向夢婷，喻 劍，任天鈺，楊秀峰

（揚州大學(xué)，江蘇揚州 225127）

0 引言

浴霸是家庭必備的沐浴取暖設(shè)備，常見類型有燈暖浴霸（燈泡發(fā)熱）、風(fēng)暖浴霸（PTC陶瓷發(fā)熱）和雙暖流浴霸（燈暖+風(fēng)暖）。風(fēng)暖浴霸的價格低廉，升溫迅速，應(yīng)用廣泛，但上送上回的氣流組織方式存在上熱下冷、吹風(fēng)感明顯等問題。碰撞射流通風(fēng)（Impinging jet ventilation，IJV）是一種較新的通風(fēng)方式，兼有置換通風(fēng)和混合通風(fēng)的優(yōu)點［1］，其原理是以較高的動量將氣流從一定高度送出，垂直撞擊地面后在地面形成“空氣湖”，與室內(nèi)空氣換熱后在熱浮力作用下向上浮升。KARIMIPANAH等［2］研究了密閉空間內(nèi)的碰撞射流，指出房間幾何尺寸對射流的擴散速率和湍流特性有很大影響，且碰撞射流通風(fēng)的通風(fēng)效率比置換通風(fēng)高。VARODOMPUN等［3-4］研究了碰撞射流通風(fēng)的影響因素和通風(fēng)效率，結(jié)果顯示送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度是決定通風(fēng)性能的重要因素，且碰撞射流通風(fēng)的能耗小于混合通風(fēng)和置換通風(fēng)。CHEN等［5］研究了送風(fēng)口高度、送風(fēng)口形狀、送風(fēng)速度等因素對碰撞射流流場的影響，指出送風(fēng)口形狀對碰撞射流通風(fēng)的影響最大。CHEN等［6］還分析了碰撞射流通風(fēng)房間內(nèi)熱舒適性的影響因素，認(rèn)為送風(fēng)量對室內(nèi)熱舒適性的影響最大，送風(fēng)口高度和形狀的影響相對較小，室內(nèi)溫度分層主要取決于送風(fēng)溫度。YE等［7］采用多元回歸分析法研究了碰撞射流供熱工況下的熱風(fēng)擴散過程，指出熱風(fēng)擴散距離具有最大值。YE等［8］分析了室外冷風(fēng)間歇侵入對碰撞射流和混合通風(fēng)供暖房間的溫度分布和能量消耗的影響，指出在不同的大門開啟時間下碰撞射流系統(tǒng)形成的地面與吊頂間溫差均比混合通風(fēng)系統(tǒng)小60%，且碰撞射流系統(tǒng)的能量利用率高于混合通風(fēng)系統(tǒng)。鐘珂等［9］研究了供熱工況下送風(fēng)口高度對碰撞射流通風(fēng)房間內(nèi)的室內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適性的影響，認(rèn)為送風(fēng)口越低，人體吹風(fēng)感越小，且送風(fēng)口高度僅對近地面處的空氣溫度有明顯影響。

上述研究均是針對高大或普通空間的碰撞射流通風(fēng)，但家庭浴室的層高和面積均較小，此類空間內(nèi)碰撞射流的擴散、浮升情況及室內(nèi)熱環(huán)境特性尚不清楚。本研究搭建了浴霸標(biāo)準(zhǔn)試驗室，實測了上送上回式暖風(fēng)系統(tǒng)和碰撞射流式暖風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)的室內(nèi)溫度分布，對比分析了兩類暖風(fēng)系統(tǒng)的室內(nèi)垂直溫度分布和人體熱舒適性，為碰撞射流式暖風(fēng)系統(tǒng)的實際運用提供了實測數(shù)據(jù)和設(shè)計參考。

1 試驗方案

1.1 試驗系統(tǒng)

作者參照GB/T 22769-2008《浴室電加熱器具（浴霸）》（以下簡稱“國標(biāo)”），在試驗室內(nèi)搭建了一間浴霸標(biāo)準(zhǔn)試驗室。試驗室的墻壁和天花板由角鋼支架和50 mm厚XPS擠塑保溫板拼裝而成，地面鋪設(shè)一層50 mm厚的XPS擠塑保溫板。試驗室外部尺寸為2.00 m×2.00 m×2.80 m（長×寬×高），內(nèi)部凈尺寸為1.80 m×1.80 m×2.20 m（長×寬×高）。試驗室外有1臺超聲波加濕器，試驗前利用其為試驗室加濕，使試驗室的溫濕度滿足國標(biāo)規(guī)定的初始試驗條件（溫度16±2 ℃、濕度60%～70%）。浴霸標(biāo)準(zhǔn)試驗室如圖1所示。

圖1 浴霸標(biāo)準(zhǔn)試驗室（mm）Fig.1 Standard test room of bathroom heater (mm)

為了測量試驗室內(nèi)垂直方向的溫度分布，沿地面對角線布置了3根測桿，測桿1距墻角處的碰撞射流送風(fēng)豎管最近，測桿2位于試驗室中心，測桿3距送風(fēng)豎管最遠(yuǎn)。每根測桿上布置9個溫度測點，其中0.10，1.10和1.70 m高處為人體站姿時高度方向的重要截面；墻面和天花板中心位置處的保溫板內(nèi)外側(cè)各布置1個測點。試驗室內(nèi)的溫度測點如圖2所示。每個測點布置1個TTT-30型熱電偶（Oemga公司，美國），測量精度為±0.5 ℃。熱電偶與Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀（Keysight公司，美國）相連，數(shù)據(jù)采集的時間間隔為10 s。試驗過程中待風(fēng)機運行穩(wěn)定后，利用SwemaAir300氣流測試儀（Swema公司，瑞典）多點測量送風(fēng)豎管內(nèi)的風(fēng)速，進而算得管內(nèi)平均風(fēng)速和送風(fēng)量。

圖2 溫度測點布置（mm）Fig.2 Configuration of measuring points（mm）

1.2 試驗工況

本研究對上送上回式暖風(fēng)系統(tǒng)和碰撞射流式暖風(fēng)系統(tǒng)進行了對比測試。傳統(tǒng)的風(fēng)暖浴霸吊裝在浴室天花板處，暖空氣由浴霸出風(fēng)口向下送出，向室內(nèi)空間放熱后經(jīng)浴霸回風(fēng)口返回浴霸循環(huán)加熱，氣流組織形式為上送上回，如圖3（a）所示。本研究對傳統(tǒng)風(fēng)暖浴霸的加熱段和送風(fēng)方式進行了改造，使暖空氣經(jīng)水平風(fēng)管流入墻角的送風(fēng)豎管，撞擊地面后沿地面水平擴散，進而在熱浮力作用下向上浮升，最后經(jīng)浴霸回風(fēng)口返回浴霸循環(huán)加熱，如圖3（b）所示。為了改變回風(fēng)口位置，本研究制作了一個加熱裝置（PTC加熱段+風(fēng)機），使暖空氣與地面碰撞后向上浮升，經(jīng)頂部角落的回風(fēng)口吸入加熱裝置，如圖3（c）所示?？紤]送風(fēng)口高度和送風(fēng)量2個因素，本研究共進行了7組試驗，參數(shù)詳見表1。系統(tǒng)1與系統(tǒng)2均由風(fēng)暖浴霸的風(fēng)機驅(qū)動，系統(tǒng)2的管道阻力較大，送風(fēng)量較小；系統(tǒng)3的自制熱源的風(fēng)機功率大于風(fēng)暖浴霸的風(fēng)機功率，送風(fēng)量大于前兩個系統(tǒng)的送風(fēng)量。

圖3 浴霸暖風(fēng)系統(tǒng)Fig.3 Warm air system of bathroom heater

表1 試驗工況Tab.1 Experimental conditions

2 試驗結(jié)果分析

2.1 室內(nèi)溫度分布

圖4示出了3種暖風(fēng)系統(tǒng)運行20 min時室內(nèi)3根測桿上的實測溫度，縱坐標(biāo)表示測點高度，H為碰撞射流的送風(fēng)口高度。圖中顯示，暖風(fēng)系統(tǒng)一的3根測桿處垂直溫度分布均呈現(xiàn)顯著的上熱下冷特征，高度2.2～1.4 m間為高溫區(qū)域（51.5～44.5 ℃），1.4～0.8 m間為過渡區(qū)域（44.5～19.9 ℃），0.8～0.1 m間為低溫區(qū)域（19.9～15.3 ℃）。由此可見，上送上回式暖風(fēng)系統(tǒng)只能將暖空氣下送至有限的區(qū)域，其原因有二。首先，上送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)速度不能過大，否則人體會有吹風(fēng)感；其次，暖空氣的熱浮力向上，浴霸回風(fēng)口的抽吸作用也使暖空氣向上流動，兩因素均限制了上送風(fēng)過程的送風(fēng)可及性。

圖4中顯示，暖風(fēng)系統(tǒng)2（試驗2～4）的3根測桿處的垂直溫度分布也是上熱下冷，0.1 m至0.45 m的下部區(qū)域內(nèi)垂直溫度梯度較大，其他區(qū)域的溫度梯度比較接近。圖4（a）表明，系統(tǒng)2的3個工況中，送風(fēng)口高度H=100 mm對應(yīng)的測桿1中下部溫度低于H=200 mm和H=250 mm對應(yīng)的測桿1中下部溫度，后2個工況的溫度差異較小。圖4（b）和4（c）表明，系統(tǒng)2的3個工況中，H較小的工況對應(yīng)的測桿2和3的中下部溫度較低。上述3圖表明，送風(fēng)口高度對系統(tǒng)2的測桿上部溫度的影響規(guī)律并不明晰?？傮w來看，系統(tǒng)2中3組試驗的3根測桿處的垂直溫度分布非常類似，并沒有因為3根測桿與送風(fēng)豎管間的距離差異而形成明顯的溫度分布差異，這可能是由于3組試驗的送風(fēng)量和送風(fēng)速度不大，暖空氣沿地面對角線方向的擴散距離較短。

圖4 3種浴霸暖風(fēng)系統(tǒng)的室內(nèi)垂直溫度分布Fig.4 The vertical profile of air temperature for three heating systems

暖風(fēng)系統(tǒng)3（試驗5～7）的3根測桿處的垂直溫度分布與暖風(fēng)系統(tǒng)2類似，但測桿1處地面附近的溫度較高，這是因為送風(fēng)量和送風(fēng)速度較大，暖空氣沿地面對角線方向擴散到測桿1附近?？傮w來看，系統(tǒng)3對應(yīng)的室內(nèi)溫度比系統(tǒng)2對應(yīng)的室內(nèi)溫度高7 ℃左右。此外，對系統(tǒng)3而言，H越小，室內(nèi)中下部溫度越高，該規(guī)律與系統(tǒng)2相反。由此可見，碰撞射流暖風(fēng)系統(tǒng)的送回風(fēng)布置形式、送風(fēng)量等因素會影響最佳送風(fēng)口高度。

由實測數(shù)據(jù)匯總得到的3種浴霸暖風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)的室內(nèi)垂直溫度分布特性參數(shù)見表2。該表顯示，浴霸暖風(fēng)系統(tǒng)1（上送上回）對應(yīng)的室內(nèi)平均溫度較高，但室內(nèi)垂直溫差和垂直溫度梯度遠(yuǎn)大于其余2種碰撞射流暖風(fēng)系統(tǒng)，人體會產(chǎn)生“頭熱腳涼”的不舒適感。在高度0.1～1.7 m的人體站立空間，系統(tǒng)3對應(yīng)的平均溫度最高，垂直方向的溫差和溫度梯度最小，室內(nèi)熱環(huán)境最優(yōu)。與系統(tǒng)3相比，系統(tǒng)2對應(yīng)的室內(nèi)整體溫度偏低，其原因是送風(fēng)量較小。上述現(xiàn)象與文獻(xiàn)［10］的結(jié)論一致，即暖風(fēng)供暖末端落地安裝時室內(nèi)氣流均勻度較好，垂直溫差較小。

表2 3種暖風(fēng)系統(tǒng)的室內(nèi)溫度分布參數(shù)Tab.2 Indoor air temperature distribution parameters for three heating systems

2.2 人體熱舒適性

2.2.1 室內(nèi)溫度水平

GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，冬季采暖房間的溫度應(yīng)高于18 ℃；文獻(xiàn)［11］指出，中等運動量時人體皮膚溫度32～33 ℃感覺舒適，35～37 ℃開始有熱的感覺；文獻(xiàn)［12］指出，輻射供暖條件下人體平均皮膚溫度在32.7～33 ℃時感覺較舒適。國標(biāo)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)試驗室的初始溫度為（16±2）℃，風(fēng)暖浴霸工作到穩(wěn)態(tài)時平均強制對流溫升應(yīng)不小于9～18 ℃（具體數(shù)值取決于電功率），即室內(nèi)溫度應(yīng)不低于23～36 ℃。考慮到浴室內(nèi)人員在裸體條件下既要避免空氣溫度過低導(dǎo)致的人體皮膚散熱過多，也要防止空氣溫度過高而使皮膚散熱困難，本研究將浴室舒適溫度范圍的下限值取為25 ℃，上限值取為35 ℃。

圖4中的灰色區(qū)域表示25～35 ℃的舒適溫度區(qū)間。由該圖可知，暖風(fēng)系統(tǒng)1對應(yīng)的舒適空間為高度0.9～1.2 m之間的區(qū)域；系統(tǒng)2由于室內(nèi)整體溫度偏低，僅1.4 m以上區(qū)域的溫度適宜；系統(tǒng)3基本可使室內(nèi)全部空間達(dá)到舒適溫度。

2.2.2 頭足溫差

有研究表明，受試者處于熱中性時，頭部周圍空氣與踝部周圍空氣間溫差越大，不滿意率越高。3種暖風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)的頭足平均溫差（即3根測桿上測點2與測點7的平均溫差）分別為32.4，6.2，5.3 ℃，碰撞射流暖風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)的頭足平均溫差遠(yuǎn)小于上送上回式暖風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)的頭足平均溫差。

圖5示出ASHRAE standard 55-2017給出的頭足溫差與不滿意率之間的關(guān)系，圖中系統(tǒng)2和系統(tǒng)3的頭足溫差對應(yīng)的不滿意率分別為42%和28%，系統(tǒng)1的頭足溫差對應(yīng)的不滿意率超出標(biāo)尺范圍。圖5表明，碰撞射流暖風(fēng)系統(tǒng)的頭足溫差對應(yīng)的不滿意率遠(yuǎn)小于上送上回式暖風(fēng)系統(tǒng)。

圖5 頭足溫差與人體不滿意率Fig.5 Temperature difference between head and foot and dissatisfaction percent

2.2.3 吹風(fēng)感

GB50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，冬季供熱工況下室內(nèi)風(fēng)速應(yīng)≤0.2 m/s；文獻(xiàn)［11］指出，導(dǎo)致不舒適的最低風(fēng)速約為0.25 m/s?？紤]到浴霸供暖條件下室內(nèi)溫度比普通供暖房間的溫度高，人體皮膚對空氣流動的耐受性好一些，本研究將吹風(fēng)感的臨界風(fēng)速取為0.25 m/s。圖6（a）示出了系統(tǒng)1和系統(tǒng)3的4組試驗的測桿2（人體站立處）上測點處的空氣流速。由圖可知，頂送風(fēng)條件下室內(nèi)風(fēng)速分布呈明顯的上高下低特征，0.6 m以上空間的風(fēng)速均大于0.25 m/s，人體頭部（1.7 m高）的風(fēng)速超過1.0 m/s，氣流煩擾感明顯；碰撞射流工況下室內(nèi)上部空間的風(fēng)速幾乎為0，下部空間的風(fēng)速相對較大，但踝部位置的風(fēng)速僅為0.13～0.2 m/s，無明顯的氣流煩擾感。中性-冷環(huán)境中吹風(fēng)感引起的不滿意率PD與空氣的流速、溫度和湍流度之間的關(guān)系為［13］：

式中 ta——空氣溫度，℃；

v——空氣流速，v<0.05 m/s時取 0.05 m/s；

Tu——空氣湍流度，供熱工況下取20%。

由PD的表達(dá)式可知，ta≥34 ℃或v≤0.05 m/s時，PD=0。圖6（b）示出了4組試驗的測桿2上各測點處的不滿意率PD。對上送上回式暖風(fēng)系統(tǒng)，由于1.1 m以上區(qū)域內(nèi)ta>34 ℃，故PD=0；1.1 m以下區(qū)域內(nèi) ta<34 ℃且 v>0.05 m/s，PD>0，最大值為20.5%。對碰撞射流式暖風(fēng)系統(tǒng)，由于0.45 m以上區(qū)域內(nèi)v≤0.05 m/s，故PD=0；0.45 m以下區(qū)域內(nèi)PD>0，最大值為19.1%。因此，從氣流煩擾感和吹風(fēng)感不滿意率看，碰撞射流暖風(fēng)系統(tǒng)明顯優(yōu)于上送上回式暖風(fēng)系統(tǒng)。

圖6 系統(tǒng)1和系統(tǒng)3的吹風(fēng)感（測桿2處）Fig.6 Draught discomfort of the first and the third systems（at measuring pole 2）

2.3 送風(fēng)口高度對碰撞射流暖風(fēng)系統(tǒng)的影響

以系統(tǒng)3的3組試驗為例，分析送風(fēng)口高度對碰撞射流浴霸暖風(fēng)系統(tǒng)的影響。由于試驗5～7的室內(nèi)初始溫度不盡相同，不應(yīng)根據(jù)室內(nèi)瞬時溫度來評判送風(fēng)口高度對碰撞射流暖風(fēng)系統(tǒng)加熱性能的影響。

圖7（a）示出了3組試驗的室內(nèi)溫升情況。由圖可見，前200 s內(nèi)3組試驗的室內(nèi)溫升情況基本相同，200 s后室內(nèi)溫升差異逐漸明顯，1 200 s時3組試驗的溫升差異約為2 ℃?？傮w來說，送風(fēng)口高度H越大，室內(nèi)溫升越慢。國標(biāo)規(guī)定，風(fēng)暖浴霸（功率1.95～2.1 kW）工作到熱穩(wěn)態(tài)時平均強制對流溫升應(yīng)不小于15 ℃，且達(dá)到70%的平均強制對流溫升（10.5 ℃）所需時間應(yīng)不大于600 s。暖風(fēng)系統(tǒng)3的額定功率為2.0 kW，3組試驗對應(yīng)的室內(nèi)溫升達(dá)到10.5 ℃時所用時間分別為370 s（H=100 mm）、415 s（H=200 mm）和 530 s（H=250 mm），均滿足國標(biāo)要求，且送風(fēng)口越低，室內(nèi)溫升越快，該規(guī)律與圖4一致。

系統(tǒng)3的3組試驗對應(yīng)的頭足平均溫差分別為6.3 ℃（H=100 mm）、4.9 ℃（H=200 mm）和4.8 ℃（H=250 mm），可見碰撞射流暖風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口高度對浴室內(nèi)頭足溫差的影響較小，該結(jié)論與文獻(xiàn)［9］中送風(fēng)口高度對房間溫度分布影響不大的結(jié)論一致。

對碰撞射流送風(fēng)系統(tǒng)來說，射流向下撞擊地面的強度以及沿地面水平擴散的距離取決于熱浮升力和慣性力的共同作用，兩者的相對強弱可以用無量綱參數(shù)Ar表示，該參數(shù)等于格拉曉夫數(shù)Gr與雷諾數(shù) Re平方的比值［14-17］：

式中 g——重力加速度，m/s2；

Lo——送風(fēng)口的水力直徑，m；

Ts——送風(fēng)射流的初始溫度（送風(fēng)溫度），℃；

TA——射流周圍環(huán)境空氣的溫度，取0～0.1 m高度間的平均溫度，℃；

Vo——射流速度，m/s。

圖7（b）示出試驗5～7的Ar數(shù)變化曲線。由圖可知，試驗開始后Ar數(shù)快速上升到最大，此后緩慢降低，這說明隨著送風(fēng)溫度快速升高，熱射流浮升力的影響快速顯現(xiàn)，但隨著室內(nèi)溫度（包括底部區(qū)域溫度）的升高，熱射流浮升力的影響變化很小。3組試驗的Ar數(shù)在0.135～0.181之間，且送風(fēng)口高度越小，Ar數(shù)越大，這是因為3組試驗的射流速度Vo近似相等，射流周圍空氣的溫度相差很小，送風(fēng)口高度較小情形的回風(fēng)溫度和送風(fēng)溫度均較高，從而使Ar數(shù)較大。

圖7 送風(fēng)口高度對碰撞射流暖風(fēng)系統(tǒng)的影響Fig.7 The effect of discharge height on the heating system by the impinging jet

3 結(jié)論

（1）上送上回式暖風(fēng)系統(tǒng)運行時室內(nèi)上熱下冷現(xiàn)象顯著，垂直溫度梯度較大，頭足溫差高達(dá)32.4 ℃，滿足舒適溫度的區(qū)域很小，吹風(fēng)感明顯，熱舒適性較差。

（2）碰撞射流式暖風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)的室內(nèi)垂直溫度梯度較小，頭足平均溫差在6 ℃左右，滿足舒適溫度的區(qū)域較大，基本無吹風(fēng)感，供暖性能明顯優(yōu)于上送上回式暖風(fēng)系統(tǒng)，其中系統(tǒng)3（碰撞射流送風(fēng)頂部角落回風(fēng)）對應(yīng)的室內(nèi)平均溫度、頭足溫差等指標(biāo)均優(yōu)于系統(tǒng)2（碰撞射流送風(fēng)頂部中心回風(fēng)）。

（3）碰撞射流式暖風(fēng)系統(tǒng)的室內(nèi)溫升時間滿足國標(biāo)要求，且送風(fēng)口位置越低，室內(nèi)溫升越快，頭足平均溫差和Ar數(shù)均越大。