豎壁貼附通風供熱模式水平貼附射程及熱環境特性CFD模擬

西安建筑科技大學 韓 騰珠海格力電器股份有限公司 熊建國 鄧 晶西安建筑科技大學 鄧紅娜 李安桂

0 引言

目前我國家用舒適性空調冬季供熱常采用混合送風方式，但熱氣流自房間上部送入室內，熱風往往由于熱浮力的作用易聚集在房間上部，房間內出現明顯的下低上高的溫度分布特征，導致室內空氣平均溫度過高產生較大能耗，通風效率低，同時衛生條件較差[1]。置換通風在豎直方向上利用熱力分層使室內通風效率提高，空氣品質得到改善，但其送風速度一般低于0.5 m/s，承擔室內負荷有限，送風直吹人體易造成吹風感，布置下送風管占用工作區有效空間，不適用于冬季供熱工況[2]。

豎壁貼附射流送風模式提出十幾年了，經過多年的理論研究、設計與工程實踐[3-6]，證實該送風模式既能克服置換通風不易布置和承擔室內負荷能力低的缺點，又克服了混合通風能量利用效率低、衛生條件差的不足[7]。

但迄今為止，已有的關于豎壁貼附通風的大多數研究都是在供冷或等溫送風工況下進行的。冬季送熱風時，由于熱浮力的作用，豎壁貼附通風供熱時的送風氣流在沿地板擴散一定距離后容易脫離地面上浮，這與供冷時送風冷氣流的流動形態完全不同。現階段，供熱模式下運行時關于豎壁貼附通風性能的研究很少，而且缺乏必要的理論和性能優化研究。為此本文在采用實驗驗證數值計算方法的基礎上，將豎壁貼附送風技術應用于某風管機，探索豎壁貼附供熱模式下水平貼附射程達到設計要求的條件，并在此基礎上，對豎壁貼附通風用于供熱時的室內熱環境特性進行了研究。

1 數值計算模型的建立及參數設定

1.1 房間模型的建立

以某人工熱舒適實驗室為原型，按1∶1建模，將得到的簡化的空調房間作為研究對象，模型見圖1，房間內部幾何尺寸為6.19 m(x)×3.44 m(y)×2.8 m(z)。由于采用的空調機型為低靜壓風管機，工程安裝時，送回風管不宜過長，以免靜壓不足，導致風量偏小，所以送回風口同側布置，風管機吊頂安裝。豎壁貼附射流送風口緊貼墻布置，尺寸為0.05 m×0.64 m，風管機的另一側為排風口，尺寸為0.2 m×0.7 m，在模型房間內沿高度方向，均勻布置了5條豎直線用于數據的監測分析，起點位置分別為：監測線a(3.1 m，1.7 m)、線b(1 m，2.4 m)、線c(1 m，1 m)、線d(5 m，1 m)、線e(5 m，2.4 m)，在每條線上從距地面0.1 m高處開始每間隔0.1 m布置1個測點，用以比較分析。

圖1 房間模型圖

1.2 計算模型的離散與求解

計算區域離散化包括空間域上連續計算區域的網格劃分和對瞬態問題的時間域離散，網格的劃分采用Gambit 2.3.16軟件，對研究模型區域采用結構化網格劃分。物理模型網格劃分如圖2所示，經網格獨立性驗證后，網格數目確定為948 150個。由于在送風口、回風口、壁面貼附區、偏轉區、空氣湖區存在比較大的速度和溫度梯度，為了使計算結果準確，對這些位置的網格都進行了局部加密。送風口、回風口、豎向壁面貼附區、射流沖擊偏轉區、橫向壁面貼附區網格步長分別為0.01、0.01、0.02、0.02、0.04 m。

本文計算采用的K-εSST模型是一個自適應湍流模型，對于高雷諾數和低雷諾數都是適用的。它采用增強壁面函數，是一種雙層模型，對于低雷諾數，壁面黏性子層和過渡層采用NS方程離散求解，與核心區域求解方式一樣，這時要求網格很細，量綱一化的壁面距離Y+一般小于5；對于高雷諾數，則采用壁面函數來求解黏性子層與過渡層中的流動物理量分布，要求粗網格，自動啟用壁面函數模型。增強的壁面函數對于Y+>30的有很好的作用，對于Y+=5～30的也能求解，在Y+<30時，可以不用壁面函數。一般Y+=30～100，Y+過小，壁面函數作用不大，Y+過大，壁面處精度不夠，30～100是壁面函數的敏感區。本文中Re>104，近壁區對整體流動影響并不大，Y+取50。

圖2 數值計算物理模型網格劃分

本文研究采用三維連續不可壓縮流體，認為流體的屬性不變。數值計算采用有限體積法(FMV)對物理模型進行離散，采用Fluent17.0軟件對雷諾平均納維斯托克斯(RANS)方程進行數值求解。求解器選用基于壓力的隱式格式，對流項離散格式采用二階迎風格式，壓力速度耦合方式采用SIMPLE算法，密度隨溫度變化采用Boussinesq假設。計算采用非穩態求解，每次迭代時間步長為3 s，每個步長迭代20次，迭代步數600步，即認為房間30 min溫度達到穩定狀態。收斂判定標準為計算模型進出口流量不平衡率小于0.2%，壓力p、動量ui、湍動能K、湍動能耗散率ε項殘差均小于10-4，能量E項殘差小于10-6。

1.3 邊界條件的設置

本文研究所采用的送風參數是基于特定風管機實際風量運行條件、結合豎壁下送風口面積計算得到的，冬季有低風(3.00 m/s)、中風(3.56 m/s)、高風(4.14 m/s)、超高風(5.24 m/s)4擋送風工況，送風口面積為0.032 m2，冬季制熱送風溫度介于36～45 ℃之間，冬季室內設計溫度為20 ℃；模擬中用不同熱流密度反映室外不同的氣象參數條件，熱流密度設置與人工熱舒適實驗室保持一致，設置在房間外圍護結構的6個內表面上。計算采取非穩態算法是為了研究室內熱環境由非穩態到穩態的變化過程，當房間平均溫度不再變化達到穩態時，可認為計算完成。入口邊界條件：速度入口；出口邊界條件：自由出流；壁面邊界條件：屋頂、地面、墻壁采用靜止壁面，無滑移邊界條件；初始條件：時間τ=0，流體溫度tf等于房間設計溫度tn。其他邊界條件設置見表1。

表1 數值模擬邊界條件

1.4 湍流模型的實驗驗證

剪應力輸運K-ε湍流模型能夠有效預測豎壁貼附射流通風模式的流場分布[8]。此外，Edge等人對比了多種湍流模型，發現標準K-ε模型能更準確地預測逆壓梯度下的邊界層分離流動，更適用于動態模擬[9]。因此，本文選擇標準K-ε模型用于模擬計算。為了驗證標準K-ε湍流模型數值計算用于冬季供熱的可行性和有效性，在某熱舒適實驗室進行了熱風供暖實驗，實測了本文設置參數下超高風速擋送風時，豎向壁面貼附區距壁0.01 m處送風主體與壁面分離轉為水平后，地面貼附區距地面0.01 m高處的速度分布，結果如圖3所示。圖中u0為送風速度，u(z*)為距送風口豎直距離為z*處的軸線速度，u(x)為距貼附沖擊角落水平距離為x處的軸線速度。

由圖3可知，數值模擬計算結果與實測結果吻合較好，豎向量綱一速度兩者最大偏差為12.4%，水平量綱一速度兩者最大偏差為10.6%。因此，可以認為本文所采用的數值模擬計算方法是可靠的，可以用于后續模擬計算。

2 熱風水平貼附射程影響因素分析

2.1 送風速度對水平貼附射程的影響

選取送風溫度36 ℃，送風速度分別為3.00、3.56、4.14、5.24 m/s 4種工況來研究送風速度對豎壁貼附供暖模式下水平貼附射程的影響。圖4、5分別顯示了不同送風速度下房間中軸面(y=1.72 m)處的速度和溫度場。

在不同送風速度下，送風熱氣流主體在豎壁的“扶持效應”下均能沿豎壁向下貼附流動，與地面撞擊后方向改變，沿地面向前擴散流動，但在水平方向貼附一定距離后，慣性力減弱，受熱氣流浮力效應作用將脫離地面上浮，熱氣流開始脫離地面上浮的位置與送風口中心之間的距離即為熱風的水平貼附射程。若送風參數不合理，必然存在有限的熱風送風距離，房間易在水平方向出現供暖冷熱不均現象。

圖3 量綱一速度模擬計算值與實驗值的對比

由圖4、5可知：當送風速度大于3.56 m/s時，在工作區能夠形成類似于置換通風的空氣湖狀速度分布；同時隨著送風速度的增大，空氣湖內對應位置的風速、速度梯度也會增大，送風速度的增大會影響空氣湖內對應位置處的溫度數值，但所呈現出來的溫度梯度的分布規律基本不變。

送風速度為3.00 m/s時，熱風沿水平方向貼附至2 m處；速度增大至3.56 m/s時，熱風水平方向貼附距離為3.5 m；送風速度為4.14 m/s時，熱風可貼附至4.2 m處；速度在這一范圍內增大時，水平方向貼附距離增加十分明顯；送風速度為5.24 m/s時，熱風沿水平方向貼附至4.5 m處，增幅變小，但此時送風主體與室內空氣混合更加充分，房間速度、溫度參數更加均勻，說明慣性力是影響豎壁貼附射流熱風供暖室內熱環境的重要因素。

2.2 送風溫度對水平貼附射程的影響

分別選取送風速度為3.00、3.56 m/s，送風溫度為36、40、45 ℃ 6種工況來研究送風溫度對豎壁貼附供暖模式下水平貼附射程的影響。圖6、7分別為不同送風速度、送風溫度下房間中軸面處(y=1.72 m)的溫度場分布云圖。

圖6 送風速度為3.00 m/s時不同送風溫度下房間高度方向溫度場分布云圖

送風速度為3.56 m/s時，送風溫度36 ℃，水平貼附射程可達到3.8 m；隨著送風溫度升高至40、45 ℃，熱風浮升力增大，水平貼附射程有所縮短，分別為3.5 m和3.0 m。可見，在冬季供熱送風溫度范圍內，相比于送風速度，送風溫度的變化雖能引起空氣湖水平貼附射程的改變，但房間整體溫度場對送風溫度的變化并不是很敏感。說明在一般舒適性空調送風參數范圍內，豎壁貼附通風模式為慣性力主導下的送風，熱浮升力影響次之。

2.3 熱風水平貼附射程理論分析

冬季供熱工況屬于非等溫射流，送風溫度高于環境溫度，由于此時浮升力豎直向上，而送風射流是向下流動，浮升力對射流的流動起阻礙作用，在浮升力與慣性力不平衡的條件下，射流軌跡及射程強烈受兩者的共同作用。非等溫射流的判據為阿基米德數Ar，其綜合反映了浮升力與慣性力兩方面的作用。Ar將送風速度與溫度結合在一起，在空調中，除了房間幾何形狀外，這是2個影響貼附效果的重要參數。鑒于本文涉及的非等溫豎壁貼附射流送風模式的射流具有扁平射流和沖擊射流的特點，表征空氣流動慣性力與熱浮升力相對大小的量綱一參數為

(1)

式中β為體積膨脹系數(β=1/Tf)，K-1；g為自由落體加速度，m/s2；b為條縫型風口的寬度，取0.05 m；T0為送風溫度，K；Tf為房間平均溫度，K。

對送風溫度分別為36、40、45 ℃，送風速度分別為3.00、3.56、4.14、5.24 m/s的12種模擬工況數據進行整合，得到不同工況下水平貼附射程隨Ar的變化規律，如圖8所示。由于模擬工況下室內是完全靜止的，但實際中存在人員活動帶來的擾動、自然對流換熱擴散效果等因素，會使得室內溫度分布更加均勻。水平貼附射程大于房間長度方向的80%，即Ar<0.001 5則認為水平貼附射程達到送風要求。

圖8 12種模擬工況下水平貼附射程隨Ar的變化

Yu等人對非等溫條縫型頂棚貼附射流進行了研究，發現當Ar<0.004時，空氣的流動同等溫射流情況一致，主要是慣性力主導射流的流型發展；當Ar>0.018時，射流貼附射程明顯開始發生變化，射流主要受浮升力的作用[10]。

3 熱環境特性研究

選取送風溫度為45 ℃，送風速度分別為3.00、4.14、5.24 m/s 3種典型工況，分析室內熱環境特性。在模型房間內沿高度方向設立了a、b、c、d、e 5條豎直線用于數據的監測分析。由于監測點上速度具有一定的脈動，為了清楚反映房間不同位置測點速度大致的變化規律，沿房間長度方向各取一條監測線(a、c、e)，用以分析豎直方向速度變化規律和吹風感的影響。

3.1 速度場分析

圖9顯示了3種不同送風速度下監測線上的速度梯度。由圖9可以看出：送風速度為3.00 m/s時，3條監測線上的測點速度均小于0.25 m/s，因為此時熱浮升力大于射流慣性力，射流沖入深度小于房間高度，熱射流未到達地面就反向開始浮升，送風氣流并沒有依靠慣性力沿著房間長度方向延伸，而是依靠自然對流實現均勻混合；送風速度為4.14、5.24 m/s時，由于熱射流可實現有效的水平貼附，3條監測線速度變化規律大致相似；距地面0.5 m高度以下速度梯度較大，1 m以上速度值趨于穩定，這主要是因為0.5 m以下處于空氣湖區和室內氣流的交界處，0.5 m以上進入氣流相對穩定的工作區，2.2 m以上由于回風口的誘導效應，測點速度又有所增大。

圖9 豎向速度梯度

由圖9還可以看出，送風速度為4.14、5.24 m/s的2種工況，0.5～0.7 m高度以下工作區局部送風速度大于0.3 m/s，可能造成人員腳踝處的吹風感。但實際辦公、住宅房間存在不同屬性的障礙物，包括人員的流動，都會使送風主體速度方向和大小得到改變，同時建筑設計時，人員位置會遠離房間中軸面上距離送風口較近處，也能有效減小吹風感的影響。

3.2 溫度場分析

圖10顯示了3種不同送風速度下監測線上的溫度梯度。由圖10可以看出：送風速度為3.00 m/s時，熱風不能在水平方向實現有效的貼附，整個房間溫度依靠自然對流實現均勻混合；5條監測線上的溫度均呈現遞增規律，熱分層現象在整個房間都很明顯，0.5 m高度以下溫度偏低，容易造成冷感，豎壁貼附供熱送風模式在此工況下不能有效利用。

圖10 豎向溫度梯度

送風速度為4.14、5.24 m/s時，熱射流水平貼附射流均可送至4 m處，5條監測線規律類似。由圖10可以看出：監測線a、b、c處于空氣湖區內，溫度梯度主要發生在0.4 m高度以下，在近地面處溫度可達28 ℃；隨著空氣在高度方向脫離水平貼附主體，溫度呈現遞減規律，0.4 m高度以上溫度穩定在24 ℃左右；監測線d、e均在房間長度方向5.19 m處，熱風在水平方向貼附并未波及，溫度主要通過室內自然對流得到保證，高度方向溫度呈現遞增規律，溫度梯度主要發生在1 m高度以下，0.1 m高度處溫度為18 ℃左右，滿足室內設計要求；1 m高度以上5條線溫度均不再變化，穩定在24 ℃左右。由于豎壁貼附送風本質上是一種實現下送風的置換式通風模式，熱氣流首先送入工作區，熱量能被有效利用，熱風不斷補償房間圍護結構失熱量后，溫度有所降低，因此在豎直方向上并不會有明顯的熱分層現象，不會出現混合通風供熱時熱風停滯在房間頂部造成的無效能源消耗。

4 結論

1) 豎壁貼附冬季供熱工況下，浮升力對射流的流動起阻礙作用，設計不合理必然存在有限的熱風送風距離，致使房間在水平方向出現供暖冷熱不均的現象。因此在不同房間尺寸下，有必要合理地設計送風參數，以保證熱氣流沿地面水平貼附射程能夠達到要求。

2) 豎壁貼附冬季供熱非等溫射流的判據為阿基米德數Ar，其綜合反映了浮升力與慣性力兩方面因素對射流軌跡及射程強烈的作用。但是在舒適性空調冬季送風參數范圍內，豎壁貼附通風模式為慣性力主導下的送風，熱浮升力影響次之，水平貼附射程大于房間長度方向的80%，即Ar<0.001 5則認為水平貼附射程達到送風要求。

3) 在熱射流可實現遠距離水平貼附的工況下，由于送風速度較大，房間中軸面附近距地面 0.5 m高度以下工作區局部氣流速度大于0.3 m/s，可能造成人員腳踝處的吹風感。但實際辦公、住宅房間有不同屬性的障礙物及人員的流動，相應地會使吹風感減弱。同時建筑設計時，人員位置會遠離房間中軸面送風口，也能有效減小吹風感的影響。

4) 由于豎壁貼附送風本質上是一種實現下送風的置換式通風模式，熱氣流首先送入工作區，熱量能被有效利用，熱風不斷補償房間圍護結構失熱量，在房間豎直方向上并不會有明顯的熱分層現象，不會出現混合通風供熱時熱風停滯在房間頂部而造成無效能源消耗的問題。