送風參數對豎壁貼附射流夜間通風降溫效果的影響

李亞軍 季文慧 袁艷平

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

我國住房總面積超過600 億平方米，建筑承載了大量能源消耗活動[1]。據統計，截止到2020 年底，建筑能耗達到37%左右，建筑節能刻不容緩[2]。夜間通風技術引入夏季夜晚室外溫度較低的冷空氣，降低室內溫度并帶走室內蓄存的熱量，是利用可再生資源，降低建筑能耗的節能措施[3,4]。夜間通風的降溫效果與換氣次數[5,6]、內部蓄熱體[7,8]和圍護結構內表面對流換熱系數[9,10]相關。

周軍莉等人[11]通過數值分析的方法提出了自然通風結合建筑蓄熱的室內工程分析模型，當夜間通風換氣次數超過20 次/h，室內溫度峰值基本不會發生變化。魏曉真等人[12]用DEST 軟件對濟南地區某辦公樓進行全年建筑負荷模擬并給出了夜間通風的最佳換氣次數和通風時間段。Stefano 等人[13]研究了夜間通風耦合空心板結構對降低室內冷負荷的效果。結果表明，該夜間通風和蓄熱的耦合可以讓辦公建筑在70%的使用期間內溫度低于28℃。Givoni[14]通過監測多棟不同質量水平的建筑，評估了建筑物的質量對降低白天室內最高溫度的效果。結果表明，夜間通風可以有效降低高質量建筑的室內最高溫度。Artmann 等人[15]的研究表明，對于不同的通風氣流組織模式，建筑物內表面的對流換熱系數不同，在低風速下的工況下，置換通風具有更高的溫度效率。楊柳等人[16]基于氣象站監測數據，采用氣候降溫潛力（CCP）對我國多個城市進行降溫潛力分析。結果表明，我國北方大部分地區的CCP 在30 到180 之間，具有較好的降溫潛力，但是中部和東部地區的CCP 值在10 到60 之間，夜間通風降溫潛力較低。龍展圖[17]對上海、武漢、南京等幾個典型的夏熱冬冷城市在夏季和過渡季節進行夜間通風模擬，分析這些地區夜間通風的降溫潛力。研究表明，在夏熱冬冷地區運用夜間通風技術降溫潛力較小，但是在過度季節仍有一定潛力。在北方地區應用夜間混合通風和夜間置換通風方式可以滿足降溫需求[18]。但是，夏熱冬冷地區夏季的晝夜溫差小，現有夜間通風方式的降溫效率較低[19]。

本文針對成都地區夏季西墻溫度較高的特點，采用豎壁貼附射流沖刷墻體內壁面的方式進行夜間通風[20-22]，增強送風氣流與墻體內壁面的對流換熱強度，從而高效帶走墻體蓄熱，以期減少空調能耗。

1 豎壁貼附射流夜間通風模式

豎壁貼附射流夜間通風是在豎壁貼附射流送風的基礎上，將夏季送風溫度恒定的冷風改為送風溫度隨時間變化的室外空氣[21]，其基本原理如圖1所示。房間白天接受太陽輻射和室內熱源散熱，墻體溫度和室內空氣溫度升高的同時墻體內部會蓄存部分熱量；夜晚，一方面墻體外壁面和天空進行輻射換熱，外壁面溫度降低，另一方面風機引入室外冷空氣通過貼附射流沖刷墻體內壁面，強化內壁面對流換熱，在降低墻體內壁面溫度的同時帶走白天蓄存在墻體中的熱量。

圖1 豎壁貼附射流夜間通風系統原理Fig.1 Principle of the WANV system

2 數值計算模型的建立及驗證

2.1 物理模型的建立

根據重慶大學重點實驗室某圍護結構小室的構造[22]，如圖2 所示，建立幾何模型。條縫型風口尺寸2700mm×40mm；排風口尺寸400mm×400mm。送風口相對位置s/b=（d+b/2）=2。s為條縫型送風口中軸線距貼附墻體的距離（mm）；b為條縫型風口寬度（mm）；d為條縫型風口內側距貼附墻體的距離（mm）。

圖2 豎壁貼附射流夜間通風小室簡圖[23]Fig.2 Schematic diagram of the WANV

計算域網格劃分如圖3 所示，對條縫型送風口、排風口、豎直貼附區和水平貼附區的網格進行加密。經過網格獨立性驗證[23]后，采用842337 數量的網格進行后續研究。

圖3 計算域網格劃分示意圖Fig.3 Mesh configurations in the computational domain

2.2 邊界條件設置及求解

（1）典型日氣象參數

選取成都地區夏季典型氣象日參數進行模擬。該氣象日內，室外空氣溫度范圍在23～33.5℃，相對濕度在45%～83%之間，東向和西向的太陽輻射強度最大值為570 和780W/m2。

（2）進、出口邊界

選擇速度入口（Velocity-inlet），采用用戶自定義函數（UDF）輸入。送風溫度為室外空氣溫度，送風速度為2m/s～4m/s。出口設置為自由出流（Outflow）。

（3）圍護結構邊界

地面設置為絕熱邊界；屋頂和墻體的外壁面邊界設置為對流邊界（Convection），并引入室外空氣綜合溫度[24]，計算式如下：

式中：Tz為室外空氣綜合溫度，℃；Tair為室外空氣溫度，℃；a為圍護結構外表面對太陽輻射的吸收率；Is為太陽輻射強度，W/m2；αout為圍護結構外表面對流換熱系數，W/（m2·℃）；Qlw為圍護結構外表面與環境的長波輻射換熱量，W/m2。圍護結構外表面對流換熱系數αout，根據規范[25]取19W/（m2·℃）。

（4）求解設置

求解器選用基于壓力（Pressure-Based）的隱式（Implicit）格式；流體密度隨溫度的變化采用Boussinesq 假設；壓力速度耦合方式為SIMPLE 算法；對流項離散格式為二階迎風格式（Second Order Upwind）。計算采用非穩態求解，經過時間步長無關性驗證[23]后設定時間步長為30s。

2.3 計算模型驗證[23]

采用課題組前期的實驗數據對典型工況的數值模擬進行驗證[20]。由圖4 可知，對比實驗和模擬得到的西墻內壁面溫度和室內空氣溫度，應用Realizable k-epsilon 湍流模型得到的模擬結果與實驗結果的偏差較小，最大誤差在5%以內，后續將用此湍流模型開展模擬。

圖4 模擬結果與實驗結果對比Fig.4 Comparisons between simulation results with experimental data

3 計算結果及分析

3.1 夜間通風降溫效果評價指標

為評估豎壁貼附射流夜間通風的降溫效率，引入房間溫度效率εr和壁面溫度效率εw[15]。

式中：Tout,air為排風溫度，℃；Tin,air為送風溫度，℃；Troom為室內空氣溫度，℃；Twest5為西墻內壁面溫度，℃。

3.2 送風速度的影響

3.2.1 西墻內壁面溫度

圖5 為不同風速下在通風結束時刻西墻內壁面溫度分布。由圖可知，送風速度越大，在通風結束時刻西墻內壁面溫度越低。由于在墻體上部分射流的軸線速度較大，射流對墻體的沖刷效果顯著，豎向貼附射流與西墻的對流換熱劇烈，因此西墻上部的壁面溫度較低。隨著送風速度增大，射流在貼附墻體流動的過程中主體性保持更好，射流軸線速度衰減緩慢，射流和貼附壁面的對流換熱進一步增強，可以將白天蓄存在墻體中的熱量釋放出來，西墻內壁面溫度逐漸降低并趨于均勻。在4m/s 和5m/s 的風速下，射流在貼附沖刷墻體的過程中軸線速度更大，通風結束時刻西墻內壁面溫度分布基本一致。這說明，在該工況下，4m/s 的風速對墻體的降溫冷卻性能較好，繼續增大送風速度，降溫效果沒有顯著改善。

圖5 不同送風速度下西墻內壁面溫度Fig.5 West wall inner surface temperature under different supply air velocities

3.2.2 溫度效率

圖6 為不同送風速度下在通風結束時刻的溫度效率。由圖可知，不同送風速度下房間的溫度效率較高，均在0.85 以上，這說明豎壁貼附射流夜間通風系統可以在房間內形成較為穩定的溫度場。射流對西墻內壁面的降溫效率差異顯著，送風速度為2m/s 時，射流軸線速度較小，射流對西墻的沖刷冷卻效果有限，射流與西墻內壁面對流換熱效果較差，西墻內壁面溫度效率較低。增大送風速度，貼附射流的軸線速度增大，射流在沖刷壁面的過程中可以移除更多蓄存在墻體中的熱量，西墻內壁面溫度降低，內壁面溫度效率提升。但是送風速度增大至4m/s 后，繼續增大風速則壁面溫度效率不會有顯著提升。

圖6 不同送風速度下溫度效率Fig.6 Temperature efficiency under different supply air velocities

3.2.3 豎直向壁面對流換熱強度

圖7 給出了不同送風速度下西墻內壁面熱流量和對流換熱系數。由圖可知，隨著送風速度增大，射流對西墻的沖刷效果增強，西墻內壁面熱流量增大，內壁面對流換熱系數增加。送風速度從2m/s～4m/s 時，射流和西墻的對流換熱增強，在相同的夜間通風時間段內射流從墻體中移除的熱量持續增加，西墻內壁面熱流量和換熱系數增長趨勢較快。但是進一步增大風速，射流對墻體的冷卻效果沒有顯著提升。4m/s 和5m/s 兩種風速下西墻內壁面對流換熱系數均為18W/m2·K。這說明4m/s的風速可以將白天蓄存在圍護結構中的熱量釋放完全，射流對墻體的冷卻效果較好。

圖7 不同送風速度下西墻內壁面熱流量和對流換熱系數Fig.7 Heat flow and convective heat transfer coefficient of the west wall inner surface under different supply air velocities

3.3 通風時段的影響

夜間室外空氣溫度時刻在變化，夜間通風開啟時間段不同，送風溫度也不同。當夜間通風關閉時刻相同時，通風開啟時間越早，室外空氣溫度較高，甚至高于室內空氣溫度，但是通風時間長，帶走的熱量更多；夜間通風開啟時間越晚，室外空氣溫度越低，但是通風時間過短可能無法將墻體內熱量移除完畢。因此，合理的夜間通風時間段有待研究。

設定送風速度為4m/s，夜間通風開啟時刻為22:00、23:00、00:00、01:00、02:00 和通風關閉時間為07:00 不變。

3.3.1 空氣溫度

圖8 為送風速度為4m/s 時，室外空氣溫度和不同夜間通風時段下的室內空氣溫度。由圖可知，在不同的通風開啟時刻下，通風結束后房間的溫度均在25℃，系統對房間的降溫效果相近。但是在23:00 以前，未開啟夜間通風時，室外空氣溫度高于室內空氣溫度，隨后室外空氣溫度逐漸降低并低于室內空氣溫度。因此，通風開啟時間過早，室外溫度較高，夜間通風可能會帶來多余的室外熱量，在23:00 以后開啟夜間通風較為合適。

圖8 不同夜間通風時間段下空氣溫度（u0=4m/s）Fig.8 Air temperature under different ventilation periods(u0=4m/s)

3.3.2 內壁面溫度

圖9 為送風速度4m/s，不同通風開啟時刻下的墻體內壁面溫度。由圖（a）和圖（b）對比可知，不同夜間通風時間段下墻體內壁面溫度變化趨勢一致，內壁面最高溫度不同。隨著通風開啟時間的延遲，豎直向貼附區射流對壁面的貼附沖刷時間變短，并且室內外溫差逐漸減小，射流對墻體的冷卻效果變差，墻體內部的熱量無法移除完畢，內壁面溫度較高。同22:00 和23:00 開啟通風的工況相比，在03:00 開啟通風的情況下，墻體在夜間無法充分預冷，白天期間西墻內壁面溫度的上升趨勢較快，壁面溫度的最大值和通風結束時壁面溫度的最小值均升高了0.5℃。

圖9 不同夜間通風時間段下墻體內壁面溫度（u0=4m/s）Fig.9 Wall inner surface temperature under different ventilation periods(u0=4m/s)

3.3.3 溫度效率

圖10 為送風速度為4m/s 時，不同夜間通風開啟時刻下在通風結束時的溫度效率。由圖可知，不同的夜間通風時段下房間的溫度效率較高，在0.85左右。這說明改變通風時間段對房間的降溫效率無顯著影響，但是壁面溫度效率差異較大。不同通風時間段內室外溫度的變化范圍不同，通風時間開啟越遲，室外溫差的變化范圍越小，射流和墻體的對流換熱效果較差，在相同的送風速度下射流從墻體中移除的熱量減少，降溫效率越低。甚至通風時間過短，墻體內熱量可能無法及時移除完畢，墻體內部溫度相對較高。送風速度為4m/s 時，在適宜的夜間通風時間段內射流對壁面的冷卻降溫效果接近飽和，結合空氣溫度變化和溫度效率，在23:00左右開啟夜間通風效果較好。

圖10 不同夜間通風時間段下溫度效率（u0=4m/s）Fig.10 Temperature efficiency under different night ventilation periods(u0=4m/s)

4 結論

本文主要研究了不同送風速度和夜間通風時間段對豎壁貼附射流夜間通風降溫效果的影響并得到以下結論：

（1）不同送風速度下豎壁貼附射流夜間通風系統對墻體的冷卻效率不同，對于一般的辦公建筑房間，層高h≤4m，長高比l/h≤2，4m/s 的風速下射流對墻體的降溫效率較高，豎直向貼附壁面的對流換熱系數為18W/m2·K；繼續增大送風速度，兩者沒有顯著改變。

（2）不同夜間通風時段下內壁面溫度效率有所差異。當送風速度為4m/s，通風關閉時刻為07:00不變，通風開啟時刻在23:00時，壁面溫度效率較高。