孟錦程,畢 晨,王 藝,金梧鳳
(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300134)
現(xiàn)代人80%~90%的時(shí)間在室內(nèi)度過(guò),良好的室內(nèi)環(huán)境是保證室內(nèi)人員健康和工作效率基礎(chǔ)[1]。外窗作為冬季嚴(yán)寒地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中保溫性能最薄弱的部分,大量熱量通過(guò)其散失,這樣一來(lái),外窗內(nèi)表面溫度明顯低于其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)[2,3]。對(duì)于有外窗圍護(hù)結(jié)構(gòu)的房間而言,由于外窗內(nèi)表面溫度較低所造成不對(duì)稱的輻射熱環(huán)境,人在靠近外窗時(shí)會(huì)感到明顯不適,這種不適感在玻璃幕墻建筑中更為明顯[4,5]。
目前已有許多學(xué)者針對(duì)環(huán)境輻射不對(duì)稱的人體熱舒適限值進(jìn)行研究。1974年McIntyre. D.A.[6]提出利用輻射場(chǎng)的概念來(lái)描述某一點(diǎn)的熱輻射環(huán)境,建議采用輻射矢量或其等效矢量輻射溫度(VRT)作為環(huán)境不對(duì)稱的度量。王昭俊[7,9]、何亞男[8]等給出嚴(yán)寒地區(qū)室內(nèi)人員在外窗不對(duì)稱輻射作用下的熱感覺(jué)與皮膚溫度、局部熱感覺(jué)之差的最大值與熱可接受度之間的回歸模型。通常當(dāng)室內(nèi)人員所在區(qū)域的不對(duì)稱輻射溫度大于10K時(shí)[10],人們會(huì)感到明顯的不適。
為改善房間輻射不對(duì)稱問(wèn)題,內(nèi)置、外置窗簾[11,12]或電加熱玻璃幕墻[13]等方法經(jīng)常被應(yīng)用,但其存在采光差,成本高等缺點(diǎn)。因此,Abdulhadi和Pedersen[14]以及劉靜雪等[15]提出采用貼附射流方法解決房間外圍護(hù)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的冷風(fēng)感問(wèn)題,并對(duì)熱射流沿豎向冷壁面的流動(dòng)特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,其研究結(jié)果表明該方法可以明顯提高室內(nèi)人員的舒適度。同時(shí)張飛等[16]的研究表明貼附射流送風(fēng)加熱可有效防止墻壁結(jié)露。
綜上,采用內(nèi)循環(huán)貼附射流解決外窗引起的輻射不對(duì)稱問(wèn)題是有效且可行的。本文圍繞內(nèi)循環(huán)貼附射流加熱外窗(玻璃幕墻)內(nèi)表面展開(kāi)研究,采用實(shí)驗(yàn)與模擬研究相結(jié)合的方法,在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬研究并對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到玻璃幕墻內(nèi)表面溫度預(yù)測(cè)模型。通過(guò)所得預(yù)測(cè)模型可知玻璃幕墻內(nèi)表面溫度在不同貼附射流工況下的動(dòng)態(tài)變化并為獲得輻射不對(duì)稱溫度預(yù)測(cè)模型打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),進(jìn)而為尋找最佳內(nèi)循環(huán)貼附射流運(yùn)行策略提供參考。
本文圍繞玻璃幕墻換熱過(guò)程展開(kāi)研究,其換熱過(guò)程如圖1[17]所示。

圖1 雙層玻璃窗傳熱示意
玻璃幕墻內(nèi)表面換熱有如下的熱平衡關(guān)系:
通過(guò)玻璃幕墻的導(dǎo)熱熱流密度=玻璃幕墻內(nèi)表面輻射傳熱熱流密度+玻璃幕墻內(nèi)表面對(duì)流傳熱熱流密度。
根據(jù)上述熱平衡關(guān)系,進(jìn)而確定本研究中有關(guān)玻璃幕墻內(nèi)表面溫度的影響因子,具體見(jiàn)表1影響因子。并結(jié)合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[18]相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范以及相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)置影響因子取值范圍。

表1 影響因子
本節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析各影響因子對(duì)于外窗內(nèi)表面溫度的影響,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)驗(yàn)證后續(xù)模擬研究中所用的模型。實(shí)驗(yàn)在節(jié)能綜合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)所用平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程介紹如下。
實(shí)驗(yàn)室由室外環(huán)境模擬室、測(cè)試房間、內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)裝置(僅送風(fēng),不加熱)三部分構(gòu)成。內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)裝置放置在測(cè)試房間一側(cè),正對(duì)玻璃外窗放置,如圖2、3所示。內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)裝置能夠?qū)y(cè)試房間內(nèi)的熱空氣循環(huán)起來(lái)加熱玻璃外窗,提高外窗內(nèi)表面溫度。

圖2 系統(tǒng)原理圖

圖3 測(cè)試房間
空調(diào)供暖房間熱力分層現(xiàn)象比較明顯,考慮到外窗內(nèi)表面不同高度處各點(diǎn)溫度會(huì)有差異,因此在模擬及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在外窗的上、中、下各設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)圖4中測(cè)點(diǎn)3、2、1。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置
為了使實(shí)驗(yàn)更加全面,設(shè)置無(wú)貼附射流工況(工況1)和不同的貼附射流送風(fēng)工況(工況2~4),具體工況如表2。實(shí)驗(yàn)室玻璃窗傳熱系數(shù)為2.1 W/(m2·K),實(shí)驗(yàn)時(shí)將室外環(huán)境模擬室溫度降低并穩(wěn)定在-10±0.2 ℃;開(kāi)啟室內(nèi)測(cè)試房間空調(diào),溫度設(shè)置為24 ℃,并開(kāi)始記錄各測(cè)點(diǎn)溫度;貼附射流裝置與室內(nèi)空調(diào)同時(shí)打開(kāi),測(cè)試并記錄加入內(nèi)循環(huán)貼附射流前后以及不同送風(fēng)工況下的外窗內(nèi)表面各測(cè)點(diǎn)的溫度變化。

表2 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置
考慮到研究周期與成本,本文結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行研究,數(shù)值模擬可以更加全面便捷地分析各影響因子對(duì)玻璃幕墻加熱效果。本文使用CFD模擬軟件建立與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試房間同尺寸模型。使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證所選擇模型的準(zhǔn)確性,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展模擬,并為后續(xù)回歸分析提供回歸資料。
4.1.1 物理模型
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室建立等比例幾何模型,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分,其網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.9,網(wǎng)格質(zhì)量高,可用于下一步計(jì)算。
4.1.2 數(shù)學(xué)模型
隨著貼附射流與外窗不斷進(jìn)行換熱,貼附射流溫度會(huì)發(fā)生變化,因此為非等溫瞬態(tài)工況。假定室內(nèi)空氣流動(dòng)為定壓常密度、不可壓縮流動(dòng),采用Reynolds平均法的三維非穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)控制方程進(jìn)行速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布的動(dòng)態(tài)模擬,選擇RNG k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬。求解器設(shè)置為:非耦合、隱式、3D;壓力速度耦合方式為SIMPLE算法;對(duì)流項(xiàng)離散格式為二階迎風(fēng)格式。
4.1.3 邊界條件
根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置邊界條件,具體見(jiàn)表3邊界條件。

表3 邊界條件
選取工況2的實(shí)驗(yàn)條件作為模擬研究中的邊界條件,模擬中外窗內(nèi)表面設(shè)置的溫度測(cè)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)中一致(圖5),測(cè)試工況2的實(shí)驗(yàn)條件下外窗測(cè)點(diǎn)溫度到達(dá)穩(wěn)定時(shí)的溫度值以及達(dá)到穩(wěn)定溫度所需的時(shí)間,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。

圖5 各測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值
外窗測(cè)點(diǎn)溫度總體趨勢(shì)為先快速上升,在經(jīng)過(guò)短暫的下降后,逐漸趨于穩(wěn)定。究其原因,在室內(nèi)空調(diào)開(kāi)啟前外窗內(nèi)表面受到外界環(huán)境的影響其溫度非常低,當(dāng)室內(nèi)空調(diào)開(kāi)啟后外窗內(nèi)表面受到空調(diào)室內(nèi)機(jī)送風(fēng)和循環(huán)貼附射流的耦合影響,導(dǎo)致各測(cè)點(diǎn)溫度快速升高。由于室內(nèi)外溫差的增加,通過(guò)外窗向室外環(huán)境模擬室傳遞的熱量也會(huì)增加,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后外窗內(nèi)表面溫度有所下降并趨于穩(wěn)定。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,位于窗戶底部的測(cè)點(diǎn)1溫度最低,位于窗戶中間的測(cè)點(diǎn)2穩(wěn)定最高,位于頂部的測(cè)點(diǎn)3溫度接近于測(cè)點(diǎn)2的溫度。這是由于內(nèi)循環(huán)貼附射流能夠使得室內(nèi)空氣能夠直接送至窗戶中間部位,而送至測(cè)點(diǎn)3位置的空氣由于沿程的熱傳遞和損耗溫度有所下降,因此測(cè)點(diǎn)3溫度略低于測(cè)點(diǎn)2處的溫度。
將工況2的實(shí)驗(yàn)與模擬過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定后的數(shù)值及達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間進(jìn)行對(duì)比,分析兩者的誤差來(lái)判斷模型的準(zhǔn)確性(表4)。

表4 誤差分析
通過(guò)實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比分析,可以發(fā)現(xiàn)3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間誤差值均小于10%,且穩(wěn)定時(shí)溫度平均值最大僅為1.29℃,誤差較小,在可接受范圍內(nèi),表明所選模型準(zhǔn)確性較高。
本小節(jié)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的模型進(jìn)行拓展研究,結(jié)合實(shí)際辦公建筑,建立大尺寸模型。考慮到現(xiàn)在辦公室寫字樓外圍護(hù)結(jié)構(gòu)大多為玻璃幕墻,因此在拓展模擬的物理模型當(dāng)中由玻璃幕墻代替外窗,分析各影響因子對(duì)玻璃幕墻內(nèi)表面溫度分布及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的影響。模擬研究所得到的數(shù)據(jù),將為下一步回歸分析提供回歸資料。
4.3.1 模型建立
4.3.1.1 物理模型
以嚴(yán)寒地區(qū)辦公室作為模擬對(duì)象,根據(jù)《辦公建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[19,20]設(shè)置房間面積為100 m2,房間長(zhǎng)寬比為2,層高為3.9 m,考慮到采用玻璃幕墻,冷風(fēng)滲透增大,房間冷負(fù)荷設(shè)置為200 W/m2,房間總熱負(fù)荷為20 kW。空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量為900 m3/h,制熱量為5 kW,空調(diào)器數(shù)量為4個(gè)。貼附射流裝置為條縫型風(fēng)口,寬度20 mm(圖6)。

圖6 物理模型
4.3.1.2 數(shù)學(xué)模型
拓展模擬中所用的數(shù)學(xué)模型參考4.1模型建立中物理數(shù)學(xué)模型。
4.3.1.3 邊界條件設(shè)置
結(jié)合實(shí)際辦公房間室內(nèi)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),邊界條件設(shè)置如表5。

表5 邊界條件
4.3.1.4 模擬過(guò)程中影響因子取值范圍
根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,在模擬時(shí)涉及的影響因子及取值范圍見(jiàn)表6。其中水平距離為玻璃幕墻內(nèi)表面各點(diǎn)與玻璃幕墻側(cè)邊緣的垂直距離。

表6 影響因子取值
4.3.2 確定模擬工況
在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,貼附射流送風(fēng)口位置往往是固定的,因此首先研究不同貼附射流送風(fēng)口安裝距離(其他影響因子不變)對(duì)玻璃幕墻內(nèi)表面溫度的影響,在此基礎(chǔ)上依據(jù)其他影響因子及取值范圍設(shè)置模擬工況,模擬工況見(jiàn)附表1。
4.4 模擬結(jié)果及回歸資料
回歸資料作為進(jìn)行回歸分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),現(xiàn)將各模擬工況所對(duì)應(yīng)的0.6 m,1.2 m高度玻璃幕墻內(nèi)表面溫度匯總形成回歸資料。回歸資料見(jiàn)附表1。

附表1 模擬工況及回歸資料

續(xù)附表1
針對(duì)人體坐姿時(shí)對(duì)應(yīng)的膝蓋和頭部位置選取距離地面0.6 m和1.2 m高度玻璃幕墻內(nèi)表面溫度進(jìn)行分析。將0.6 m和1.2 m高度玻璃幕墻內(nèi)表面溫度匯總成為回歸資料,進(jìn)行回歸分析。
本小節(jié)采用回歸分析的方法建立玻璃幕墻內(nèi)表面溫度預(yù)測(cè)模型。回歸分析時(shí)首先判斷回歸方程的基本形式,在對(duì)方程各項(xiàng)的系數(shù)進(jìn)行求解,最后保證方程的擬合優(yōu)度系數(shù)大于0.9。
利用SPSS對(duì)0.6m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度回歸資料進(jìn)行多元線性回歸分析,得到回歸方程式如(1),其模型摘要和擬合結(jié)果如表7、8所示。

表7 模型摘要
t0.6=21.677+0.102L-5.535λ-13.275D+4.885V-0.002α+0.501T
(1)
式(1)中:L為水平距離,m;λ為玻璃幕墻傳熱系數(shù),W/(m2·K);V為內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)速度,m/s;α為內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)角度,°;D為內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)口安裝距離,m;T為室外溫度,℃。
通過(guò)對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行整體顯著性檢驗(yàn),由表7可知其檢驗(yàn)值<0.001,回歸效果整體顯著;方程的擬合優(yōu)度系數(shù)R2=0.943,擬合優(yōu)度修正決定系數(shù)R2=0.940,擬合程度較高。由表8可得除貼附射流送風(fēng)角度外各自變量的顯著性檢驗(yàn)均小于0.05,這表明除貼附射流送風(fēng)角度外各變量對(duì)0.6 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度影響顯著。貼附射流送風(fēng)角度的顯著性為0.506,大于0.05,可知其對(duì)0.6 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度并無(wú)顯著影響,因此可忽略。因此,去掉送風(fēng)角度后重新擬合可以得到式(2)。

表8 多元線性回歸結(jié)果
t0.6=21.799+0.104L-5.637λ-13.075D+4.828V+0.501T
(2)
對(duì)1.2 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度回歸資料進(jìn)行多元線性回歸分析,得到回歸方程式如式(3),其模型摘要如表9。

表9 模型摘要
t1.2=24.852+0.316L-6.77λ+92.197D-3.459V+0.105α+0.566T-0.056L2+208.704D2+5.287V2-0.001α2-0.008LT-120.062DV+1.024DT+0.029Vα-0.085VT+0.001αT
(3)
由表9可知方程的擬合優(yōu)度系數(shù)R2=0.872<0.900,擬合優(yōu)度修正決定系數(shù)為R2=0.865,這表明采用線性回歸方式方程擬合程度欠佳,需對(duì)回歸資料進(jìn)行非線性回歸分析。
對(duì)1.2 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度回歸資料進(jìn)行多元回歸分析,方差分析見(jiàn)表10,方程的擬合優(yōu)度系數(shù)R2=0.952>0.900,表明其擬合程度較高。

表10 ANOVA
由式(1)、(3)可知0.6 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度與各影響因子為線性關(guān)系,與內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)速度、室外溫度成正比,與玻璃幕墻傳熱系數(shù)、水平距離、內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)口安裝距離成反比。貼附射流送風(fēng)角度對(duì)0.6 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度影響很小,在預(yù)測(cè)模型中可忽略此項(xiàng);1.2m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度與各影響因子則為非線性關(guān)系。
為了研究各影響因子對(duì)玻璃幕墻內(nèi)表面溫度的影響程度,采用SPSS軟件對(duì)拓展模擬結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析得到各影響因子對(duì)玻璃幕墻內(nèi)表面溫度的貢獻(xiàn)率,結(jié)果如圖7所示。

圖7 影響因子貢獻(xiàn)率
由圖7可得,對(duì)0.6 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度貢獻(xiàn)率最高的為送風(fēng)速度,達(dá)到43.2%,貼附射流送風(fēng)口安裝距離貢獻(xiàn)率為13.8%。送風(fēng)角度貢獻(xiàn)率僅為0.08%,對(duì)0.6 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度并無(wú)顯著影響,可忽略不計(jì)。對(duì)1.2 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度貢獻(xiàn)率最高的為送風(fēng)速度,達(dá)到28.2%,貼附射流送風(fēng)口安裝距離貢獻(xiàn)率為23.0%,送風(fēng)角度貢獻(xiàn)率最小,僅為4.5%。因此,在使用內(nèi)循環(huán)貼附射流加熱玻璃幕墻時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮調(diào)整送風(fēng)速度來(lái)改變玻璃幕墻內(nèi)表面溫度,改變送風(fēng)角度作為輔助手段來(lái)調(diào)節(jié)玻璃幕墻內(nèi)表面溫度,且貼附射流送風(fēng)口安裝距離不宜過(guò)大。
取同一高度各測(cè)點(diǎn)溫度平均值,得到0.6m高度玻璃幕墻內(nèi)表面平均溫度,1.2m高度玻璃幕墻內(nèi)表面平均溫度,對(duì)比加入貼附射流前后玻璃幕墻各高度處的內(nèi)表面平均溫度,因此選取內(nèi)循環(huán)貼附射流(工況1)和無(wú)內(nèi)循環(huán)貼附射流(工況34)來(lái)進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果如表11所示。

表11 玻璃幕墻內(nèi)表面平均溫度對(duì)比
加入貼附射流后,0.6 m、1.2 m高度玻璃幕墻內(nèi)表面平均溫度顯著升高。其中0.6 m高度玻璃幕墻內(nèi)表面平均溫度提高了3.5 ℃;1.2 m高度玻璃幕墻內(nèi)表面平均溫度提高了3.3 ℃.由此可得,加入貼附射流可有效提高玻璃幕墻內(nèi)表面溫度,進(jìn)而減少由于玻璃幕墻內(nèi)表面溫度較低帶來(lái)的輻射不對(duì)稱問(wèn)題。
本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬研究結(jié)合的方式,分析了內(nèi)循環(huán)貼附射流對(duì)于玻璃幕墻內(nèi)表面溫度的影響,通過(guò)分析可以得到以下結(jié)論:
(1)通過(guò)對(duì)比加入貼附射流前后玻璃幕墻各高度處內(nèi)表面平均溫度可得,在玻璃幕墻內(nèi)表面加入貼附射流來(lái)提高其溫度具有可行性。加入貼附射流后,0.6 m高度玻璃幕墻內(nèi)表面平均溫度提高了3.5 ℃,1.2 m高度玻璃幕墻內(nèi)表面平均溫度提高了3.3 ℃。
(2)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行回歸分析可得0.6 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度與各影響因子為線性關(guān)系,與內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)速度、室外溫度成正比,與玻璃幕墻傳熱系數(shù)、水平距離、內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)口安裝距離成反比。貼附射流送風(fēng)角度對(duì)0.6 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度影響很小,在預(yù)測(cè)模型中可忽略此項(xiàng);1.2 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度與各影響因子則為非線性關(guān)系。
(3)通過(guò)回歸分析,內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)速度對(duì)玻璃幕墻內(nèi)表面溫度影響顯著,送風(fēng)速度對(duì)0.6 m,1.2 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度貢獻(xiàn)率分別為43.2%,28.2%,內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)口安裝距離對(duì)0.6 m,1.2 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度貢獻(xiàn)率分別為13.8%,23%。內(nèi)循環(huán)貼附射流送風(fēng)角度在0~90°范圍內(nèi),其對(duì)0.6 m,1.2 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度貢獻(xiàn)率分別為0.08%,4.8%,影響較小,貼附射流送風(fēng)角度對(duì)0.6 m高度處玻璃幕墻內(nèi)表面溫度并無(wú)顯著影響,可忽略不計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用貼附射流加熱玻璃幕墻時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮調(diào)整送風(fēng)速度來(lái)改變玻璃幕墻內(nèi)表面溫度,改變送風(fēng)角度作為輔助手段,且送風(fēng)口安裝距離不宜過(guò)大。