碰撞射流與混合通風系統對高大空間供暖效果的影響

陳 杰, 亢燕銘, 葉 筱, 鐘 珂

(東華大學 環境科學與工程學院, 上海201620)

碰撞射流與混合通風系統對高大空間供暖效果的影響

陳 杰, 亢燕銘, 葉 筱, 鐘 珂

(東華大學 環境科學與工程學院, 上海201620)

通過數值模擬的方法對比研究了碰撞射流通風(IJV)與不同送風口位置的混合通風(MV)的供暖特性. 結果表明: IJV房間的溫度分布均勻, 其熱風在室內的混合程度與供暖能量利用率明顯大于MV, 且MV的送風口位置越高, IJV的節能優勢越明顯; IJV的人員吹風感風險大于MV, 但仍在可接受的范圍內.雖然MV送風口位置越高, 吹風感就越小, 但這是以高能耗為代價的.因此在對人體吹風感無特殊限制, 且MV送風口位置不宜過低的高大空間中, 使用IJV可以同時實現節能與舒適度的要求.

碰撞射流通風; 混合通風; 能量利用系數; 送風口位置; 吹風感

高大空間建筑采用熱風供暖時, 合理的氣流組織可以將更多的送風能量調配到高大空間下部的人員工作區, 從而提高送風的能量利用率[1].采用傳統混合通風供暖方式時, 送風口位置是影響氣流組織分布的主要因素之一.文獻[2]利用數值模擬的方法分析了不同送、回風口位置的高大空間內部溫度場、速度場以及能量利用情況, 結果表明，降低送風口位置和采用下回風方式，可以使供暖能量在空調區的利用率得到顯著提高.但是部分建筑由于其本身的功能性需求, 送風口位置必須在一定高度之上, 這將使得熱空氣集聚在室內上部, 難以到達人員區域, 從而導致送風能量利用率下降.為減小由此造成的供暖能量損失, 文獻[3]利用數值模擬并通過試驗驗證的方法, 將正常熱風供暖與熱風循環供暖工況下的供熱效率進行對比, 研究表明，熱風循環供暖可以有效節省供熱能量, 且供暖空間高度越高, 熱風循環供暖越有效, 但熱風循環供暖設施會增加額外成本和能耗.

碰撞射流通風是一種新型通風方式, 其將新鮮空氣從室內下部直接送入工作區, 結合了混合通風和置換通風的優點, 有較好的應用前景[4-5].冬季供暖時, 通過距離地面一定高度(1.2 m以下)的送風口, 將具有較高動量的空氣向下噴射到地面, 氣流碰到地面后動量急劇衰減并沿地面向四周擴散, 但仍具有足夠的動量到達較遠的地方.由于送風動量較高, 熱風與室內空氣能夠充分混合, 從而解決了混合通風供暖時熱空氣難以到達人員活動區域的問題[6].然而碰撞射流通風的送風參數與送風高度的不當設置，可能會給近地面區域帶來一定吹風感[7].文獻[8]在人工氣候室對碰撞射流通風供暖時的溫度與氣流速度分布進行了實測, 分析了送風口高度與腿部吹風感的關系.

本文利用數值模擬計算方法對碰撞射流與不同送風口位置的混合通風進行對比研究, 當高大空間內部人員工作區達到舒適性要求的溫度為20 ℃時, 探討兩種供暖方式下的室內熱環境以及能量利用率等特征.

1 數值模型

1.1 計算模型的確定

以一個層高為15 m的高大空間建筑為物理模型, 該建筑南北墻為玻璃幕墻, 其平面圖如圖1(a)所示. 每個柱距單元的空調風口布置均相同, 為了便于計算, 考慮到房間的對稱性, 選取一個柱距單元的一半作為研究對象, 幾何尺寸為長(x)×寬(y)×高(z)=9 m×6 m×15 m, 圖1(b)和1(c)分別為混合通風(MV)與碰撞射流通風(IJV)系統的幾何模型,h為送風口高度.

(a) 高大空間平面圖

(b) MV h=9 m

(c) IJV h=0.6 m圖1 高大空間的物理模型Fig.1 Physical model of the large height space

混合通風供暖系統采用上送下回的氣流組織形式, 送風口(1個)設置在側窗的窗肚墻上, 高度分別為3, 6, 9, 12和14.5 m, 尺寸為0.3 m×0.6 m.回風口(1個)設置在同側墻面上, 距地0.5 m, 尺寸為0.3 m×0.6 m; 碰撞射流通風供暖系統送風口(4個)設置在模擬房間的4個柱子旁邊, 幾何尺寸為0.3 m×0.3 m, 距地0.6 m, 回風口(1個)設置在高大空間上方的屋面中心處, 尺寸為0.3 m×0.6 m.

冬季熱風供暖時, 電腦、燈具等內熱源對供暖有利, 且對室內溫度與氣流的局部分布影響很小[9], 故本文將忽略內熱源影響.模擬研究的物理模型只有一面為玻璃幕墻, 玻璃傳熱系數K=4 W/(m2· ℃), 其余3面均為對稱面, 故在模擬中只有一面需考慮外圍環境的影響, 室外溫度為-5 ℃.室內通常維持正壓, 冷風滲透帶來的熱損失也不予考慮, 因此高大空間的負荷來源主要為玻璃幕墻.地板與屋頂均設有保溫層, 通過二者的熱損失相對于通過玻璃幕墻的熱損失而言幾乎可以忽略不計, 故在模擬中設置為絕熱面.混合通風供暖系統送風溫度為32 ℃, 送風傾角為水平向下30°, 對于不同的送風口位置, 通過改變送風風速使人員空間達到舒適性要求的20 ℃; 碰撞射流通風供暖系統送風氣流垂直向下, 送風溫度為31 ℃, 送風風速取2 m/s.

1.2 數學模型

本文研究的流體為三維連續不可壓縮流體, 模擬計算中認為流體屬性不變[10].采用四面體網格對物理模型進行網格劃分, 并對送、回風口以及玻璃幕墻附近的網格進行加密處理.采用Fluent軟件進行數值模擬時, 選用二階迎風格式對離散方程進行離散化, 湍流模型選用RNGκ-ε兩方程湍流模型, 離散方程的求解采用SIMPLE算法[11].考慮到供暖時熱空氣浮升力的影響, 空氣密度采用Boussinesq假設[12].高大空間所有壁面均設置為無滲透和無滑移條件, 送、回風口分別定義為velocity-inlet和outflow.

1.3 數學模型的合理性驗證

為保證本文數值模擬方法的可靠性, 需對所用的數學模型進行合理性驗證.在東華大學環境學院人工氣候室進行熱風采暖試驗, 對室內的溫度場和速度場進行實測.詳細試驗內容見文獻[13].

運用數值計算的方法對上述試驗工況進行模擬, 數值模擬結果與部分實測數據的對比如圖2所示.由圖2可知, 數值模擬計算結果與實測結果之間吻合較好, 因此, 本文運用的數學模型是可靠的.

圖2 實測結果與數值模擬結果對比Fig.2 Results comparison between experiments and numerical simulations

2 模擬結果與分析

2.1 混合通風與碰撞射流通風供暖方式對室內熱環境的影響

y=3 m平面(y軸表示沿開間側窗方向上的坐標, 見圖1(b))為通過混合通風系統送風口以及計算空間中心軸的剖面.圖3給出了碰撞射流通風和混合通風兩種供暖方式下該截面的溫度與流線分布圖.其中混合通風和碰撞射流通風的送風溫度分別為32和31 ℃, 通過改變送風風速(v)使2 m以下人員工作區達到20 ℃, 具體送風風速見圖3中標注.

(a) MV， h=3 m, v=3 m/s (b) MV， h=9 m, v=4 m/s

(c) MV， h=12 m, v=4.3 m/s (d) IJV, v=2 m/s圖3 典型剖面的溫度和流線模擬結果Fig.3 Numerical results of the temperature and air flow on typical planes

由圖3可以看到, 對于混合通風, 熱風以30°的傾角向下射出, 隨著送風動量的衰減以及在熱浮升力的作用下, 熱氣流開始向上彎曲運動, 到達屋面后向四周擴散, 聚集在上部空間的熱空氣形成封閉的流線.同時, 被側窗冷表面冷卻的空氣下沉至地面, 最終在熱力分層界面上下分別形成了兩個相對獨立的流動區域.下回風的空氣來源被迫限制在下部冷空氣流動區域, 將上部熱空氣拖曳至下部空間的能力被大幅度削減.

盡管文獻[2]的研究表明, 熱風供暖房間采用下回風相較于上回風可以得到較小的溫度分層, 但圖3(a)～3(c)表明, 在有大面積側窗的高大建筑中, 被側窗冷表面冷卻并下沉的冷空氣大幅度減小了下回風對熱空氣的拖曳作用.對比圖3(a)～3(c)可以看到, 送風口位置越高, 下回風將熱風引導至房間下部空間的作用就越微弱, 供暖房間的溫度分層現象越明顯, 為實現人員空間的舒適溫度要求, 所需要的送風風速也越大, 供暖能耗則越高.

由圖3(d)可知, 對于碰撞射流通風, 盡管沿側窗下沉的冷空氣使得地面附近氣溫較低, 但由于熱風直接送至人員工作區, 在熱浮升力的作用下, 熱空氣由下而上運動, 流線在整個高大空間呈充分混合的狀態, 使得高大空間上下溫度分布均勻, 供暖能量得到較為高效的利用.

圖4給出了兩種供暖方式下室內不同高度平面的平均溫度分布.

圖4 IJV與MV室內不同高度平面的平均溫度分布Fig.4 Distribution of average temperature at different height of the IJV and MV room

由圖4可以看到, 對于碰撞射流通風, 高大空間內溫度分布均勻, 而對于混合通風, 室內溫度則表現出明顯上高下低的分布特征. 混合通風室內熱力分層界面以上區域空氣溫度分布較均勻, 這是由于該局部區域氣流混合較為充分; 而在熱力分層界面以下區域, 由于沿側窗下沉的冷空氣滯留在房間下部, 該區域氣流混合程度較低, 故溫度梯度非常大.

由圖4還可以看到, 隨著混合通風送風口位置的上升, 熱力分層界面的位置越來越高, 室內上下部空間的溫度差越來越大.為保證人員空間的舒適性溫度要求, 不僅送風風速增大, 房間上部的溫度也增高, 這使得房間熱損失進一步增加.當送風口高度從3 m升高到14.5 m時, 混合通風房間上部平均溫度增加了7 ℃, 并且比房間底部溫度高2～8 ℃, 而碰撞射流通風供暖時, 室內上下溫差不足0.5 ℃.

2.2 混合通風與碰撞射流通風供暖方式對能量利用率的影響

當高大空間2 m以下人員工作區達到相同的溫度20 ℃左右時, 全空間與回風口的平均溫度即成為評價送風能量是否得到有效利用的主要因素.圖5給出了全空間、回風口以及2 m以下人員工作區的平均溫度分布.

圖5 全空間與回風口以及2 m以下空間的平均溫度的比較Fig.5 Comparisons of average temperature of the whole room, air inlet and the zone below 2 m

由圖5可以看到： 對于混合通風, 送風口位置越高, 全空間與回風口平均溫度越高, 表明當送風口位置升高時, 越來越多的送風熱量加熱了非人員區, 且排出室外的熱量也越來越多; 對于碰撞射流通風, 由于整體大空間溫度分布較為均勻, 全空間與回風口以及2 m 以下空間平均溫度基本相等, 表明熱風在高大空間內部得到充分混合, 送風能量得到了較為高效的利用.

為了進一步評價送風能量在供暖高大空間內的利用情況, 引入供暖能量利用系數η作為衡量指標, 其表達式為

(1)

其中:ts為送風口平均溫度, ℃;tp為全空間平均溫度, ℃;t2m為2 m以下空間平均溫度, ℃.tp與t2m越接近, 表明送風能量在室內混合越充分, 能量利用系數η則越大.

圖6給出了各工況下的能量利用系數數值.由圖6可知： 混合通風的能量利用系數隨著送風口位置的升高而下降, 當送風位置高度由3 m增高到14.5 m時, 能量利用系數下降了約35%； 碰撞射流通風的能量利用系數接近1.0, 大于所有送風口位置時的混合通風, 因此當高大空間使用條件對混合通風的送風口位置高度要求越高時, 碰撞射流通風的節能優勢就越明顯.

圖6 IJV與MV的能量利用系數Fig.6 Comparison of the heating energy using coefficients of IJV and MV

2.3 混合通風與碰撞射流通風供暖房間的熱舒適性比較

碰撞射流通風與送風口位置較低的混合通風均可將送風熱量直接送達2 m以下的人員工作區, 在能量利用方面優勢明顯, 但由于熱風直接送達人員工作區, 人體附近氣流速度較高, 可能會給人體舒適性帶來不利影響.流經人體的空氣速度是影響人體舒適感的重要因素之一, 圖7給出了各個工況下高大空間中心位置的空氣流速沿高度方向的分布情況.

圖7 高大空間中心位置沿高度方向的空氣流速分布Fig.7 Vertical profiles of air velocity in the center of the room

由圖7可知, 對于碰撞射流通風, 由于送風氣流直接射至地面, 造成近地面的氣流速度較大, 部分采樣點空氣流速接近0.5 m/s, 具有給人體帶來吹風感的風險，而在距離地面1 m以上的空間, 空氣流速逐漸減小至0.25 m/s以內. 對于混合通風, 當h=3 m時, 由于熱風同樣直接吹至2 m以下空間, 導致2 m高度以下人員空間的氣流速度較大, 最大可達1 m/s, 給人體帶來吹風感的風險較大；當h增大到6 m及以上時, 要使人員空間達到舒適性要求的20 ℃, 需相應地增大送風風速, 然而此時由于熱風不能直接送達2 m以下空間, 人員空間的空氣流速并沒有增大, 均不超過0.4 m/s.

人員吹風感不僅與氣流速度有關, 與氣流溫度也密切相關.為了進一步評價不同熱風供暖方式對人體熱舒適的具體影響, 引入Fanger模型(PD model), 它是目前應用最為廣泛的一種吹風感預測模型, 這個模型綜合考慮了空氣溫度、空氣平均風速以及湍流強度, 具體定義如式(2)所示.

PD=(tcl-ta)(u-0.05)0.62(3.14+0.37vTu)

(2)

式中:PD為吹風感引起的不滿意率,%;tcl為冬季室內人體服裝表面溫度, ℃, 本文取tcl=26 ℃;ta為測點溫度, ℃;u為平均風速, m/s, 當u<0.05 m/s時, 令u=0.05 m/s;Tu為湍流強度,%.由文獻[14]可知，人體舒適性要求可接受的最大PD值為20%.

當人員工作區達到相同的溫度20 ℃時, 高大空間不同高度平面的PD平均值和近地面z=0.1m(z軸表示高大空間高度方向上的坐標, 見圖1(b))的PD最大值分別如圖8和9所示.

圖8 IJV與MV供暖室內不同高度平面的平均PD值分布Fig.8 Distribution of average PD at different height of the IJV and MV room

圖9 IJV與MV供暖室內z=0.1 m平面的最大PD值分布Fig.9 Distribution of maximum PD at z=0.1 m of the IJV and MV room

由圖8可知, 對于混合通風, 送風口位置越高,PD平均值就越小, 碰撞射流通風的PD平均值大于所有送風口位置的混合通風情況.另外, 各個工況的PD平均值分布相似, 即近地面的PD平均值較大, 當空間高度上升至2 m以上,PD平均值逐漸趨于穩定.

同時, 圖9表明, 在PD平均值最高的近地面, 各工況的PD最大值均在18%以內. 由此表明, 就人體舒適性而言, 盡管碰撞射流通風的吹風感大于所有送風口位置時的混合通風情況, 但均在ASHRAE55—2010標準允許的范圍內.

此外, 根據圖4～6可知, 盡管送風口位置較高(h=6, 9, 12或14.5 m)的混合通風, 其吹風感明顯小于碰撞射流通風和送風口高度為3 m時的混合通風, 但這是以高能耗為代價. 因此在對人體吹風感無特殊限制, 同時送風口高度不宜過低的高大空間中, 碰撞射流通風可以同時兼顧節能與舒適度的要求.

3 結 語

本文利用數值模擬的方法, 分析對比了碰撞射流通風和混合通風用于高大空間供暖時的內部熱環境和能量利用率等特征, 主要結論如下所述.

(1) 碰撞射流通風供暖時, 高大空間內部溫度分布均勻, 送風氣流在室內得到充分混合; 混合通風供暖時, 高大空間則表現出明顯上高下低的熱力分層現象.

(2) 混合通風供暖時, 盡管送風口位置較高時, 送風風速加大, 但供暖能量利用系數仍隨著送風口位置的升高而大幅下降; 碰撞射流通風的能量利用系數大于所有不同送風口位置時的混合通風, 高大空間使用條件對混合通風送風口位置高度要求越高, 碰撞射流通風的能量利用優勢就越明顯.

(3) 碰撞射流通風的吹風感大于所有送風口位置時的混合通風情況, 但依然在ASHRAE55—2010標準舒適性允許的值域范圍內， 在送風口高度不宜過低的高大空間中, 碰撞射流通風可以同時兼

顧節能與舒適度的要求.

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(責任編輯：劉園園)

Effects of the Impinging Jet Ventilation and Mixing Ventilation on Warm-Air Heating System in the Large-Height Space

CHENJie,KANGYanming,YEXiao,ZHONGKe

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

Numerical simulations have been carried out for comparing and studying the heating characteristic between impinging jet ventilation (IJV) and mixing ventilation (MV) with different height of inlet. The results show that the temperature distribution of IJV room is uniform, the mixing extent of indoor warm-air and energy-using efficiency is significantly higher than that in a MV room, and the higher height of MV inlet, the more obvious energy saving advantages of IJV. The draught risk of IJV is higher than MV, but is still in an acceptable range. The higher height of MV inlet, the smaller draught risk, but this is at the expense of high energy consumption. Therefore, IJV can achieve energy saving and comfort requirements at the same time in a large-height space when we have no special restrictions on draught risk and the height of MV inlet is inappropriate to be too low.

impinging jet ventilation; mixing ventilation; energy-using coefficient; locations of air supply inlet; draught

1671-0444 (2017)02-0254-06

2016-01-26

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)

陳 杰(1990—)，男，安徽銅陵人，碩士研究生，研究方向為建筑環境與節能.E-mail: 15202155271@163.com 亢燕銘(聯系人)，男，教授，E-mail: ymkang@dhu.edu.cn

TU 831.3

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