透明圍護結構位置分布對高大空間熱風供暖能耗的影響

陸 超, 葉 筱, 亢燕銘, 鐘 珂

(東華大學 環(huán)境科學與工程學院, 上海201620)

透明圍護結構位置分布對高大空間熱風供暖能耗的影響

陸 超, 葉 筱, 亢燕銘, 鐘 珂

(東華大學 環(huán)境科學與工程學院, 上海201620)

利用數(shù)值模擬方法探究了玻璃總面積不變時, 玻璃位置對高大空間熱風供暖效果及能耗的影響. 結果表明: 側墻上玻璃面積的增大 (即屋頂上玻璃面積的減小) 會增大室內垂直溫度梯度, 減小能量利用率; 通過增大送風速度保證人員空間溫度舒適時, 隨著側墻上玻璃面積的增大, 供暖能耗大幅上升.

高大空間; 玻璃總面積; 側墻上玻璃面積; 能量利用率; 能耗

冬季需要供暖的高大空間中, 由于浮力的作用, 熱空氣往往會上浮, 使熱量在空間上部積累, 導致下部人員空間的氣溫較低, 故熱風供暖時的能耗問題一直是暖通空調領域關注的重點[1-4]. 近年來, 城市建筑中透明圍護結構 (玻璃窗) 的面積比逐漸增大, 進一步加劇了高大空間熱風供暖時室內空間上部熱空氣積累與下部人員空間熱量需求之間的矛盾[3].

當建筑側墻上存在傳熱系數(shù)較大的透明圍護結構時, 由于內表面溫度較低, 使其附近空氣降溫下沉并在下部堆積, 從而導致高大空間室內上下溫差過大的現(xiàn)象[5-6]. 文獻[1]對機場建筑采暖季節(jié)的室內溫度分布進行了實測, 發(fā)現(xiàn)地板與天花板之間存在高達8 ℃的溫差, 熱力分層嚴重, 與無熱力分層的情況相比, 供暖負荷可增加38%左右. 文獻[2]對高大廠房的氣流組織進行了試驗研究, 得到了可供高大廠房供暖設計計算參考的一些試驗結果, 但未考慮透明圍護結構對室內熱環(huán)境的影響. 在目前建筑的透明圍護結構面積比明顯增大的情況下, 顯然需要了解玻璃位置對高大空間熱風供暖效果的影響. 文獻[3]曾對含有大面積玻璃窗的高大空間建筑進行過數(shù)值研究, 結果表明, 對于高大空間, 位于側墻上的大面積玻璃窗會增大室內上下部區(qū)域的溫差, 而位于屋頂?shù)拇竺娣e玻璃窗則能夠減小室內垂直方向溫度梯度.

為此, 本文采用數(shù)值模擬的方法, 在玻璃窗總面積不變的前提下, 首先在送風參數(shù)不變時, 對室內溫度分布進行模擬和分析, 并對不同情況下的供暖能量利用系數(shù)做出分析; 然后, 在保證人員所在空間熱舒適時, 對室內溫度分布進行研究, 并對不同情況下的供熱量進行分析, 以研究透明圍護結構在屋頂和側墻上分布比例的不同對供暖房間熱環(huán)境和能耗的影響.

1 數(shù)值模型

1.1 物理模型

圖1給出了本文擬研究空間的平面圖. 為便于獲得明確結果, 設背景建筑空間為單層, 層高為9.9 m. 相鄰兩柱間的送、回風口布置相同. 考慮到圖中空間和流場的對稱性, 本文以水平方向中間位置單元為研究對象, 以減少數(shù)值模擬所需的空間和時間成本. 圖1中涂灰部分示出了研究區(qū)域. 考慮到實際情況, 設高大空間內的氣流組織方式為上送上回形式, 送、回風口均設置在緊貼側墻的風管上, 送、回風口尺寸均為0.6 m×0.15 m, 風管截面尺寸為0.9 m×0.9 m, 風管中心高度為6 m, 送風口設置在風管垂直端面上, 其中心高度與風管一致, 回風口則設置在風管底部水平端面上, 其中心距側墻0.45 m, 送、回風口均位于兩個柱子正中央, 如圖2所示.

圖1 研究空間平面圖Fig.1 Plan view of the space for study

圖2 研究空間計算域結構與送、回風口布置Fig.2 Computational domain of the space and locations of the inlet and outlet

為獲得簡單清晰的模擬結果, 考慮擬研究高大空間的玻璃總面積占圍護結構總面積的50%, 透明圍護結構在屋頂和側墻上的分配比例不同的情況下, 模擬室內的溫度分布和能耗特征. 模擬時, 分別對側墻上玻璃面積 (Awall) 占總玻璃面積 (Atotal) 的比例β(即β=Awall/Atotal) 分別為0/3、1/3、2/3和3/3等工況進行研究. 圖2給出了所研究空間的幾何形狀、送回風口位置和典型平面, 圖中編號1～6為可能設置玻璃 (透明圍護結構, 每一塊的面積均為18 m2) 的位置, 具體分布情況如表1所示.

表1 不同工況不同圍護結構分布情況

房間冬季供暖時, 雖然室內熱源可以在一定程度上抵消一部分熱負荷, 但對室內的流場和溫度場影響甚微[7], 故在模擬時, 將忽略室內熱源的作用. 由于透明圍護結構傳熱系數(shù)遠大于實體圍護結構, 內表面溫度相對較低, 因此, 模擬時, 本文將實體圍護結構內壁溫度設為tw=17 ℃, 玻璃窗內壁溫度設為tg=9 ℃, 此外, 考慮到土壤的溫度延遲效應[2], 模擬時將地面設為絕熱條件. 送風角度設為水平向下30°, 送風速度設為us=3 m/s, 送風溫度設為ts=28 ℃. 由于送風時室內維持微正壓, 故模擬時不考慮冷風滲透的影響. 另外冬季最不利工況是陰天, 因此模擬時認為無太陽輻射.

1.2 數(shù)學模型

數(shù)值模擬時, 假設送風狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定, 室內空氣物性參數(shù)為常數(shù), 氣流流動為三維連續(xù)不可壓縮流[4]. 采用隔離法求解控制方程, 并采用SIMPLE算法控制壓力和速度的耦合. 關于方程的離散化, 采用二階迎風格式, 以便獲得較為精確的解.

考慮到室內上下區(qū)域溫差在10 ℃左右, 按照通常的方法, 采用Boussinesq近似[8]簡化對浮力項的處理. 此外, 固體壁面滿足無滲透和無滑移條件, 采用velocity-inlet和outflow條件分別處理送、回風口數(shù)值條件. 模型采用非結構化四面體網(wǎng)格進行劃分, 并由送、回風口和傳熱壁面向模型空間內部做網(wǎng)格加密.

1.3 數(shù)學模型的合理性驗證

為驗證數(shù)學模型的合理性, 在人工氣候室內, 進行了熱風供暖房間內部空氣溫度和速度的試驗測定. 試驗所采用的人工氣候室內部尺寸為3.6 m×3.0 m×2.6 m (長×寬×高), 氣候室內設置了尺寸均為0.35 m×0.25 m (長×寬) 的雙層百葉送、回風口, 送風速度為2 m/s, 而送風溫度為30 ℃, 采用與隨后將模擬的高大空間熱風供暖相同的氣流組織形式, 即上送上回的送風方式. 實測時, 在人工氣候室中適當位置設置4根豎直測桿 (每根測桿包含縱向排列的7個測點), 以記錄房間高度方向不同位置處溫度與氣流速度的平均值. 詳細實測方法見文獻[9]的描述.

驗證試驗中, 測桿上沿z方向 (高度方向) 固定點處氣溫測量采用Humlog-20型 (奧地利E+E公司) 測溫儀, 分辨率為0.1 ℃; 氣流速度測量采用HD103T.0型 (意大利Delta公司) 萬向風速儀, 量程為0.05～5.00 m/s, 測量精度為±3%, 分辨率為0.01 m/s. 試驗過程中, 待室內溫度場和流場穩(wěn)定后 (持續(xù)送風5～6 h), 方才讀取測量值, 數(shù)據(jù)自動讀取和存儲, 與氣候室的自動控制與監(jiān)測系統(tǒng)同步.

另一方面, 根據(jù)氣候室的幾何和氣流參數(shù), 對驗證工況進行了數(shù)值模擬, 通過將模擬結果和試驗數(shù)據(jù)進行比較和分析, 驗證本文所用CFD (computational fluid dynamics) 模型對高大空間數(shù)值模擬的適用性. 圖3給出了1、3號測桿實測結果與模擬結果的比較結果, 2、4號測桿的對比結果類似, 故不再給出.

由圖3可以看出, 對氣候室內的溫度和速度場的數(shù)值模擬結果與實測結果吻合較好, 僅在某些位置的模擬結果與試驗數(shù)據(jù)存在一定偏差. 這主要是由于試驗過程中門的開啟以及冷風滲透等造成的. 同時, 因氣流速度較低, 故測量會有一定誤差. 對比模擬與實測得到的溫度和速度數(shù)據(jù), 數(shù)值模型本身的誤差相對較小, 因此, 總體上可認為本文使用的數(shù)值模擬方法可用于隨后將要進行的模擬研究.

圖3 垂直溫度和速度實測值與數(shù)值模擬值的對比 (1、3號測桿)Fig.3 Comparison of the numerical results and experimental data of the vertical temperature and velocity distributions (poles 1 and 3)

2 數(shù)值結果與分析

2.1 送風參數(shù)不變時玻璃位置對室內溫度場的影響

為了探究玻璃位置對高大空間室內溫度場的影響, 當送風溫度ts=28 ℃, 送風速度us=3 m/s, 玻璃總面積相同 (占外圍護結構總面積的50%) 時, 玻璃位于不同位置時, 穿過送、回風口中心的剖面(x=3 m) 上的氣流流線與溫度分布的模擬結果如圖4所示.

(a) β=0/3 (b) β=1/3

(c) β=2/3 (d) β=3/3圖4 相同送風參數(shù)時過送、回風口中心平面上的流線與溫度模擬結果Fig.4 Numerical results of the streamlines and temperature distributions on the plane of inlet and outlet center with the same air supply parameters

由圖4可以看出, 熱風送出以后, 由于溫度高于周圍空氣溫度, 并且送風射流末端速度衰減較快, 送風氣流最終在熱浮力作用下尾部向上彎曲, 在房間上部形成氣流渦旋. 比較圖4(a) ～ 4(d)可知, 盡管玻璃總面積相等, 即圍護結構平均傳熱系數(shù)相同, 但是大部分玻璃面積位于屋頂時 (如圖4(a)和4(b)所示) 的室內氣溫分布較均勻, 而玻璃面積大部分集中在側墻上 (如圖4(c)和4(d)所示) 時, 室內上下溫差很大.隨著側墻上的玻璃面積增加, 人員工作區(qū) (2 m以下空間) 的氣溫越來越低. 造成這種現(xiàn)象的原因： 玻璃面積位于垂直表面和水平表面時, 其附近被冷卻的空氣的流動狀態(tài)不同, 進而影響到室內空氣的混合程度.

圖5給出了與圖4工況對應的沿房間進深方向典型平面上 (y=3 m) 的二次流流線與室內氣流速度的模擬結果.

(a) β=0/3 (b) β=1/3

(c) β=2/3 (d) β=3/3圖5 相同送風參數(shù)下室內典型平面上的二次流流線與速度模擬結果Fig.5 Numerical results of the second flow streamlines and velocity distributions on the typical planes with same air supply conditions

由圖5可知, 全部玻璃面積均集中在屋頂 (即作為天窗) 時, 二次流形成的渦流范圍遍及整個房間高度, 房間上部與下部的氣流速度均較高且相近. 隨著屋頂上玻璃面積的減少, 側墻上玻璃面積的增大, 二次流逐漸形成上下兩個獨立的流動形態(tài), 氣流速度分布越來越不均勻, 下部氣流速度明顯減小, 并且其流線獨立于上部渦流之外, 這種流動形態(tài)大大阻礙了上部熱空氣與下部冷空氣的有效混合, 進而導致隨著側墻上玻璃面積的增加, 圖4所示的室內熱分層現(xiàn)象加劇.

當玻璃位于不同位置時, 不同送風溫度條件下房間中心位置處溫度的垂直分布曲線如圖6所示.

(a) ts=28 ℃ (b) ts=32 ℃圖6 不同送風溫度時房間中心位置溫度垂直分布Fig.6 Vertical temperature profiles at the center of the room with different air supply temperature

從圖6中可以觀察到, 兩種送風溫度下, 各工況均在4 m左右高度出現(xiàn)溫度最大值, 該高度即送風射流開始向上彎曲的位置, 在此高度以上空間的溫度分布很均勻, 其以下空間出現(xiàn)明顯的溫度梯度.

玻璃位置不影響室內溫度分層界面高度, 但對室內上下溫差有顯著影響. 從圖6中還可以看到, 隨著側墻上的玻璃面積占比增大, 下部空間溫度梯度逐漸增大且平均溫度下降, 而上部空間整體溫度上升且溫度分布始終較均勻. 這是因為側墻上玻璃面積的增加會加劇冷空氣在下部空間的堆積, 而屋頂上玻璃面積的減少會削弱室內空氣的混合程度, 造成送風熱量難以進入下部空間, 大部分送風熱空氣聚集在上部空間進行局部混合.

比較圖6(a)和6(b)可知, 送風溫度提高后, 由于送風氣流受到的熱浮力增強, 上部溫度進一步升高, 而下部溫度梯度進一步增大, 室內熱分層現(xiàn)象加劇, 上下溫差最大可達6 ℃.

上述分析結果表明, 隨著側墻上的玻璃面積占比增大, 送風氣流到達人員空間的難度逐漸增大. 供暖能量利用率可以反映熱風能量的利用情況, 其表達式為:

(1)

式中:η為供暖能量利用率;ts為送風溫度, ℃;tp為全空間平均溫度, ℃;t2m為2 m以下空間平均溫度, ℃. 進入2 m以下空間的熱量越多, 則t2m越大, 進而η越大, 表明能量利用效果越好.

當送風溫度不同、玻璃面積占外圍護結構總面積50%時, 玻璃位置分布不同時的供暖能量利用率如圖7所示. 由圖7可以看到, 隨著側墻上玻璃面積的增大 (即同時屋頂上玻璃面積的減小), 供暖能量利用率逐步降低, 透明圍護結構集中在屋頂時的能量利用率比集中在側墻時高22%.圖7中的結果還表明, 對于本文討論的工況, 送風溫度較低 (28 ℃) 時, 熱浮力作用相對較弱, 故總體而言, 能量利用率相對較高.

圖7 不同送風溫度時房間供暖能量利用率與玻璃位置的關系Fig.7 Relationship between heating energy-using coefficient and glass position for different air supply temperature

2.2 玻璃位置分布對室內供暖能耗的影響

為了研究玻璃位置對高大空間室內供暖能耗的影響, 必須在保證人員空間溫度滿足舒適要求 (t2m=(20±0.5) ℃) 的前提下, 對不同工況供熱量進行比較. 前文研究結果表明, 通過提高送風溫度來保證人員空間達到溫度舒適要求，這并非良策, 故本節(jié)采用改變送風速度的方式, 以保證人員空間溫度達到舒適要求.

當送風溫度為28 ℃, 玻璃位于不同位置, 2 m高度以下的人員空間平均溫度為 (20±0.5) ℃時, 穿過送、回風口中心剖面 (x=3 m) 上的氣流流線與溫度分布的模擬結果如圖8所示.

從圖8中可以觀察到, 隨著側墻上玻璃面積的增大, 為保證人員空間平均溫度達到設計要求, 送風速度增大, 進而送風射流彎曲的程度較輕, 出現(xiàn)了送風射流與對稱送風射流 (圖8中為對稱面) 相撞的現(xiàn)象, 并將部分熱空氣擠壓進入下部空間. 盡管隨著送風慣性力增強, 熱射流開始上浮的位置高度逐步下降, 但是在沿側墻上玻璃冷表面下沉的冷空氣作用下, 室內上下溫差反而增大.

(a) β=0/3, us=3 m/s (b) β=1/3, us=3 m/s

(c) β=2/3, us=3.6 m/s (d) β=3/3, us=4.2 m/s圖8 過送、回風口中心平面上的流線與溫度模擬結果Fig.8 Numerical results of the streamlines and temperature distributions on the plane of inlet and outlet center

送風速度的增大必然導致能耗的增加, 而能耗主要由風機能耗和制熱能耗組成. 風機能耗的表達式為

(2)

式中:Efan為風機能耗, W;G為送風體積流量, m3/s; Δp為風機的全壓降, Pa;ηfan為風機總效率, 其中包含機械效率 (一般為85%);m為送風質量流量, kg/s;ρ為空氣密度, kg/m3.其中Δp的表達式為

(3)

式中: 系數(shù)K取決于風管特性. 因而風機能耗的表達式可化為

(4)

式中:us為送風速度, m/s;S為風口面積, m2;θ為送風角度.

制熱能耗的表達式為

Eheat=usSρc(ts-tc)cosθ

(5)

式中:Eheat為制熱能耗, W;c為空氣定壓比熱容, J/(kg· ℃);ts為送風溫度, ℃;tc為新回風混合溫度, ℃. 本文送風系統(tǒng)的新風比取15%[10], 設室外溫度為0 ℃.

以室內溫度分布最均勻的工況 (即透明圍護結構全部集中在屋頂、us=3 m/s) 為基準能耗, 計算隨著側墻上的玻璃面積占比增大而造成的送風量和供暖能耗的增長率, 其表達式為

(6)

式中:εi為送風量或供暖能耗的增長率;E為送風量或能耗, W;i=1, 2, 3, 依次表示送風量, 制熱能耗和風機能耗;j=0, 1, 2, 3, 依次表示側墻上的玻璃面積占比為0/3, 1/3, 2/3, 3/3等4個工況.

根據(jù)式(6)和模擬數(shù)據(jù)計算可得到風機能耗和制熱能耗隨著側窗面積增大的增加率, 結果如圖9所示.

圖9 不同工況送風量以及供暖能耗的比較Fig.9 Comparison of supply air volume and heating energy consumpution for different conditions

由圖9可知, 隨著側墻上的玻璃面積占比由0/3 提高到3/3 (同時屋頂上的玻璃面積減小) 時, 盡管送風量增大了40%, 但由于回風溫度增加, 使得制熱能耗的增加率小于送風量增加率, 約為25%， 但風機能耗增加率非常大, 高達174%.

3 結 語

高大空間冬季室內采用分層熱風供暖時, 將固定面積的玻璃以不同的比例分配到屋頂和側墻上, 會對室內熱環(huán)境和能耗產生影響. 本文采用數(shù)值模擬的方法, 對含有大面積透明圍護結構的典型高大空間室內溫度場和供熱量進行研究, 討論了送風參數(shù)不變時透明圍護結構在側墻和屋頂?shù)姆峙浔壤龑κ覂葴囟葓龊湍芎牡挠绊? 得到下述主要結論:

(1) 送風參數(shù)和透明圍護結構總面積一定時, 隨著玻璃面積逐漸由屋頂向側墻遷移, 沿側墻上玻璃冷表面下沉的冷空氣使得人員空間溫度顯著下降, 供暖能量利用系數(shù)也隨之下降， 此時提高送風溫度對提升人員空間溫度的作用很有限.

(2) 通過改變送風速度來保證人員空間溫度滿足設計要求時, 所需的送風速度隨著側墻上的玻璃面積占比增加而增大, 最終使得制熱能耗小幅增加, 而風機能耗大幅增加. 在本文計算條件下, 全部玻璃布置在側墻時相比布置在天窗時, 制熱能耗增加率為25%, 風機能耗增加率將可達174%.

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(責任編輯：劉園園)

Effects of the Location and Distribution of Transparent Envelope on Energy Consumption of Room Heating in Large-Height Spaces

LUChao,YEXiao,KANGYanming,ZHONGKe

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

Numerical simulations are employed to explore the influences of the position of glass on room heating and energy consumption in a large-height space with a constant total glass area. The results show that when the area of the glass set on the side wall is increased (i.e., the area of glass set on the roof is decreased), the vertical temperature gradient will increase as well and the energy-using coefficient will drop; when the thermal comfort in the occupied zone is ensured by increasing the air supply velocity, the heating energy consumption increases substantially with increasing the area of glass on the side wall.

large-height space; total area of glass; area of glass set on the side wall; energy-using coefficient; energy consumption

1671-0444 (2017)02-0260-06

2016-04-05

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

陸 超(1992—)，男，浙江紹興人，碩士研究生，研究方向為綠色能源利用技術與建筑節(jié)能.E-mail: 2141213@mail.dhu.edu.cn 鐘 珂(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831.3

A