房間中，不僅低溫區(qū)面積大幅度增大，溫度也明顯降低.另外，由圖5還可以看到，在MV房間中，由于開(kāi)門后入侵的冷空氣使感溫器附近氣溫下降比IJV迅速，需要空調(diào)更早開(kāi)啟為室內(nèi)補(bǔ)充熱量.因?yàn)镸V是沿與墻壁成30°方向向下送風(fēng)，所以開(kāi)門后空調(diào)開(kāi)啟使得低溫區(qū)面積擴(kuò)大的同時(shí)高溫區(qū)面積也有所增大，但可以明顯看出平面的平均溫度降低. 相對(duì)而言，IJV對(duì)冷風(fēng)的抵御作用較強(qiáng)，并且近地面的平均溫度比MV系統(tǒng)也高很多.這是因?yàn)镮JV送風(fēng)口送出的熱射流緊貼地面流動(dòng)，與沿地面擴(kuò)散開(kāi)的冷風(fēng)部分混合，有效地提高了近地面溫度.

供暖的根本目的是滿足人員活動(dòng)區(qū)的熱舒適要求，通常2 m以下空間可以視為人員區(qū).為此，當(dāng)室外氣溫為0 ℃，在兩種熱風(fēng)供暖方式下，高度為2.0和0.1 m平面的平均空氣溫度隨著開(kāi)門次數(shù)的變化曲線如圖6所示.為方便標(biāo)記，將第n次開(kāi)門時(shí)刻(尚未開(kāi)門)對(duì)應(yīng)的時(shí)間定義為On(n=1,2,…).

(a) MV

(b) IJV圖6 兩種供暖系統(tǒng)在不同高度平面處的平均氣溫 與開(kāi)門行為的關(guān)系Fig.6 The relation between average temperature at different height and behavior of opening the door under two kinds of warm air heating

由圖6可以看到，由于采用定頻熱風(fēng)間歇供暖，室內(nèi)氣溫在關(guān)門狀態(tài)時(shí)也有波動(dòng).由圖6(a)可以看到，在MV供暖房間，室內(nèi)上部和下部區(qū)域的溫度隨時(shí)間變化不同步.這是因?yàn)樯纤蜕匣氐乃惋L(fēng)方式使得熱空氣滯留在房間上部，由于上下部空間的空氣交換微弱，使得兩者氣溫波動(dòng)規(guī)律相對(duì)獨(dú)立.影響上部氣溫的主要因素是熱風(fēng)送入的間歇頻率，而下部區(qū)域則主要受控于開(kāi)門造成的侵入冷風(fēng).由圖6(b)可以看到，在IJV供暖房間中，房間上部和下部氣溫隨時(shí)間變化規(guī)律完全一致.這是因?yàn)樵贗JV系統(tǒng)中，熱空氣從房間下部送入，與侵入室內(nèi)的冷空氣混合后再流入回風(fēng)口，這種室內(nèi)空氣充分混合的特征使得房間上下空間溫度波動(dòng)非常一致，并且上下溫差也很小.這表明IJV供暖房間空氣的混合程度遠(yuǎn)大于MV供暖房間.

在室外溫度不同的情況下，兩種熱風(fēng)供暖方式的房間時(shí)均溫度沿高度的分布曲線如圖7所示.

(a) 室外溫度-5 ℃

(b) 室外溫度0 ℃

(c) 室外溫度5 ℃圖7 兩種供暖系統(tǒng)房間的平均溫度梯度Fig.7 Average temperature gradient under two kinds of warm air heating

從圖7中可以看出，IJV熱風(fēng)供暖房間的溫度梯度遠(yuǎn)小于MV房間.冷風(fēng)侵入量對(duì)室內(nèi)溫度梯度的影響幾乎可以忽略不計(jì).但對(duì)比圖7(a)，7(b)和7(c)可以看到，室外氣溫對(duì)溫度梯度的影響很大.室外氣溫雖然對(duì)房間上部溫度沒(méi)有明顯影響，但房間下部溫度隨著室外氣溫的下降明顯降低，MV供暖房間受室外氣溫的影響明顯大于IJV供暖房間.

為實(shí)現(xiàn)近地面人員區(qū)舒適溫度的要求，較大的溫度梯度會(huì)造成房間平均溫度偏高，進(jìn)而增加供暖能耗.圖7表明，相同氣候和房間使用條件下，IJV熱風(fēng)供暖房間可以實(shí)現(xiàn)較小的溫度梯度，即意味著IJV相對(duì)于MV具有一定的節(jié)能效果.

2.2 不同熱風(fēng)供暖方式的能耗分析

房間供暖能耗Q的計(jì)算式為

(2)

式中：τ1為供暖時(shí)間，s；ρ為空氣密度，kg/m3，文中ρ=1.2 kg/m3；G為送風(fēng)量，m3/s，文中G=0.27 m3/s;c為空氣的比熱容，kJ/(kg·K)，文中c=1 kJ/(kg·K)；ts與th分別為送、回風(fēng)溫度，℃.

根據(jù)供暖能耗，可求得供暖熱指標(biāo)(Zi)，即

(3)

式中：i為工況編號(hào)；Qi為對(duì)應(yīng)工況的能耗，kJ；τi為對(duì)應(yīng)工況的供暖總時(shí)間，s；A為房間面積，m2.根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果以及式(2)和(3)得到的各工況供熱指標(biāo)，結(jié)果如圖8所示.其中，工況0為相對(duì)冷風(fēng)侵入量為0，即始終不開(kāi)門的情況.

圖8 兩種供暖系統(tǒng)的各工況供熱指標(biāo)Fig. 8 Heating index of different situations under two kinds of warm air heating

由圖8可以看出，在相同的室外氣溫條件下，兩種熱風(fēng)供暖方式的供暖熱指標(biāo)均隨著相對(duì)冷風(fēng)侵入時(shí)間增加呈近似線性增加，但I(xiàn)JV的增大幅度小于MV.此外，還可以看到，在室外氣候條件和冷風(fēng)侵入量相同的情況下，IJV的能耗明顯低于MV.由此表明在有明顯冷風(fēng)侵入房間采用IJV供暖，可以得到較好的節(jié)能效果.

為了更直觀地分析IJV系統(tǒng)相對(duì)于MV系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，定義室外溫度為te時(shí)IJV系統(tǒng)的相對(duì)節(jié)能率(I)為

(4)

式中：ZI,te和ZM,te分別為室外溫度為te時(shí)IJV和MV供暖房間的供熱指標(biāo).圖9 為室外溫度分別為5，0，-5 ℃時(shí)IJV系統(tǒng)的相對(duì)節(jié)能率.

圖9 IJV系統(tǒng)的相對(duì)節(jié)能率Fig.9 Relative energy saving rate of IJV

從圖9 中可以看出，IJV熱風(fēng)供暖的相對(duì)節(jié)能率隨著冷風(fēng)侵入量的增加而增大，表明供暖房間的冷風(fēng)侵入現(xiàn)象越明顯，越適合采用IJV 熱風(fēng)供暖.此外，在冷風(fēng)侵入量相同的情況下，IJV系統(tǒng)的相對(duì)節(jié)能率隨室外溫度的增加而增加，在5 ℃時(shí)，IJV的相對(duì)節(jié)能率高達(dá)14%～21%，但在-5 ℃的氣候下，相對(duì)節(jié)能率僅為3%～9%.

3 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的上送上回?zé)犸L(fēng)供暖送風(fēng)方式的供暖能量利用率較低，但碰撞射流通風(fēng)為提高供暖能量利用率提供了可能.本文利用數(shù)值計(jì)算方法分析和比較了碰撞射流和混合通風(fēng)在不同冷風(fēng)侵入情況時(shí)的供暖特性，主要得到以下結(jié)論：

(1) 在有明顯冷風(fēng)侵入的房間中，碰撞射流通風(fēng)供暖時(shí)室內(nèi)空氣混合程度遠(yuǎn)大于混合通風(fēng)，這使

得碰撞射流通風(fēng)對(duì)冷風(fēng)的抵御作用強(qiáng)于混合通風(fēng)；

(2) 由于碰撞射流熱風(fēng)供暖房間的室內(nèi)上下溫差明顯小于混合通風(fēng)，因而前者相對(duì)于后者具有明顯的節(jié)能效果；

(3) 冷風(fēng)侵入量越大，室外氣溫越溫和，碰撞射流熱風(fēng)供暖的相對(duì)節(jié)能率越高，因此，可以認(rèn)為碰撞射流熱風(fēng)供暖方式更適合夏熱冬冷地區(qū)有明顯冷風(fēng)侵入的空間；

(4) 在-5 ℃的氣候下，碰撞射流通風(fēng)供暖的相對(duì)節(jié)能率僅為3%～9%，因此在室外氣溫較低的北方地區(qū)，相對(duì)于混合通風(fēng)，碰撞射流通風(fēng)在供暖方面沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì).

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Effects on Thermal Environment Caused by Cold Air Infiltration under Different Styles of Warm Air Supplied

JIALin,ZHONGKe,YEXiao,KANGYan-ming

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

Numerical simulations have been carried out for analyzing and comparing the characteristics on warm air heating systems between impinging jet ventilation and mixing ventilation with different condition of cold air infiltration. The results show that, in the heating room with considerable appearance of cold air infiltration, the extent of mixing air in warm air supplied by impinging jet ventilation system far exceeds that with mixing ventilation. With the higher volume of cold air infiltration and the milder temperature of outdoors, the energy saving rate of warm air heated by impinging jet ventilation will be higher.

impinging jet ventilation; mixing ventilation; warm air heating; cold air infiltration; energy saving rate

16710444 (2016)060894-06

20150922

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278094)；上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)資助項(xiàng)目(13ZZ054)

賈 琳(1990—)，女，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖh(huán)境與節(jié)能.E-mail:jialin0415@foxmail.com 鐘 珂(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail:zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831.3

A