玻璃窗位置對高大空間供暖效果的影響

謝水成，鐘　珂，朱　輝，葉　筱，亢燕銘

(東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620)

玻璃窗位置對高大空間供暖效果的影響

謝水成，鐘珂，朱輝，葉筱，亢燕銘

(東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620)

在實驗驗證數值計算方法的基礎上，通過數值模擬探討了玻璃窗位置不同時對供暖房間熱環境的影響.研究結果表明：無論玻璃窗設在屋頂還是側墻上，其附近氣流速度值都明顯大于無玻璃窗區域.當玻璃窗設在屋頂時，送風氣流在整個房間混合流動，房間溫度分布均勻，降低送風口高度對室內溫度分布和能量利用系數無影響.玻璃窗在側墻時，沿玻璃冷表面下沉的冷空氣使室內溫度分布出現明顯的熱力分層現象，送風口高度越高，上下部區域溫差越大，適當降低送風口高度可以有效改善室內熱環境，且熱風供暖的能量在房間下部區域的利用率也增大.

玻璃窗位置；高大空間；室內熱環境；能量利用系數

隨著人們對室內視覺環境要求的提高，平天窗和落地窗或低窗臺窗戶越來越多.由于玻璃窗保溫性能較差，內表面溫度低，近表面處形成的冷空氣對室內溫度空間分布有顯著影響[1].特別是在高大空間中，大面積低溫玻璃表面對附近空氣的冷卻作用將明顯影響到室內氣流和空氣溫度分布.

高大空間中，熱空氣上浮的特性導致空氣溫度在空間上部區域較高而底部較低[2].被玻璃窗低溫表面冷卻后的冷空氣的流動有可能加劇或減弱高大空間溫度梯度大的特征，從而影響到熱風能量的利用情況.為此，本文將在利用實驗驗證數值計算方法的基礎上，對分別具有大面積平天窗或側窗的大空間，利用數值模擬方法對室內氣流和溫度分布進行研究，以分析玻璃窗位置不同時對供暖房間熱環境的影響，并根據模擬結果對不同情況下的供暖能量系數做出分析.

1　數值模型

1.1計算模型的確定

以一個層高為9 m的高大空間為物理模型進行研究，見圖1所示.該高大空間每個柱距內空調送回風口布置均相同，因此，除靠近山墻的柱距單元外，所有柱距單元內氣流速度和溫度分布規律原則上應相同.考慮到建筑的對稱性，本文選擇中間一個柱距單元的一半作為研究對象，其平面分布見圖1中涂灰部分.采用上送上回的氣流組織方式，在側墻上設有送風口和回風口，送回風口尺寸均為0.3 m×0.3 m，送風口高度分別為6.5和8.5 m，回風口在送風口下方0.6 m處，送風口和回風口位于兩個柱子中間，如圖2所示.本文主要研究玻璃窗位置不同對供暖房間熱環境的影響，考慮玻璃窗位置設置在屋頂和側墻兩種情況，即全平天窗和側窗兩種類型.側窗又有普通窗和落地窗之分，設普通窗的窗臺高度為0.9 m，玻璃窗高度為7.2 m.為保證兩種側窗具有相同的傳熱面積，設落地窗寬度為4.8 m，窗間墻寬度為 1.2 m.

圖1　所研究空間平面圖Fig.1　Plan of the researched space

圖2　高大空間計算區域與送回風口布置Fig.2　Computational domain of the large-height space and the locations of inlet and outlet

熱風供暖時，室內的熱源如人、燈、電腦等對房間的供熱是有利的，但對室內氣流和溫度的局部分布的影響卻很小[3]，故在模擬的過程中不考慮室內熱源的影響.由于保溫實體圍護結構的傳熱系數遠小于玻璃窗，內表面溫度較高，計算中設實體圍護結構內表面溫度為17 ℃，玻璃窗內表面溫度為9 ℃,而對于地面, 由于土壤具有溫度延遲效應[4]，在模擬過程中設為絕熱表面.熱風以水平向下30°傾角射出，送風速度為3 m/s，送風溫度為28 ℃.由于送風空調房間維持室內正壓，因此，模擬過程中不考慮門窗縫隙的冷風滲透所造成的熱損失[5].

1.2數學模型

本文所研究的流體為三維連續不可壓縮流體，在研究過程中認為流體的屬性不變[6].數值計算時，選用二階迎風格式對控制方程進行離散化，并選用SIMPLE算法對離散方程進行求解.由于研究的流場在供熱時會受到由溫差引起的浮升力的影響，因而空氣密度采用Boussinesq假設[7].數值模型所有的墻壁都滿足無滲透和無滑移條件.送風口邊界類型定義為velocity-inlet，回風口定義為outflow形式.采用四面體網格對物理模型進行劃分，送、回風口以及傳熱的墻體附近的網格采用加密處理.

1.3數學模型的合理性驗證

為了保證數值模擬方法的可靠性，首先需要驗證上述數學模型的合理性.2012年2月10日至29日，在東華大學環境學院人工氣候室進行熱風采暖實驗，對室內的溫度場和速度場分布進行實測.人工氣候實驗室共布置4個測桿，每個測桿沿高度方向設置7個測點.

實驗過程中溫度的測量采用Humlog 20型溫度儀，分辨率為0.1 ℃.氣流速度的測量采用意大利Delta公司出品的萬向風速儀，測量范圍為0.05～5.00 m/s，精度為±3%，分辨率為0.01 m/s.為了保證在完全穩定的條件下進行測量，連續測量5～6 h，直到室內空氣溫度和壁面溫度的波動范圍小于±0.5 ℃，實驗數據均取自穩定狀態下的實測值.

運用數值計算的方法對上述實驗工況進行模擬，通過對數值模擬結果與實驗數據的比較與分析，驗證數學模型在高大空間進行模擬的合理性.圖3給出了數值模擬計算結果與1號和3號測桿實測結果的比較，由于篇幅的限制，2號和4號測桿數值模擬和實測的比較結果不再給出.

(a) 1號測桿

(b) 3號測桿圖3　垂直溫度和速度實測值與數值模擬結果對比Fig.3　Comparison of the numerical results and experimental data of the vertical temperature and velocity profiles

從圖3可以看出，除某些位置可能由于門的開啟以及實驗過程中的冷風滲透等原因，會對室內的溫度場和速度場造成一定的影響，進而導致數值模擬結果與實驗數據之間產生一些偏差外，整體上數值模擬計算結果與實驗測得的結果之間能夠較好地吻合.因此，可以認為本文所采用的數值模擬計算方法是可靠的.

2　數值模擬結果與分析

2.1玻璃窗位置對氣流和溫度分布的影響

為了探究玻璃窗冷表面對附近氣流的影響，需要獲得圍護結構表面附近氣流的信息.本文計算模型中離圍護結構最近的網格尺寸是0.03 m，若取離墻0.03 m或更近的表面，則數據受壁面溫度干擾過大.為了得到墻面附近的氣流信息，同時避免固體表面溫度的影響，本文取位于第二層網格內的表面，即離墻體0.05 m的表面來分析圍護結構冷表面對附近氣流運動的影響.

圖4給出了送風口高度為8.5 m時，距離屋頂內表面0.05 m的水平面和平行于側墻且距離內表面也為0.05 m的垂直剖面上的氣流速度分布特征的模擬結果.

(a) 平天窗屋頂且實體側墻

(b) 落地窗側墻且實體屋頂圖4　玻璃窗附近的對流換熱特征Fig.4　Characteristics of convective heat transfer near the windows

比較圖4(a)與4(b)可知，玻璃窗設置在屋頂時，由于屋頂內表面溫度較低，與附近熱空氣的溫差較大而導致自然對流作用比較強烈，其附近氣流速度值明顯大于實體屋頂的情況；同樣，玻璃窗在側墻時，除在中間高度處由于送風射流對下沉氣流的卷吸，導致有一部分區域氣流速度值較小外，側窗附近的氣流速度值也都明顯大于圖4(a)所示的實體側墻情況.由圖4(a)還可以看到，平天窗附近氣流從中心位置向四周流動，這是因為熱空氣上浮遇到水平冷表面，通過對流換熱被冷卻后下沉，與上浮熱氣流相遇并隨著熱氣流運動軌跡流動.由圖4(b)還可以看到，側墻為大面積落地窗時，由于中間區域為實體窗間墻，內表面溫度高，對流換熱強度略低，故此處氣流速度值明顯小于兩側.

圖5給出了送風口高度為8.5 m時，玻璃窗位于不同位置時，穿過送風口中心的剖面(x= 3 m)上的氣流流線與溫度分布的模擬結果.

(a) 平天窗屋頂且實體側墻

(b) 落地窗側墻且實體屋頂圖5　送風口中心平面上的流線與溫度模擬結果Fig.5　Numerical results of the streamlines and temperature distributions on the plane of inlet center

由圖5可知，熱風射流以30°傾角送出后，由于自身溫度高于周圍空氣溫度，在浮升力作用下，運動軌跡不再保持直線，在送風射流末端，送風射流速度衰減較大，在房間近中央處形成明顯的上升氣流.由圖5(a)可知，玻璃窗在屋頂時，送風熱氣流在整個房間內混合流動，整個房間溫度分布相對比較均勻.這是因為上升熱空氣與低溫屋頂內表面對流換熱后，被冷卻后的空氣直接下沉，通過降低上部空間的溫度實現整個空間溫度分布均勻，在沒有熱力分層的空間中，慣性力控制整個空間的空氣流動，于是房間內呈現出典型的混合通風特征.另外，結合圖4(a)可知，圖4(a)中的中心位置恰好是圖5(a)中屋頂附近兩個渦流的分界處.由圖5(b)可知，玻璃窗在側墻時，房間上下區域分別形成幾乎獨立的渦流區，送出的熱氣流大部分停留在上部空間區域，難以到達下部空間，因此，室內上部區域溫度高于下部區域，出現了明顯的熱力分層現象.這是因為被側窗冷卻后的空氣在垂直下沉過程中持續被冷卻，在側窗下部聚集大量冷空氣，最終擴散至地面形成了冷空氣層，該冷空氣層不僅導致房間下部溫度偏低，還通過浮力作用阻止上部熱空氣補充到下部區域，最終在下部空間形成了獨立的渦流區.

圖6給出了送風口高度為8.5 m時，距離屋頂0.05 m處沿水平方向和距離側墻0.05 m處沿豎直方向(具體位置見圖2中水平線L1和豎直線L2)上的氣流速度和溫度變化曲線.

(a) 水平方向

(b) 豎直方向圖6　屋頂和側墻附近氣流速度和溫度變化曲線Fig.6　Curve of the air velocity and temperature variation near the roof and side wall

由圖6(a)可知，當屋頂為全平天窗時，由于平天窗附近自然對流作用強烈，相對于實體屋頂，附近氣流速度較大而溫度較低. 同時側窗情況對應的實體屋頂附近氣流速度小而溫度較高.由圖6(a)還可以看到，盡管平天窗時屋頂附近空氣被冷表面冷卻，但與側窗情況對應的實體屋頂附近空氣一樣，溫度值沿水平方向分布很均勻，這表明被平天窗冷卻的空氣直接下沉，沒有在水平冷表面重復冷卻或冷氣流聚集.由圖6(b)可以發現，平天窗實體側墻附近的氣流速度和溫度幾乎不隨高度變化而變化，而側墻有大面積玻璃窗時，不論落地窗還是普通側窗，其附近氣流速度沿高度均發生很大變化.由于送風射流對附近空氣的卷吸作用與下沉冷氣流的方向相反，使得中間高度處下沉氣流速度較小.側窗內表面與附近空氣的溫差在房間上部更大，因此，側窗上部的下沉氣流速度大于側窗下部.除去由于地面阻礙和送風射流卷吸造成的下沉氣流速度很低的區域外，由圖6(b)可以發現，以送風口高度為界，在側窗上下部，附近氣流速度均分別隨著高度的降低而增大，表明冷氣流沿垂直冷表面下沉過程中，不斷有冷空氣加入并被重復冷卻，這與圖6(a)中平天窗附近冷空氣不會被重復冷卻的情況完全不同.可以認為側窗面積越大，冷空氣的累加效應越強，對下部空間溫度的影響越大.本文研究的普通側窗與落地窗面積相等，因此冷空氣的累加作用相同，由圖6(b)可以看到，側窗附近二者的氣流速度和溫度分布幾乎一致.

2.2送風口高度對房間熱環境的影響

一般而言，由于熱氣流會在浮力作用下上升，對房間進行熱風采暖時不宜提高送風口高度，送風口高度越高，越不能滿足人員工作區的熱舒適性要求，但是某些工藝要求或建筑結構特征不允許送風口高度過低，為此需要對不同送風口高度室內熱環境進行研究.

圖7給出了送風口高度不同時，不同玻璃窗位置的房間中心處溫度沿垂直高度方向的分布曲線.

圖7　不同送風口高度房間中心處溫度垂直分布Fig.7　Vertical profiles of temperature in the middle of the room for different positions of inlet

由圖7可知，玻璃窗在屋頂時，室內溫度分布比較均勻，送風口高度對室內溫度梯度幾乎沒影響.在屋頂附近氣溫最低，如前所述，這是由水平冷表面對附近空氣的冷卻作用造成的.玻璃窗在側墻時，無論落地窗還是普通側窗，送風口位置對溫度的垂直分布都有明顯影響.送風口位置從8.5 m下降到6.5 m時，房間上下部區域的溫差從12 ℃減小至5.5 ℃，表明玻璃窗在側墻時，送風口高度不宜過高，適當降低送風口高度能夠有效改善室內熱環境.

室內人員熱舒適受到流經人體的氣流速度和溫度共同作用.圖8給出了送風口高度不同時，不同玻璃窗位置的房間中心處氣流速度沿垂直高度方向的分布情況.

圖8　不同送風口高度房間中心處氣流速度垂直分布Fig.8　Vertical profiles of air velocity in the middle of the room for different positions of inlet

由圖8可知，玻璃窗在屋頂時，房間中心處速度值在垂直方向上都很小，在0.06 m/s以下，不同送風口高度基本沒有差別；玻璃窗在側墻時，普通窗與落地窗相似，2 m以下空間不同送風口高度氣流速度基本沒有差別，均在0.03 m/s以下.這表明玻璃窗在房間不同位置，降低送風口高度都不會造成人員空間風速過大.

2.3熱風能量利用率分析

2m以下空間溫度直接關系到人體的熱舒適性，表1給出了不同工況下，房間整體平均溫度(tp)和2 m以下空間平均溫度(t2m)的模擬結果.由表1可知，玻璃窗在屋頂時，不同送風口高度下二者的tp和t2m基本相同.玻璃窗在側墻時，普通窗與落地窗相似，送風口位置降低時，房間整體平均溫度和人員所在空間平均溫度都有所上升，其中人員空間平均溫度對送風口高度更加敏感，其上升幅度高于房間整體平均溫度的上升幅度.

表1　房間整體和2 m以下空間平均溫度的比較Table 1　Comparisons of average temperatures in the whole room and in the zone below 2 m

熱風能量在供暖房間的利用情況可以用能量利用系數η來衡量，其表達式為

(1)

式中:ts為送風溫度，℃.熱風中到達2 m以下空間的能量越多，該空間的平均溫度越高，室內人員對熱風能量的利用率越高.由式(1)可知，η越大表明能量利用越好.

表2給出了不同送風口高度時在不同玻璃窗位置房間的能量利用系數η.由表2可知，玻璃窗在屋頂時，能量利用系數較高，接近1，且不同送風口高度對能量利用系數幾乎無影響.如前所述，這是因為被平天窗冷卻的空氣直接下沉造成了室內氣流充分混合，有利于熱風能量到達人員空間.玻璃窗在側墻時，能量利用系數明顯低于平天窗的情況.同時熱風能量利用系數與玻璃窗在側墻的位置也無關，且都隨著送風口高度的增加而下降.

表2　送風口高度不同時供暖能量利用系數比較Table 2　Comparison of the heating energy-using coefficients with different positions of inlet

3　結　語

高大空間冬季采用分層熱風采暖，可以將更多的熱量送入人員活動區.玻璃窗位置不同時，室內的熱環境具有一定的差異.本文運用數值模擬的方法，對典型幾何尺寸的大空間內部的溫度場和氣流分布進行研究，討論了玻璃窗位置不同對供暖房間熱環境的影響，并分析不同情況下的供暖能量利用系數.得出的主要結論如下：

(1) 大面積玻璃窗在屋頂時，被平天窗冷卻的空氣直接下沉，通過降低上部空間溫度實現了室內溫度分布均勻，氣流實現了全室充分混合，因此送風口高度對這類大空間的熱環境和供暖能量利用系數無影響；

(2) 大面積玻璃窗位于側墻時，被玻璃窗表面冷卻的空氣沿窗戶下沉并不斷累加聚集，最終在地面形成冷空氣層，不僅造成室內溫度梯度大，而且通過浮力作用阻礙了熱風進入人員空間，在這類高大空間中，降低送風口高度可以顯著提高人員空間和全室的平均溫度，提高熱風能量利用率.

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Effects of the Position of Windows on Large-Height Spaces’ Warm-Air Heating Systems

XIEShui-cheng，ZHONGKe,ZHUHui,YEXiao,KANGYan-ming

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

Numerical simulations have been carried out for exploring the effects of the position of windows on the indoor thermal environment in room heating, and the numerical scheme is validated by test data. The results show that whether windows are set in the roof or set in the side wall, the air velocity in the nearby area is obvious larger than the nearby area without windows. When the windows are set in the roof, the air supply is mixing flow throughout the room, the temperature distribution of the room is uniform, reducing the height of the inlet has no effect on the indoor temperature distribution and energy-using coefficient. When the windows are set in the side wall, the indoor temperature distribution appears apparent thermal stratification because the cold air is along the cold surface of glass sinking, the higher height of inlet, the larger temperature difference between the upper and lower regions, the indoor thermal environment can be effectively improved by reducing the height of the inlet appropriate. Moreover, the energy carried by the incoming warm air can be used with high efficiency at the lower part of the space in warm air systems.

position of windows; large-height space; indoor thermal environment; energy-using coefficient

1671-0444(2015)03-0376-06

2014-03-14

國家自然科學基金資助項目 (51278094)；上海市教委科研創新重點資助項目 (13ZZ054)

謝水成(1988—)，男，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向為建筑節能.E-mail：xsc_0130@126.com

鐘珂(聯系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831.3

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