西安建筑科技大學(xué) 韓 騰 鄧紅娜 李安桂

空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海格力電器股份有限公司 劉 華△ 杜 輝

0 引言

過去20余年來，我國的建筑能耗呈急劇上升趨勢。2016年建筑運(yùn)行的總商品能耗(標(biāo)準(zhǔn)煤)為9.06億t，約占全國能源消費(fèi)總量的20%[1]，而暖通空調(diào)能耗又占建筑能耗的30%～50%[2]。在滿足建筑環(huán)境要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，已成為建筑可持續(xù)發(fā)展的重要課題，而不合理的氣流組織形式是造成空調(diào)能耗偏高的原因之一。

冬季送熱風(fēng)時(shí)，傳統(tǒng)混合式空調(diào)系統(tǒng)將熱氣流自房間上部送入室內(nèi)，熱風(fēng)由于熱浮升力的作用易聚集在房間上部，房間內(nèi)出現(xiàn)明顯的下低上高的溫度分布特征。為了滿足人員工作區(qū)的熱舒適要求，上部空間的氣溫會遠(yuǎn)高于供暖設(shè)計(jì)溫度，導(dǎo)致室內(nèi)空氣平均溫度過高，產(chǎn)生巨大無效能耗。

李安桂團(tuán)隊(duì)基于20余年來持續(xù)不斷研究提出了基于“擴(kuò)展康達(dá)效應(yīng)”的豎壁貼附通風(fēng)理論及設(shè)計(jì)方法[3-7]，豎壁貼附通風(fēng)是一種既可用于夏季供冷，又可用于冬季供熱的理想空調(diào)方案，其基本機(jī)理是送風(fēng)氣流在豎壁的“扶持”效應(yīng)下被下送到工作區(qū)，減少了與周圍空氣的摻混，撞擊地面改變運(yùn)動(dòng)方向后，仍具有很高的水平動(dòng)量。因此只要送風(fēng)參數(shù)設(shè)計(jì)合理，即使送風(fēng)射流為熱風(fēng)，在流動(dòng)轉(zhuǎn)為水平運(yùn)動(dòng)后，較高的射流剩余動(dòng)量能夠克服熱浮升力的作用，仍可以在地板表面擴(kuò)散相當(dāng)一段距離，使熱風(fēng)有效送入工作區(qū)，如圖1所示。

圖1 不同送風(fēng)方式下冬季供熱室內(nèi)溫度分布示意圖

已有的關(guān)于豎壁貼附的研究多是針對射流運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)特點(diǎn)，關(guān)于其貼附通風(fēng)設(shè)備性能的研究還遠(yuǎn)未完善，即便是已有的研究，也都多限于供冷、供熱或等溫送風(fēng)的情況，這無疑是限制這一通風(fēng)方式推廣應(yīng)用的主要原因。為此，本文將豎壁貼附送風(fēng)技術(shù)應(yīng)用于某特定風(fēng)管機(jī)，對豎壁貼附通風(fēng)與混合通風(fēng)2種供熱模式下室內(nèi)熱環(huán)境分布和通風(fēng)性能進(jìn)行詳細(xì)的對比實(shí)驗(yàn)研究，以便為豎壁貼附技術(shù)的設(shè)備開發(fā)提供理論支撐和設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

在人工熱舒適實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將特定風(fēng)管機(jī)應(yīng)用于傳統(tǒng)混合通風(fēng)和豎壁貼附通風(fēng)2種模式，測量不同送風(fēng)擋位下的室內(nèi)空氣溫度分布和通風(fēng)性能特征。

1.1 實(shí)驗(yàn)室布置情況

空調(diào)熱舒適實(shí)驗(yàn)室位于一個(gè)尺寸為9.8 m×8.3 m×4.3 m(長×寬×高)的室外套間內(nèi)，室內(nèi)套間的尺寸為7.0 m×5.2 m×2.7 m(長×寬×高)，具體位置如圖2a所示。室內(nèi)與室外套間之間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)(包括屋頂、地面及側(cè)墻)均為保溫庫板。室外房間的溫度通過環(huán)境艙空調(diào)器可以穩(wěn)定控制，室內(nèi)房間初始溫度通過打開房間內(nèi)門窗與室外房間換熱來控制。實(shí)驗(yàn)中，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙的冷風(fēng)滲透忽略不計(jì)，室內(nèi)無熱源，認(rèn)為熱負(fù)荷全部來自圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損失。風(fēng)管機(jī)安裝在支架上，安裝高度可以調(diào)整，位置可以移動(dòng)，房間內(nèi)無家具，氣流貼附的壁面材質(zhì)為油漆光滑壁面，粗糙度厚度Ks=0。

圖2 熱舒適實(shí)驗(yàn)室位置及送、回風(fēng)口布置

實(shí)驗(yàn)中，送風(fēng)口高度設(shè)為2.3 m，風(fēng)管機(jī)安裝在房間寬度方向的中軸面位置，豎壁貼附射流送風(fēng)口緊貼墻布置，送風(fēng)口尺寸為0.05 m×0.64 m，風(fēng)管機(jī)的另一側(cè)為回風(fēng)口，尺寸為0.2 m×0.7 m，如圖2b所示；混合通風(fēng)時(shí)將風(fēng)管機(jī)方向調(diào)轉(zhuǎn)，去掉導(dǎo)流彎頭，送風(fēng)口尺寸為0.122 m×0.585 m。

1.2 測點(diǎn)布置與實(shí)驗(yàn)儀器

空調(diào)熱舒適實(shí)驗(yàn)室設(shè)置有多排可移動(dòng)測桿，每根測桿的不同高度處分別固定著7個(gè)測溫?zé)犭娕?。圖3顯示了測桿的平面位置和測點(diǎn)的高度。

圖3 測桿平面位置和測點(diǎn)高度示意圖

水平長度x方向：從距離墻壁1 m處的工作區(qū)域開始布置測點(diǎn)，間隔為0.7 m，共布置A～F 6排測點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中將C排測點(diǎn)移動(dòng)到房間中軸線x=3.5 m處。

水平寬度y方向：從距離墻壁0.5 m處的區(qū)域開始布置測點(diǎn)，間隔為0.7 m，共布置7排(1～7)測溫點(diǎn)。

豎直z方向：第1個(gè)測點(diǎn)離地0.1 m，模擬人體腳踝位置，每隔0.3 m布置1個(gè)測點(diǎn)，共7個(gè)測點(diǎn)，涵蓋了90%以上的人體活動(dòng)區(qū)域。

空氣溫度的測量采用鎳鉻-康銅WRE-230熱電偶，響應(yīng)時(shí)間1 s，分辨率為0.01 ℃，從風(fēng)管機(jī)開始運(yùn)行到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，每間隔1 min，所有熱電偶記錄1次數(shù)據(jù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況與實(shí)測過程

實(shí)驗(yàn)中室外房間溫度通過房間內(nèi)的環(huán)境艙空調(diào)器穩(wěn)定維持在7 ℃，室內(nèi)房間初始溫度通過打開房間內(nèi)門窗與室外房間換熱實(shí)現(xiàn)7 ℃的初始值；供暖房間的負(fù)荷隨室外溫度的變化而變化，故所有工況室外溫度恒定為7 ℃，室內(nèi)熱負(fù)荷均相同。

供熱初期，室內(nèi)空氣溫度不穩(wěn)定，熱環(huán)境受初始狀態(tài)影響很大，不足以說明不同送風(fēng)方式的供暖特征，為此每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況連續(xù)測量3 h，3 h內(nèi)各個(gè)工況室內(nèi)溫度均達(dá)到穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均取自穩(wěn)定狀態(tài)的實(shí)測值。

不同工況實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示，實(shí)驗(yàn)所采用的風(fēng)管機(jī)風(fēng)量為定值，超高擋604.2 m3/h、中擋410.3 m3/h，不同實(shí)驗(yàn)工況下，由于貼附送風(fēng)口和混合通風(fēng)送風(fēng)口尺寸的差異，送風(fēng)速度其實(shí)不同，且此處風(fēng)速值由風(fēng)量除以面積計(jì)算得到。在2種氣流組織對比實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)橥饧釉诜块g的室外熱負(fù)荷是相等的(所有工況室外溫度恒定為7 ℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度20 ℃)，所以實(shí)驗(yàn)人員控制風(fēng)管機(jī)送風(fēng)量為定值，而非送風(fēng)速度。

表1 不同工況送風(fēng)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)闇y點(diǎn)處風(fēng)速大都小于0.3 m/s，人員的進(jìn)入帶來的擾動(dòng)不可忽略，因此并未對測點(diǎn)處的風(fēng)速進(jìn)行測量，但實(shí)驗(yàn)人員手持風(fēng)速儀對送風(fēng)口處的風(fēng)速進(jìn)行了測量，與計(jì)算值比較吻合。

由于風(fēng)管機(jī)為定頻機(jī)，回風(fēng)口感溫包檢測到室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值，風(fēng)管機(jī)便會停機(jī)，室內(nèi)溫度達(dá)到第1個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，待室內(nèi)溫度低于設(shè)計(jì)值，風(fēng)管機(jī)再次啟動(dòng)，如此往復(fù)多個(gè)周期。實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)記錄了各種工況3 h內(nèi)風(fēng)管機(jī)送回風(fēng)溫度和耗功的變化，如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 豎向溫度分布特性

由圖4a可以看出，工況1下室內(nèi)溫度分別在77、114、154 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。選取房間溫度最不利測桿A-1，記錄了3個(gè)停機(jī)時(shí)刻下測桿處豎向溫度梯度，如圖5a所示，房間內(nèi)上下溫度梯度可達(dá)8 ℃，且開機(jī)后時(shí)間越久，房間內(nèi)溫度受初始溫度分布影響越小。故此后所有工況均選取實(shí)驗(yàn)3 h內(nèi)最后一次停機(jī)時(shí)的室內(nèi)穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn)研究室內(nèi)溫度分布特性和通風(fēng)性能。

圖5 工況1(超高擋(604.2 m3/h)混合通風(fēng))下室內(nèi)豎向溫度分布

同時(shí)選擇室內(nèi)A-1、A-7、C-4、F-1、F-7 4個(gè)角落測桿和中心位置測桿數(shù)據(jù)，反映房間豎向溫度分布，可以認(rèn)為這些測桿處溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，房間內(nèi)90%的空間溫度是滿足設(shè)計(jì)要求的。由圖5b可知，在距地面0.1～1.9 m范圍內(nèi)存在8 ℃的溫差，人員坐姿呼吸區(qū)1.1 m處溫度雖滿足要求，但0.8 m以上溫度均過高，熱空氣的浮升力效應(yīng)是造成巨大無效能耗的主要原因。

由圖4c可以看出，工況3下室內(nèi)溫度分別在78、106、136、166 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。房間溫度最不利測桿A-1在4個(gè)穩(wěn)定時(shí)刻豎向溫度梯度如圖6a所示，166 min最后穩(wěn)定狀態(tài)下房間豎向溫度分布如圖6b所示，在距地面0.1～1.1 m范圍內(nèi)最大存在2 ℃的豎向溫度梯度，1.1 m以上溫度近似不變，工作區(qū)維持在21 ℃。采用豎壁貼附通風(fēng)送風(fēng)形式，室內(nèi)溫度場分布均勻，不存在高度方向冷熱不均的現(xiàn)象，熱風(fēng)能被有效下送至工作區(qū)。

由圖4b可以看出，工況2下室內(nèi)在136 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。與工況1相比，送風(fēng)量和送風(fēng)速度降低，在室內(nèi)熱負(fù)荷不變的情況下，送風(fēng)溫度有所升高以維持室內(nèi)熱平衡。此時(shí)熱氣流波及范圍減小，室內(nèi)高度方向溫度梯度開始分段，如圖7b所示。房間1.0 m以下存在2 ℃溫差，1.0～1.9 m存在8 ℃溫差，且1.0 m以上實(shí)測溫度均高于設(shè)計(jì)值20 ℃。相較而言，送風(fēng)速度低、送風(fēng)溫度高，熱空氣更不易流動(dòng)擴(kuò)散，從而造成的熱分層現(xiàn)象引起的無效能耗更嚴(yán)重。因此，冬季供熱建議使用大風(fēng)量、小溫差送風(fēng)以滿足熱負(fù)荷需要。

圖6 工況3(超高擋(604.2 m3/h)豎壁貼附通風(fēng))下室內(nèi)豎向溫度分布

圖7 工況2(中擋(410.3 m3/h)混合通風(fēng))下室內(nèi)豎向溫度分布

由圖4d可以看出，工況4下室內(nèi)溫度多次達(dá)到穩(wěn)定。選取其中4個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，最不利測桿A-1在4個(gè)穩(wěn)定時(shí)刻豎向溫度梯度如圖8a所示，同樣啟停周期循環(huán)次數(shù)越多，房間內(nèi)溫度受初始溫度分布影響越小，163 min穩(wěn)定狀態(tài)下房間豎向溫度分布如圖8b所示，在距地面0.1～1.1 m范圍內(nèi)最大存在3 ℃的豎向溫度梯度，1.1 m以上溫度近似不變，工作區(qū)溫度維持在19 ℃。同樣室內(nèi)溫度場分布均勻，熱風(fēng)能被有效下送至工作區(qū)。但與工況2相比，室內(nèi)1 m以下溫度梯度相對較為明顯，同樣在豎壁貼附送風(fēng)模式下，建議采用大風(fēng)速、小溫差送風(fēng)。

圖8 工況4(中擋(410.3 m3/h)豎壁貼附通風(fēng))下室內(nèi)豎向溫度分布

2.2 水平向溫度分布特性

4種實(shí)驗(yàn)工況下，工作區(qū)水平面(z=1.6 m)上的三維溫度分布如圖9所示。由圖9a、b可以看出：混合通風(fēng)供暖時(shí)，距地面1.6 m高平面上最高溫度為28.56 ℃，最低溫度為22.52 ℃，存在6 ℃左右的不均勻溫差，且溫度梯度變化明顯，沿著送風(fēng)氣流方向，送風(fēng)口正對的一側(cè)墻壁附近熱量積聚，因而溫度最高；相較而言，超高擋大風(fēng)速運(yùn)行時(shí)，熱量在慣性力作用下更易擴(kuò)散，該平面熱量分布更加均勻。

圖9 工作區(qū)水平面(z=1.6 m)三維溫度分布

由圖9c、d可以看出：豎壁貼附通風(fēng)供暖時(shí)，z=1.6 m平面上不均勻溫差只有2 ℃，且溫度梯度變化均勻，熱風(fēng)覆蓋范圍廣；因熱氣流沿著豎直墻壁下送到地面并形成貼附效果，靠近下送風(fēng)口一側(cè)溫度最高；但豎壁貼附中擋風(fēng)量運(yùn)行時(shí)，該平面溫度分布對送風(fēng)速度的變化并不十分敏感。因此，在滿足豎壁貼附供暖送風(fēng)可及性條件下，風(fēng)速不宜過大，避免人體吹風(fēng)感。

2.3 熱浮升力不利影響控制參數(shù)

水平及豎向溫度分布的不均勻性主要是由送風(fēng)熱浮升力造成的。冬季送風(fēng)溫度過高，且與之匹配的送風(fēng)速度偏小，慣性力大于熱浮升力，熱風(fēng)不能進(jìn)入工作區(qū)。因此，在避免吹風(fēng)感的前提下，采用大風(fēng)速、小溫差送風(fēng)方式可以有效控制熱浮升力對室內(nèi)熱舒適造成的不利影響。

冬季供熱工況屬于非等溫射流，送風(fēng)溫度高于環(huán)境溫度，熱浮升力對射流的流動(dòng)起阻礙作用，非等溫射流的判據(jù)為阿基米德數(shù)Ar。表征慣性力大小的量綱一特征數(shù)為雷諾數(shù)Re，表征熱浮升力強(qiáng)弱的量綱一特征數(shù)為格拉曉夫數(shù)Gr，Gr與Re2的比值即阿基米德數(shù)Ar，其表達(dá)式為[8]

(1)

式中g(shù)為自由落體加速度，m/s2；ΔT為送風(fēng)溫差，K；Tn為室內(nèi)平均溫度，K；l為送風(fēng)口特征尺寸，m；ν為空氣的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；u為送風(fēng)速度，m/s。

Ar將送風(fēng)口特征尺寸、送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度三者結(jié)合在一起，綜合反映了熱浮升力與慣性力兩方面的作用。通過控制與送風(fēng)參數(shù)對應(yīng)的Ar的合理范圍，定量地適當(dāng)增大慣性力、減小熱浮升力，即可有效避免由于熱浮升力對室內(nèi)造成的熱舒適不利影響。

3 通風(fēng)性能評價(jià)指標(biāo)分析

3.1 能量利用系數(shù)

能量利用系數(shù)η可以反映送風(fēng)能量的利用程度，其表達(dá)式為[9]

(2)

式中ts為送風(fēng)平均溫度，℃；tp為排風(fēng)平均溫度，在實(shí)驗(yàn)中也是風(fēng)管機(jī)平均回風(fēng)溫度，℃；t1.7為供暖房間距地面1.7 m以下空間的平均溫度，℃。

1.7 m以下空間的能量越多，該空間的平均溫度越高，η越大，能量利用越充分。2種送風(fēng)方式下供暖房間能量利用系數(shù)見表2。

表2 2種送風(fēng)方式下供暖房間能量利用系數(shù)

由表2可以看出：對于2種送風(fēng)方式，若減小風(fēng)量或提高送風(fēng)溫度，均會使熱風(fēng)能量利用系數(shù)降低，但豎壁貼附通風(fēng)供熱方式能量利用系數(shù)降低的幅度明顯小于混合通風(fēng)供熱方式；在相同的風(fēng)量工況設(shè)置下，豎壁貼附通風(fēng)供熱房間的能量利用系數(shù)均大于混合通風(fēng)，可以認(rèn)為采用豎壁貼附通風(fēng)供熱比混合通風(fēng)更節(jié)能；但同時(shí)差異并不是十分明顯，原因是房間層高只有2.7 m，相對高大空間并不易實(shí)現(xiàn)溫度大跨距分層，4種工況1.7 m以下平均溫度差異并不大，但混合通風(fēng)1.7 m以下豎向溫度梯度卻高達(dá)7 ℃，而豎壁貼附通風(fēng)1.7 m以下豎向溫度梯度小于2 ℃，這個(gè)指標(biāo)并不能反映這一問題。

3.2 頭腳溫差

頭腳溫差是影響人體熱舒適的一個(gè)重要指標(biāo)，為了滿足人員工作區(qū)的熱舒適要求，《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》要求，坐姿頭腳溫差Δt1.1～0.1≤2 ℃，站姿頭腳溫差Δt1.7～0.1≤3 ℃[10]。本文實(shí)測中，高度測點(diǎn)包含腳踝高度0.1 m測點(diǎn)、坐姿頭部高度1.0 m測點(diǎn)和站姿頭部高度1.6 m測點(diǎn)。圖10顯示了4種工況所對應(yīng)的坐姿、站姿頭腳溫差。

圖10 不同送風(fēng)工況下供熱房間頭腳溫差

可見在相同送風(fēng)量和負(fù)荷下，混合通風(fēng)形式供熱豎直方向溫度梯度過大，豎壁貼附通風(fēng)供熱形成的室內(nèi)氣流組織流場站姿、坐姿頭腳溫差更容易滿足設(shè)計(jì)要求。從圖10可以發(fā)現(xiàn)，豎壁貼附通風(fēng)形式供熱時(shí)，依然存在部分?jǐn)?shù)值并未嚴(yán)格滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是在室內(nèi)完全處于靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行的。現(xiàn)實(shí)中，冷風(fēng)滲入、冷風(fēng)侵透及室內(nèi)人員活動(dòng)等因素會促使室內(nèi)空氣的流通和擾動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)旨在比較2種送風(fēng)方式在供熱模式下的差異，相較而言，豎壁貼附送風(fēng)供熱更容易達(dá)到室內(nèi)的熱舒適要求。

3.3 溫度不均勻系數(shù)

溫度不均勻系數(shù)Kt是通過計(jì)算工作區(qū)溫度的分布均勻程度來評價(jià)氣流組織形式優(yōu)劣的指標(biāo)[11]，其定義式為

(3)

圖11顯示了不同工況下房間工作區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)所有測點(diǎn)的溫度不均勻系數(shù)。相比混合通風(fēng)，豎壁貼附通風(fēng)供熱溫度不均勻系數(shù)更小，溫度分布更加均勻，冷熱分層不明顯。同一種送風(fēng)形式下，超高擋大風(fēng)速工況下溫度不均勻系數(shù)更小一些，房間熱舒適效果更好。

圖11 不同送風(fēng)工況下供暖房間溫度不均勻系數(shù)

4 結(jié)論

1) 節(jié)能方面，熱空氣的熱浮升力效應(yīng)是造成空調(diào)房間冬季供熱產(chǎn)生巨大無效能耗的主要原因。采用豎壁貼附送風(fēng)形式，室內(nèi)豎向溫度梯度造成的上熱下冷現(xiàn)象得到改善，能量利用系數(shù)顯著提高，以中擋風(fēng)速為例，能量利用系數(shù)可提高26.9%，有利于降低供暖能耗。

2) 應(yīng)用適應(yīng)性方面，2種送風(fēng)方式下，低風(fēng)速、高風(fēng)溫送風(fēng)，熱空氣更不易流動(dòng)擴(kuò)散，從而形成的熱分層現(xiàn)象和無效能耗問題更嚴(yán)重。因此，冬季供熱建議采用大風(fēng)量、小溫差送風(fēng)以滿足熱負(fù)荷需要，但在滿足送風(fēng)可及性要求條件下，豎壁貼附通風(fēng)室內(nèi)溫度分布對送風(fēng)參數(shù)變化的敏感度較小，適應(yīng)性強(qiáng)。

3) 熱舒適方面，相同送風(fēng)量和負(fù)荷下，豎壁貼附通風(fēng)形成的室內(nèi)氣流組織流場溫度分布更均勻，人體頭腳溫差和溫度不均勻系數(shù)更小，冷熱分層不明顯，熱舒適效果更好?？梢?，采用豎壁貼附通風(fēng)供熱可以有效克服熱浮升力對室內(nèi)溫度分布的不利影響。