冷風侵入對熱風供暖房間室內熱環境影響的實測研究

房玉恒， 葉 筱， 鐘 珂， 亢燕銘

(東華大學 環境科學與工程學院，上海201620)

冷風侵入對熱風供暖房間室內熱環境影響的實測研究

房玉恒， 葉 筱， 鐘 珂， 亢燕銘

(東華大學 環境科學與工程學院，上海201620)

侵入室內的室外冷風不僅會造成室內近地面溫度過低，也會使供暖能量利用率明顯下降．針對不同冷風侵入量和侵入頻率時的熱風供暖房間室內熱環境進行了試驗研究．結果表明：供暖房間時間平均溫度不受冷風侵入頻率影響，僅空氣溫度波動幅度隨著冷風侵入頻率的減小而增大；隨著冷風侵入量的增加，室內溫度梯度增大，且供暖能量利用率下降；在有明顯冷風侵入的場合，送風量相同時，采用較大送風速度是減弱冷風侵入不良影響的關鍵．

冷風侵入； 熱風供暖； 溫度梯度； 供暖能量利用率

混合通風作為主要的熱風供暖方式，已在公共建筑中得到了廣泛應用，如文獻[1-9]對混合通風熱風供暖效果進行了研究．但大多數研究都是針對無室外冷空氣侵入的房間展開的，關于有明顯室外空氣侵入的空間供暖特征的研究則非常少，而實際中這種空間非常普遍，如超市、商場等．盡管這類建筑多采用正壓送風，但外門的頻繁開啟仍會導致大量室外冷風侵入室內．文獻[10]對飛機倉庫熱風供暖效果的實測研究表明，通過大門侵入室內的室外冷風會顯著增加房間的熱力分層，造成對熱量的需求比在沒有熱力分層情況下的要多38%．文獻[11]研究指出，在一個飼養家禽的單層高大建筑內，從地板到天花板測量的溫差可達18 ℃，這就嚴重降低了供暖能量的利用率．

所以，在有明顯室外冷風侵入供暖房間內降低溫度梯度，是改善此類房間供暖能耗特征的關鍵．為此，本文擬在人工氣候室內，對有明顯室外冷空氣侵入的熱風供暖房間的室內環境進行實測研究，尋找減小此類房間熱力分層現象的途徑，以達到相對節能的效果．

1 試驗條件與方法

室外冷空氣通過開啟的外門進入供暖房間，因此，每次開門的持續時間和開門頻率便構成了室外冷風的侵入特性．為此，本文在不同的開門時長和開門頻率情況下，測量供暖房間室內空氣溫度分布特征，研究探討冷風侵入對室內熱環境的影響．

1．1 實驗室布置情況

試驗中人工氣候室位于一尺寸為8．0 m×6．5 m×4．2 m(L×W×H)的實驗室內，布置情況如圖1(a)所示．人工氣候室內部尺寸為3．6 m×3．0 m×2．6 m(L×W×H)，其圍護結構為內置7 cm厚巖棉板的鋼板，圍護結構的傳熱系數為0．9 W/(m2K)．人工氣候室有一密閉性良好的門，門中上部有一扇尺寸為0．35 m×0．40 m的雙層玻璃窗．門上方設有余壓閥，關門期間，氣候室內維持8 Pa正壓，回風量約為送風量的90%．

人工氣候室采用上送上回方式進行熱風供暖，送風口為雙層百葉風口，位于人工氣候室墻壁的上側，尺寸為0．10 m×0．15 m，通過控制雙層百葉角度將氣流以與水平夾角為15°斜向下射出，如圖1(b)所示．混合通風的回風口設在人工氣候室頂棚處，尺寸為0．20 m×0．30 m．

1．2 測點布置與實測儀器

人工氣候室內設有4根測桿，如圖2(a)所示．每根測桿上有7個測點，每個測點均采用分辨率為0．1 ℃的Humlog -20型溫度儀測量溫度，采用SwemaAir 300型室內氣流專用儀表測量風速，測量范圍為0．05～5．00 m/s，精度為±3%．圖2(b)給出了7個測點的高度，每根測桿正上方和正下方的位置，分別設有距頂棚或地面為2 cm的熱電偶，用于測量空氣溫度，每個熱電偶用帶有孔洞的鋁箔紙包裹，以防止因輻射引起的溫度測量偏差，鋁箔紙上的孔洞可有效透過空氣，避免鏤空的鋁箔紙內空氣與外面空氣隔絕．

(a) 人工氣候室平面位置

(b) 送風口布置

(a) 測量桿的平面布置

1．3 試驗工況與實測過程

為避免人工氣候室外部環境變化對試驗結果產生影響，并保持每次開門過程中單位時間冷風侵入量基本相同，在人工氣候室門外放置一臺電扇模擬室外吹風，維持人工氣候室開門時門口處的風速為1．0 m/s．在此條件下，冷風侵入量正比于開門持續的時間(即開門時長to)．此外，考慮到冷風侵入總量相同時，每次開門間隔的時間(即開門周期tt)可能會影響到冷風對室內熱環境的干擾作用.因此，試驗中對不同開門頻率和開門時長的情況進行實測．

表1給出了各試驗工況的參數，其中，vs為送風速度，θs為送風溫度．工況1～4用于探究在冷風侵入總量相同時，冷風侵入頻率(對應于開門頻率)對供暖房間熱環境的影響作用；工況5～22用于研究冷風侵入頻率不變時，冷風侵入量對室內溫度分布的影響并探究改善室內熱環境的有效途徑．

在每次實測過程中，首先調節風機和空氣加熱設備的功率來實現所需的送風速度和溫度．隨后，以相同的周期持續開門和關門．當室內氣溫的時均值和波動范圍均不變時，視作達到穩定狀態，并保持穩定狀態在1 h以上．試驗數據均取自穩定狀態的實測值．每個工況約需要5～7 h達到穩定．

2 試驗結果與分析

2．1 冷風侵入頻率對室內溫度的影響

靠近門口放置的測桿1受冷風影響最大，故圖3給出了測桿1上不同高度測點溫度θ隨時間的變化曲線．由圖3可知，不同高度的測點溫度均隨著門的開閉產生波動，緊貼地面的測點7處的溫度波動幅度最大．由圖3還可以看到，冷風侵入總量相同時，隨著開門頻率減小，室內溫度波動頻率下降，但波動幅度增大．

圖3 不同開門周期時測桿1溫度曲線Fig．3 Temperature curves of pole 1 with different door-opening cycles

當不同開門頻率時，不同高度測點溫度的時間平均值和平均振幅如圖4所示．由圖4可知，冷風侵入總量相同的情況下，盡管室內溫度波動幅度因開門頻率不同而有很大差別，但是室內氣溫的時間平均值幾乎完全相同．

圖4 vs=2．5 m/s時室內氣溫平均值及振幅分布曲線Fig．4 Averaged air temperatures for different heights and amplitude distributions at vs=2．5 m/s

由于不同冷風侵入頻率對應的室內溫度時均值及其分布規律完全一致，本文在隨后的試驗研究中，將針對開門周期固定(冷風侵入頻率不變)為300 s時(即工況5～22)的情況進行實測分析．

2．2 冷風侵入量對室內溫度的影響

冷風侵入量增大不僅會導致熱風供暖房間氣溫下降，還可能影響到室內溫度分布特征．在3種送風狀態時，不同開門時長下的室內溫度沿高度的分布曲線如圖5所示．由圖5可知，所有送風狀態下，除了靠近送風口的測桿4，其余測桿處的溫度均表現出明顯的上高下低的分布特征．隨著冷風侵入量(開門時長)的增加，不僅室內氣溫不斷降低，室內溫度分布梯度也明顯增大．

對比圖5(a)、5(b)和5(c)可知，相同冷風侵入量(開門時長)時，送風狀態的慣性力越大(即送風速度大而送風溫度小)，供暖房間的溫度梯度越小.這是因為較大的送風慣性，增大了送風誘導比，促進了下部氣流被卷吸和上部氣流下行的效果(即混合效果)，有利于克服熱風受到的浮力作用．

(a) vs=1．5 m/s， θs=(40．2±0．7)℃

(b) vs=2．5 m/s， θs=(35．7±0．6)℃

(c) vs=3．5 m/s， θs=(34．3±0．5)℃

當開門間隔時間為300 s，在不同送風速度和送風溫度條件下，圖6給出了不同開門時長時的室內溫度時均值．由圖6可知，在送風狀態和冷風侵入頻率不變時，供暖房間室內平均溫度隨著冷風侵入量(開門時長)的增加而降低，但氣溫下降幅度逐漸減小．

圖6 不同開門時長時的室內平均溫度Fig．6 Averaged indoor temperature for different door-opening hours

圖7給出了不同開門時長和送風狀態時測桿上最高測點與最低測點的平均溫差Δθ．

圖7 不同開門時長時室內上下溫差Fig．7 Indoor temperature difference between upper and lower part zones for different door-opening hours

由圖7可知：送風狀態為vs=1．5 m/s，θs=(40．2±0．7)℃時，所有開門時長(即冷風侵入量)情況下，室內上下溫差均相同且高達8 ℃以上；當送風狀態的慣性力作用提高(即送風速度增大和送風溫度減小)后，室內上下溫差明顯減小，并且隨著開門時長減小而下降．可以認為，對于有明顯室外冷風侵入的房間，提高送風慣性力作用可以改善供暖能量利用率．

2．3 冷風侵入量對供暖能量利用率的影響

熱風供暖系統通常采用送風速度不變的定風量系統，為避免因冷風侵入量(開門時長)增加而導致室內溫度不滿足熱舒適要求，需提高送風溫度．為此，本文在保證室內平均氣溫維持在22．0 ℃左右，對不同開門時長情況下的熱風供暖房間溫度分布情況進行了實測，結果如圖8所示．

(a) vs=1．5 m/s

(b) vs=2．5 m/s

由圖8(a)可知，當定風量系統設置的送風速度vs=1．5 m/s時，在開門時長增加，即冷風侵入量增大時，盡管提高送風溫度可以保持室內平均溫度維持在22 ℃，但增加了室內溫度梯度，即降低了送風能量的利用率．當設定送風速度vs=2．5 m/s時，隨著冷風侵入量的增加，提高送風溫度不僅可以保持室內平均溫度滿足要求，室內溫度梯度也無明顯增大，尤其在高度0．75 m上方，溫度梯度幾乎不受開門時長的影響．

通常采用能量利用率η來衡量送風能量的利用程度，η表達式[12]為

(1)

式中：θp為排風溫度， ℃；θ2m為供暖房間2 m以下空間的平均溫度， ℃．

當不同開門時長時，供暖能量利用率隨設定送風速度的變化情況如圖9所示．

(a) 短開門時長

(b) 長開門時長

由圖9可知，供暖能量利用率隨著設定送風速度的增加明顯增大，表明越大的送風速度抵御冷風侵入不良影響的能力越強．另外，基礎冷風量較小(見圖9(a))時，隨著開門時長增加引起冷風侵入量增大，能量利用率逐漸下降，送風速度越大，能量利用率下降幅度越小．當基礎冷風量較大(見圖9(b))時，在不同送風速度條件下，能量利用率均不受開門時長變化的影響．

3 結 語

本文針對不同冷風侵入情況時熱風供暖房間室內熱環境進行了試驗研究，得到以下主要結論．

(1) 開門周期(即冷風侵入頻率)雖然改變了室內溫度變化的波動幅度，但對溫度時間平均值沒有影響.

(2) 供暖房間室內溫度梯度隨冷風侵入量的增加而增大．通過提高送風溫度來抵御冷風侵入量的增加，盡管可以維持室內平均溫度不變，但會加劇室內溫度梯度.

(3) 房間基礎冷風量較小時，冷風侵入量變化對室內熱環境和供暖能量利用率的不利影響很明顯，但基礎冷風量較大時，冷風侵入量變化的影響相對較弱.

(4) 在有明顯冷風侵入的供暖空間，采用較大的送風速度是有效抵御冷風侵入和提高供暖能量利用率的關鍵．

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(責任編輯：于冬燕)

Experimental Study on the Influence of Cold Air Infiltration on the Thermal Environment in a Warm Air Heating Room

FANGYuheng，YEXiao，ZHONGKe，KANGYanming

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

In a room with significant cold air incursion through the doors， the invading cold air not only causes lower temperature near the floor， but also reduces the heating energy utilization rate evidently．Experiments are carried out to investigate the effect of the amount of the invading cold air and the invading frequency on the indoor thermal environment in a warm air heating room． The results indicate that the invading frequency has weak effect on the time averaged temperature of the heating room and only affects the amplitude of the indoor air temperature fluctuation， i． e． the amplitude of the indoor air temperature fluctuation increases with the decrease of cold air invading frequency． As the amount of the incursion air increases， the indoor temperature gradient becomes larger and the heating energy utilization rate is reduced． Under the situation with significant cold air infiltration， high supply velocity is the key to reduce the negative effect of cold air incursion when the supply air volume keeps constant．

cold air incursion； heating by warm air； temperature gradient； heating energy utilization rate

1671-0444(2017)01-0109-06

2015-12-23

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)

房玉恒(1991—)，男，江蘇淮安人，碩士研究生，研究方向為建筑環境與節能. E-mail：fangyh314@163.com 鐘 珂(聯系人)，女，教授，E-mail：zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831．3

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