冷風侵入對不同送風方式供暖房間熱環境的影響

賈 琳，鐘 珂，葉 筱，亢燕銘

(東華大學 環境科學與工程學院，上海201620)

冷風侵入對不同送風方式供暖房間熱環境的影響

賈 琳，鐘 珂，葉 筱，亢燕銘

(東華大學 環境科學與工程學院，上海201620)

利用數值計算方法分析和比較了碰撞射流通風和混合通風在不同冷風侵入情況時的熱風供暖特性.結果表明，在有明顯冷風侵入的房間中，碰撞射流通風供暖時室內空氣混合程度遠大于混合通風.冷風侵入量越大，室外氣溫越溫和，碰撞射流熱風供暖的節能率越高.

碰撞射流通風；混合通風；熱風供暖；冷風侵入；節能率

傳統的熱風供暖送風方式為混合通風(mixing ventilation，MV)，由于熱風從房間上部送入，同時熱風受到向上浮力的作用，供暖能量很難進入人員所在的下部空間，特別是在有明顯冷風侵入的房間，供暖能量利用率更低[1].一種新型的通風方式，即碰撞射流通風(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的風速將熱風從距地面較近的送風口送出，熱風撞擊地面后擴散開來，與室內空氣混合后在浮力作用下流向布置在房間上部的回風口.已有研究[2 - 5]表明，IJV不但具有良好的空氣品質而且節能，因此可以認為IJV綜合了MV與置換通風的優點，但是關于IJV供暖特征的研究很少[6].文獻[78]對無明顯冷風侵入房間采用IJV供暖的熱環境特征進行了研究，但對IJV用于有明顯冷風侵入供暖空間的研究幾乎沒有報道.而在實際生活中這種空間非常普遍，如超市、商場等，外門的頻繁開啟導致的冷風侵入對室內熱環境會產生很大影響.

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

1 數值模型

1.1 計算模型和計算方法

本文選取的模型為一個商鋪，人流量大，外門會隨人員進出間歇性開啟，該空間分別采用IJV系統和MV系統進行熱風供暖.圖1為計算域平面示意圖，房間長為9 m，寬為9 m，高為4.5 m，由于建筑空間和風口布置具有對稱性，因此選取全部空間的一半進行研究，見圖1中灰色部分.外圍護結構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，傳熱系數為3.0 W/(m2·K)玻璃圍護結構上方以及商鋪其他方向的內圍護結構均為鋼筋混凝土墻體，傳熱系數為0.47 W/(m2·K).

圖1 計算域平面示意圖Fig.1 Plan of the space researched

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

圖2 IJV系統與MV系統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的供暖效果，數值計算時室外溫度分別取為5、0和-5 ℃.由于冬季供暖最不利設計條件為陰天，故不考慮太陽輻射的影響.房間內距地面高為1 m處設置了溫控器，具體位置如圖2所示.供暖初始溫度為15 ℃，送風溫度為30 ℃.采用定頻間歇供暖模式，即當監控面溫度升到21 ℃時將送風溫度調至21 ℃，當監控面溫度下降至19 ℃時將送風溫度重新調至30 ℃，依次循環.

本文采用三維連續不可壓縮流體，認為在計算過程中流體屬性不發生改變.在用FLUENT軟件進行數值模擬時，采用二階迎風格式對控制方程離散化，并用SIMPLE算法求解方程.考慮到室內供暖氣流會受到浮力影響，室內上下溫差在10 ℃左右時，空氣密度可使用Boussinesq近似[9 10].在數值計算過程中，認為室外為靜風條件，故設冷風侵入的速度為0.05 m/s.

在關門狀態下開始計算，當監控面溫度首次達到21 ℃時，第一次開門，隨后根據不同的開門間隔分別進行計算.針對3種室外氣溫，分別計算了5種開門時間的情況，計算工況的詳細參數如表1所示.為便于比較，本文定義無量綱平均冷風侵入時間(T)為

(1)

式中：τo為一個周期中的開門時間；τc為一個周期中的關門時間.

表1 工況參數說明Table 1 Illustration of parameters in different situations

注：M為平均冷風侵入量.

1.2 計算模型驗證

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.在東華大學環境科學與工程學院人工氣候實驗室進行熱風采暖試驗，對室內的溫度場和速度場分布進行實測，試驗細節詳見文獻[11].實測結果與數值模擬結果的對比如圖3所示.由圖3可知，數值模擬計算結果與實測結果之間吻合較好，因此，本文采用的數值計算方法可以用于下文的研究.

(a) 溫度(b) 風速圖3 實測結果與數值模擬結果對比Fig.3 Results comparison between experiments and numerical simulations

2 分析與討論

2.1 冷風侵入對室內氣流和溫度分布的影響

為了直觀地看到冷風侵入對室內熱環境的影響，在兩種供暖方式下，開門前和開門10 s時，當工況4時通過外門中心的縱剖面(見圖2)上的溫度分布情況如圖4所示.

(a) IJV開門前

(b) IJV開門10 s后

(c) MV開門前

(d) MV開門10 s后圖4 兩種熱風供暖方式下穿過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熱風供暖房間都存在明顯的溫度梯度，但前者的熱力分層現象明顯弱于后者.分別對比兩種熱風供暖方式在開門前后的溫度分布，可以看到，兩種熱風供暖方式下，冷風侵入后均直接下沉至地面附近，導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房間的熱力分層現象在不開門時已經很顯著，使得侵入的冷風對MV房間的影響小于IJV房間.

在兩種供暖方式下，開門前和開門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開門前

(b) IJV開門10 s后

(c) MV開門前

(d) MV開門10 s后圖5 兩種熱風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表面溫度較低，使得開門前后門窗附近氣溫均較低.開門后侵入的冷風對地面附近氣流流動形態沒有明顯影響，但擴大了低溫區面積，特別是在MV供暖房間中，不僅低溫區面積大幅度增大，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，需要空調更早開啟為室內補充熱量.因為MV是沿與墻壁成30°方向向下送風，所以開門后空調開啟使得低溫區面積擴大的同時高溫區面積也有所增大，但可以明顯看出平面的平均溫度降低. 相對而言，IJV對冷風的抵御作用較強，并且近地面的平均溫度比MV系統也高很多.這是因為IJV送風口送出的熱射流緊貼地面流動，與沿地面擴散開的冷風部分混合，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區的熱舒適要求，通常2 m以下空間可以視為人員區.為此，當室外氣溫為0 ℃，在兩種熱風供暖方式下，高度為2.0和0.1 m平面的平均空氣溫度隨著開門次數的變化曲線如圖6所示.為方便標記，將第n次開門時刻(尚未開門)對應的時間定義為On(n=1,2,…).

(a) MV

(b) IJV圖6 兩種供暖系統在不同高度平面處的平均氣溫 與開門行為的關系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，由于采用定頻熱風間歇供暖，室內氣溫在關門狀態時也有波動.由圖6(a)可以看到，在MV供暖房間，室內上部和下部區域的溫度隨時間變化不同步.這是因為上送上回的送風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，使得兩者氣溫波動規律相對獨立.影響上部氣溫的主要因素是熱風送入的間歇頻率，而下部區域則主要受控于開門造成的侵入冷風.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間變化規律完全一致.這是因為在IJV系統中，熱空氣從房間下部送入，與侵入室內的冷空氣混合后再流入回風口，這種室內空氣充分混合的特征使得房間上下空間溫度波動非常一致，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大于MV供暖房間.

在室外溫度不同的情況下，兩種熱風供暖方式的房間時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熱風供暖房間的溫度梯度遠小于MV房間.冷風侵入量對室內溫度梯度的影響幾乎可以忽略不計.但對比圖7(a)，7(b)和7(c)可以看到，室外氣溫對溫度梯度的影響很大.室外氣溫雖然對房間上部溫度沒有明顯影響，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.

為實現近地面人員區舒適溫度的要求，較大的溫度梯度會造成房間平均溫度偏高，進而增加供暖能耗.圖7表明，相同氣候和房間使用條件下，IJV熱風供暖房間可以實現較小的溫度梯度，即意味著IJV相對于MV具有一定的節能效果.

2.2 不同熱風供暖方式的能耗分析

房間供暖能耗Q的計算式為

(2)

式中：τ1為供暖時間，s；ρ為空氣密度，kg/m3，文中ρ=1.2 kg/m3；G為送風量，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、回風溫度，℃.

根據供暖能耗，可求得供暖熱指標(Zi)，即

(3)

式中：i為工況編號；Qi為對應工況的能耗，kJ；τi為對應工況的供暖總時間，s；A為房間面積，m2.根據模擬計算結果以及式(2)和(3)得到的各工況供熱指標，結果如圖8所示.其中，工況0為相對冷風侵入量為0，即始終不開門的情況.

圖8 兩種供暖系統的各工況供熱指標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，兩種熱風供暖方式的供暖熱指標均隨著相對冷風侵入時間增加呈近似線性增加，但IJV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侵入房間采用IJV供暖，可以得到較好的節能效果.

為了更直觀地分析IJV系統相對于MV系統的節能優勢，定義室外溫度為te時IJV系統的相對節能率(I)為

(4)

式中：ZI,te和ZM,te分別為室外溫度為te時IJV和MV供暖房間的供熱指標.圖9 為室外溫度分別為5，0，-5 ℃時IJV系統的相對節能率.

圖9 IJV系統的相對節能率Fig.9 Relative energy saving rate of IJV

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

3 結 語

傳統的上送上回熱風供暖送風方式的供暖能量利用率較低，但碰撞射流通風為提高供暖能量利用率提供了可能.本文利用數值計算方法分析和比較了碰撞射流和混合通風在不同冷風侵入情況時的供暖特性，主要得到以下結論：

(1) 在有明顯冷風侵入的房間中，碰撞射流通風供暖時室內空氣混合程度遠大于混合通風，這使

得碰撞射流通風對冷風的抵御作用強于混合通風；

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

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

(4) 在-5 ℃的氣候下，碰撞射流通風供暖的相對節能率僅為3%～9%，因此在室外氣溫較低的北方地區，相對于混合通風，碰撞射流通風在供暖方面沒有明顯優勢.

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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)

賈 琳(1990—)，女，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向為建筑環境與節能.E-mail:jialin0415@foxmail.com 鐘 珂(聯系人)，女，教授，E-mail:zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831.3

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