鐘 珂，王新偉，華鳳皎，亢燕銘

（東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

高大空間風口位置高度對供暖效果的影響

鐘 珂，王新偉，華鳳皎，亢燕銘

（東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

分層氣流組織可以改善高大空間熱風供暖的節(jié)能性和熱舒適效果.為估計這種氣流方式對室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果，在利用實驗驗證數(shù)值計算方法的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬探討了大空間送、回風口高度對室內(nèi)熱環(huán)境的影響.研究結(jié)果表明：送風口位置位于較低的位置時，熱風供暖的能量在這種房間下部區(qū)域的利用率較高；當送風口位置增加到8.5 m且上回風時，即使以高能耗為代價，室內(nèi)熱環(huán)境也難以滿足人體熱舒適要求.此外，根據(jù)模擬結(jié)果對不同情況下的供暖能量利用系數(shù)做了分析，并對改善大空間冬季熱風供暖的節(jié)能和熱舒適性給出了一些建議.

高大空間；熱風供暖；能量利用系數(shù)；室內(nèi)熱環(huán)境

熱媒加暖氣片是建筑物供暖常用的末端方式，但這種方式適合層高相對較低的房間［1-3］.對于高大空間而言，采用這種方法會引起較大的熱損失［4-5］.原因是熱空氣上升、而冷空氣下沉，故導(dǎo)致空氣溫度在房間頂部區(qū)域較高而底部（即工作或人員活動區(qū)）較低，使得送到室內(nèi)（如廠房、車間等）的熱量大部分通過頂棚散失，不能被充分利用［4，6］.為提高熱風供暖房間下部區(qū)域的溫度和送風能量利用率，文獻［7］在相同能耗條件下，研究了房間尺寸、墻面溫度等因素對熱風供暖氣流流動結(jié)構(gòu)的影響.文獻［8］則針對熱空氣聚集在遠離人員區(qū)的天花板下的情況，研究了通過空氣循環(huán)將熱空氣轉(zhuǎn)移到人員區(qū)的方法及其對室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果.

高大空間若采用熱風供暖，可以通過合理的氣流組織，將送風熱量調(diào)配到下部工作區(qū)，以提高送入熱量的利用率［6］.由于熱風供暖的能量利用與送、回風口的位置密切相關(guān)，本文將對大空間不同送、回風口高度下的熱環(huán)境進行數(shù)值模擬，以分析風口高度對室內(nèi)供暖區(qū)熱環(huán)境的影響，并對人體空間的熱舒適情況進行分析.

1 數(shù)值模型

1.1 計算模型的確定

以一個高大的房間為物理模型進行研究，房間的幾何尺寸為長（x）×寬（y）×高（z）＝20 m×18 m×9 m.考慮到房間的對稱性，模型可簡化為一半房間，以節(jié)省模擬計算成本.供暖時采用上送上回或上送下回的氣流組織方式.在房間兩側(cè)墻處設(shè)有送風口和回風口，如圖1所示.

圖1 高大空間計算區(qū)域與送、回風口布置Fig.1 Computational domain of the large-height space and the locations of inlet and outlet

送風口尺寸為0.3 m×0.3 m（共7個），送風口間距為3 m；回風口尺寸為0.3 m×0.4 m（共4個），回風口間距為6 m，靠邊的送、回風口距墻內(nèi)表面1 m.送風口高度分別為4.5，6.5和8.5 m，回風口高度比送風口低0.5 m（上回風方式）或高于地面0.5 m（下回風方式）.

本文主要研究熱風供暖時房間內(nèi)的流場和溫度場分布，而室內(nèi)熱源如人、燈和電腦等對房間供熱有利，但對氣流和溫度的局部分布的影響很小［8］，故在模擬中將不考慮室內(nèi)熱源的影響.由于土壤具有溫度延遲效應(yīng)［6］，并且室內(nèi)地面層設(shè)有保溫層，通過地面的熱損失相對于外墻和屋頂非常小，因此，在模擬計算中設(shè)地板為絕熱表面.建筑熱工設(shè)計規(guī)范要求壁面與空氣的溫差不宜大于6～8℃，由于室內(nèi)設(shè)計溫度為18～20℃，因此，設(shè)四面外墻內(nèi)表面溫度為10℃.與外墻不同，屋頂沒有窗戶等熱橋構(gòu)件，故在相同的室內(nèi)溫度作用下，其內(nèi)表面溫度高于墻體.同時，高大空間的溫度分布特征使得屋頂附近溫度偏高，這將導(dǎo)致屋頂內(nèi)表面溫度明顯高于外墻內(nèi)表面，因此，設(shè)屋頂內(nèi)表面溫度為20℃.通過門窗縫隙的冷風滲透也是供暖房間冬季熱負荷的來源之一，但空調(diào)房間通常保持室內(nèi)正壓，因此，模擬計算中不考慮冷風滲透造成的熱損失.空調(diào)送風溫度為26℃，送風方向為向下30°送風，送風風速為3.2 m／s.由于送風口法線方向垂直于墻面，因此，法線速度為2.8 m／s，每個風口的送風量為0.25 m3／s.

1.2 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)空調(diào)房間空氣為三維連續(xù)不可壓縮流體，流體的屬性不變.由于供熱時氣流受熱浮力影響較大，空氣密度采用Boussinesq近似.

四面體網(wǎng)格劃分物理模型，送、回風口和墻體附近的網(wǎng)格采用加密處理.數(shù)值計算中，控制方程的離散化選用二階迎風格式，求解用SIMPLE算法.所有固體表面均設(shè)為無滲透和無滑移條件.送風口設(shè)為Velocity-inlet類型，回風口定義為outflow.

1.3 數(shù)學(xué)模型的合理性驗證

為保證數(shù)值模擬方法在分析大空間熱風供暖室內(nèi)熱環(huán)境的可靠性，需要先驗證上述數(shù)學(xué)模型的合理性.2012年2月10日至29日在人工氣候室（東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院）進行了熱風供暖實驗，對室內(nèi)的溫度和速度分布進行了實測.人工氣候室放置了4個測桿，每個測桿在高度方向設(shè)置了7個測點，測點布置情況如圖2所示.氣溫測量采用Humlog 20型溫度儀，分辨率為0.1℃.氣流速度的測量采用意大利Detla公司的萬向風速儀，測量范圍為0.05～5.00 m／s，精度為±3%，分辨率為0.01 m／s.

為保證實測在完全穩(wěn)定的條件下進行，本文測量持續(xù)時間為5～6 h，直至室內(nèi)空氣溫度和壁面溫度的波動范圍小于±0.5℃.實驗數(shù)據(jù)均取自穩(wěn)定狀態(tài)的實測值.

應(yīng)用數(shù)值計算方法對實驗工況進行了模擬計算，圖3給出了數(shù)值計算結(jié)果與1號和2號測桿實測結(jié)果的比較，另外兩測桿的比較結(jié)果相同，由于篇幅所限，不再給出.從圖3可以看出，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)之間吻合較好，因此，本文所使用的數(shù)值計算方法是可靠的.

圖2 人工氣候室測點布置情況Fig.2 Arrangement diagram of monitoring point in the test chamber

圖3 垂直溫度和速度實測值與計算值的對比Fig.3 Comparison of the calculated results and experimental data of the vertical temperature and velocity profiles

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 送、回風口高度對溫度分布的影響

通過房間中心軸的縱剖面（即y＝9 m對稱面）、穿過送風口中心的橫剖面（x＝7 m）以及離地面z＝0.1 m（腳踝處）高的平面是觀測室內(nèi)供暖情況的典型面，為此，在送、回風口在不同高度時，上述典型剖面上氣流和溫度分布的模擬結(jié)果如圖4所示.

圖4 典型剖面上溫度分布的模擬結(jié)果Fig.4 Numerical results of the indoor temperature distributions on typical planes

從圖4（a）可以看出，溫度較高的送風射流在熱浮力作用下，運動軌跡不再保持直線，越遠離送風口，送風動量衰減越大，最終在房間近中心形成明顯的上升氣流.這部分氣流上升到屋面附近后，沿頂棚四周擴散，最后使房間整體溫度升高.

比較圖4（a）和4（b）可知，送、回風口在4.5 m時，高溫熱氣流能夠直接進入2 m以下人的活動區(qū)域，室內(nèi)溫度分布較均勻；當送、回風口位置升高到8.5 m時，送風熱氣流在2 m以上空間就開始出現(xiàn)彎曲上浮，送風熱量不能直接進入人員活動空間，熱量較多停留在房間上部，房間下部溫度明顯低于上部空間，上、下部區(qū)域的溫差高達6℃.

由圖4（c）可以看到，當送風口位置仍在8.5 m處，但回風口設(shè)在房間下部時，送風氣流被迫下降，經(jīng)過2 m以下供暖區(qū)后，最終從下部回風口排出，盡管仍會出現(xiàn)熱空氣上浮的情況，但與圖4（b）相比，房間下部溫度明顯增加.因此，在實際條件允許的情況下，下回風口方式更有利于實現(xiàn)人員工作區(qū)的溫度要求.

在送風高度及回風位置不同時，房間中心處溫度沿高度分布的模擬結(jié)果比較如圖5所示.

圖5 送、回風口高度不同時房間中心溫度垂直分布Fig.5 Temperature profiles in the middle of the room for different positions of inlet and outlet

由圖5可知，送風口高度越低，越有利于送風能量的利用，室內(nèi)溫度分布越均勻，2 m以下的工作區(qū)溫度越高；送風口位置一定時，下回風比上回風更有利于工作區(qū)域和房間整體溫度的改善.回風口位置下移至人員活動空間產(chǎn)生的溫度提高效應(yīng)在送風口高度為6.5 m時僅1.2℃左右，而在送風口高度為8.5 m時接近4℃，同時，房間內(nèi)沿高度的溫度梯度大幅度減小.可以認為，送風口位置越高，下回風對下部空間溫度的提高作用越顯著.

在不同工況下，房間整體平均溫度和人體所在空間平均溫度的模擬結(jié)果如圖6所示.由圖6可知，盡管房間內(nèi)表面溫度相同，送風速度和溫度相同（即進入室內(nèi)熱量相同），但不同送回風口位置對應(yīng)的室內(nèi)熱環(huán)境狀況卻不同.若回風方式不同，則下回風時，室內(nèi)溫度和人員活動空間平均溫度較高，表明上送下回送風方式的供暖能量的利用率高于上送上回.回風方式相同時，送、回風口位置越低，室內(nèi)和人員活動的空間溫度越高，表明供暖能量的利用率隨著送、回風口位置降低而升高.

圖6 房間整體和2 m以下空間平均溫度的比較Fig.6 Comparisons of average temperatures in the whole room and in the zone below 2 m

送風能量在供暖房間的利用情況，可以用能量利用系數(shù)η來衡量，其表達式為

式中：ts為送風口平均溫度，℃；tp為房間整體平均溫度，℃；t2m為室內(nèi)2 m以下空間平均溫度，℃.熱風中到達2 m以下空間的能量越多，該空間的平均溫度越高，人體對送風能量的利用程度越高.由式（1）可知，η越大表明能量利用越好.

圖7給出了送、回風口在不同位置時的能量利用系數(shù)η.由圖7可以發(fā)現(xiàn)，回風口位置一定時，能量利用系數(shù)隨著送風口高度的增加而下降；對于相同的送風口高度，下回風的能量利用系數(shù)η略大于上回風情況；送風口位置對能量利用系數(shù)的影響作用遠大于回風口位置的影響.

圖7 不同送、回風口位置時供暖能量利用系數(shù)Fig.7 Comparison of the heating energy-using coefficients with different positions of inlet and outlet

2.2 送、回風口位置對人員舒適性的影響

由于流經(jīng)人體的氣流速度和溫度共同影響著人體熱舒適，圖8給出了送、回風口位置不同時房間中心處氣流速度沿高度方向的分布情況.

圖8 不同送、回風高度時房間中心流速垂直分布Fig.8 Vertical profiles of air velocity in the middle of the room for different positions of inlet and outlet

由圖8可見，下回風時，送風口高度對房間上部空間的風速有較大影響，但對2 m以下人員活動空間幾乎沒有作用.不同送風口高度時，下部空間的風速均較低，在0.05 m／s以下.下回風時，人員所在空間的氣流速度明顯大于相應(yīng)的上回風情況.這表明，下回風雖然有利于將供暖熱氣流引入人員活動空間，但可能會增大下部區(qū)域的風速，而較高的風速可能造成令人不舒適的吹風感.

為此，引入有效溫度差ΔTE來評價空氣溫度和風速對熱舒適感覺的綜合作用.ΔTE可表示為

式中：Ti和T n分別為工作區(qū)某點的空氣溫度（假定內(nèi)壁面溫度等于空氣溫度）和給定的室內(nèi)溫度，K；ui為工作區(qū)某點的風速，m／s.當 ΔTE＝ -1.7～＋1.1 K［6］時多數(shù)人感到舒適.

根據(jù)式（2）得到的結(jié)果，圖9給出了房間中心處ΔTE沿高度的分布情況.由圖9可知，由于受熱浮力影響，房間上部非人員活動空間的ΔTE均大于下部人員活動區(qū)域的ΔTE，且某些工況下遠遠超過ΔTE的熱舒適上限，顯然，存在能量浪費的可能.隨著送、回風口高度的增加，2 m以下空間的ΔTE下降.當風口標高提高到z＝8.5 m且上回風時，ΔTE遠小于熱舒適下限，這種情況下，即使以高能耗為代價，也難以達到人員活動區(qū)域的熱舒適要求.

圖9 不同送、回風高度時房間中心ΔTE的垂直分布Fig.9 Variations ofΔTE with the height in the middle of the room for different positions of inlet and outlet

3 結(jié) 語

高大空間熱風供暖若采用分層送風氣流組織，可以將更多的熱量送入人員活動空間.風口位置是影響分層供暖能耗和熱舒適性的主要因素之一.本文利用數(shù)值模擬的方法，對典型尺寸的大空間內(nèi)部溫度和氣流分布進行了量化討論，分析了送、回風口高度對室內(nèi)熱環(huán)境和供暖能量利用系數(shù)的影響.結(jié)論如下：

（1）送風口位置越低，供暖能量在房間下部區(qū)域的利用率越高，相同的負荷與送風條件下，人員所在空間的溫度和熱舒適性越高.下回風可以提高送風氣流直接進入人員活動空間的比例，送風口位置越高，下回風對下部空間溫度和能量利用系數(shù)的增益作用越顯著；

（2）下回風時，人員活動空間的氣流速度明顯大于相對應(yīng)的上回風情況，但不會對人體空間熱舒適造成明顯影響；

（3）高大空間內(nèi)上、下區(qū)域的溫差隨送風口高度的增加而增大，所產(chǎn)生供暖能耗也相應(yīng)增大.當送風口位置提高到8.5 m且上回風時，有效溫差遠遠小于熱舒適下限，即使以高能耗為代價，也可能難以滿足人員活動區(qū)域的熱舒適要求.

給出可以供設(shè)計人員直接使用的定量結(jié)論是研究的最終目標，但由于大空間尺度范圍寬泛，需要對各種尺度的大空間分別進行大量研究，這些都將在隨后的研究中展開.

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Effects of the Heights of Air Inlet and Outlet on Warm-Air Heating Systems in Large-Height Spaces

ZHONGKe，WANGXin-wei，HUAFeng-jiao，KANGYan-ming

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

Stratification of indoor air flow can be employed to improve energy efficiency and thermal comfort in large-height spaces.In order to estimate the effectiveness by using such air flow patterns for room heating，numerical simulations have been carried out for exploring the effects of the heights of air inlet and outlet on the indoor thermal environment，and the numerical scheme is validated by test data.The results show that the energy carried by the incoming warm air can be used with high efficiency when the supply inlet is situated at the lower part of the space in warm air systems.When the height of the inlet is increased to more than 8.5 m in a‘top-return’system，the indoor thermal conditions would not match the requirements of the occupants'thermal comfort even if high energy consumption is available.The energy-using coefficient is discussed for different cases by using the numerical results，and some recommendations are given for the energy saving in space heating by warm air and the improvement of indoor thermal environment in winter.

large-height space；warm air heating；energy-using coefficient；indoor thermal environment

TU 831.3

A

2013-06-19

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

鐘 珂（1964—），女，四川成都人，教授，博士，研究方向為建筑環(huán)境與節(jié)能.E-mail：zhongkeyx＠dhu.edu.cn

1671-0444（2014）03-0334-05