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(fēng)口位置高度對(duì)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(fēng)供暖的節(jié)能性和熱舒適效果.為估計(jì)這種氣流方式對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果,在利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,通過數(shù)值模擬探討了大空間送、回風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響.研究結(jié)果表明:送風(fēng)口位置位于較低的位置時(shí),熱風(fēng)供暖的能量在這種房間下部區(qū)域的利用率較高;當(dāng)送風(fēng)口位置增加到8.5 m且上回風(fēng)時(shí),即使以高能耗為代價(jià),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(duì)不同情況下的供暖能量利用系數(shù)做了分析,并對(duì)改善大空間冬季熱風(fēng)供暖的節(jié)能和熱舒適性給出了一些建議.
高大空間;熱風(fēng)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(duì)較低的房間[1-3].對(duì)于高大空間而言,采用這種方法會(huì)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(dòng)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(fēng)供暖房間下部區(qū)域的溫度和送風(fēng)能量利用率,文獻(xiàn)[7]在相同能耗條件下,研究了房間尺寸、墻面溫度等因素對(duì)熱風(fēng)供暖氣流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響.文獻(xiàn)[8]則針對(duì)熱空氣聚集在遠(yuǎn)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(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果.
高大空間若采用熱風(fēng)供暖,可以通過合理的氣流組織,將送風(fēng)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(fēng)供暖的能量利用與送、回風(fēng)口的位置密切相關(guān),本文將對(duì)大空間不同送、回風(fēng)口高度下的熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬,以分析風(fēng)口高度對(duì)室內(nèi)供暖區(qū)熱環(huán)境的影響,并對(duì)人體空間的熱舒適情況進(jìn)行分析.
以一個(gè)高大的房間為物理模型進(jìn)行研究,房間的幾何尺寸為長(zhǎng)(x)×寬(y)×高(z)=20 m×18 m×9 m.考慮到房間的對(duì)稱性,模型可簡(jiǎn)化為一半房間,以節(jié)省模擬計(jì)算成本.供暖時(shí)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(fēng)口和回風(fēng)口,如圖1所示.
圖1 高大空間計(jì)算區(qū)域與送、回風(fēng)口布置Fig.1 Computational domain of the large-height space and the locations of inlet and outlet
送風(fēng)口尺寸為0.3 m×0.3 m(共7個(gè)),送風(fēng)口間距為3 m;回風(fēng)口尺寸為0.3 m×0.4 m(共4個(gè)),回風(fēng)口間距為6 m,靠邊的送、回風(fēng)口距墻內(nèi)表面1 m.送風(fēng)口高度分別為4.5,6.5和8.5 m,回風(fēng)口高度比送風(fēng)口低0.5 m(上回風(fēng)方式)或高于地面0.5 m(下回風(fēng)方式).
本文主要研究熱風(fēng)供暖時(shí)房間內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布,而室內(nèi)熱源如人、燈和電腦等對(duì)房間供熱有利,但對(duì)氣流和溫度的局部分布的影響很?。?],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(duì)于外墻和屋頂非常小,因此,在模擬計(jì)算中設(shè)地板為絕熱表面.建筑熱工設(shè)計(jì)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(jì)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(shí),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(fēng)滲透也是供暖房間冬季熱負(fù)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(jì)算中不考慮冷風(fēng)滲透造成的熱損失.空調(diào)送風(fēng)溫度為26℃,送風(fēng)方向?yàn)橄蛳?0°送風(fēng),送風(fēng)風(fēng)速為3.2 m/s.由于送風(fēng)口法線方向垂直于墻面,因此,法線速度為2.8 m/s,每個(gè)風(fēng)口的送風(fēng)量為0.25 m3/s.
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(shí)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(fēng)口和墻體附近的網(wǎng)格采用加密處理.數(shù)值計(jì)算中,控制方程的離散化選用二階迎風(fēng)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(fēng)口設(shè)為Velocity-inlet類型,回風(fēng)口定義為outflow.
為保證數(shù)值模擬方法在分析大空間熱風(fēng)供暖室內(nèi)熱環(huán)境的可靠性,需要先驗(yàn)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(jìn)行了熱風(fēng)供暖實(shí)驗(yàn),對(duì)室內(nèi)的溫度和速度分布進(jìn)行了實(shí)測(cè).人工氣候室放置了4個(gè)測(cè)桿,每個(gè)測(cè)桿在高度方向設(shè)置了7個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)布置情況如圖2所示.氣溫測(cè)量采用Humlog 20型溫度儀,分辨率為0.1℃.氣流速度的測(cè)量采用意大利Detla公司的萬向風(fēng)速儀,測(cè)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(shí)測(cè)在完全穩(wěn)定的條件下進(jìn)行,本文測(cè)量持續(xù)時(shí)間為5~6 h,直至室內(nèi)空氣溫度和壁面溫度的波動(dòng)范圍小于±0.5℃.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均取自穩(wěn)定狀態(tài)的實(shí)測(cè)值.
應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了模擬計(jì)算,圖3給出了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與1號(hào)和2號(hào)測(cè)桿實(shí)測(cè)結(jié)果的比較,另外兩測(cè)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(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間吻合較好,因此,本文所使用的數(shù)值計(jì)算方法是可靠的.
圖2 人工氣候室測(cè)點(diǎn)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(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比Fig.3 Comparison of the calculated results and experimental data of the vertical temperature and velocity profiles
通過房間中心軸的縱剖面(即y=9 m對(duì)稱面)、穿過送風(fēng)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(cè)室內(nèi)供暖情況的典型面,為此,在送、回風(fēng)口在不同高度時(shí),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(fēng)射流在熱浮力作用下,運(yùn)動(dòng)軌跡不再保持直線,越遠(yuǎn)離送風(fēng)口,送風(fēng)動(dòng)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(kuò)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(fēng)口在4.5 m時(shí),高溫?zé)釟饬髂軌蛑苯舆M(jìn)入2 m以下人的活動(dòng)區(qū)域,室內(nèi)溫度分布較均勻;當(dāng)送、回風(fēng)口位置升高到8.5 m時(shí),送風(fēng)熱氣流在2 m以上空間就開始出現(xiàn)彎曲上浮,送風(fēng)熱量不能直接進(jìn)入人員活動(dòng)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(dá)6℃.
由圖4(c)可以看到,當(dāng)送風(fēng)口位置仍在8.5 m處,但回風(fēng)口設(shè)在房間下部時(shí),送風(fēng)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(fēng)口排出,盡管仍會(huì)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(shí)際條件允許的情況下,下回風(fēng)口方式更有利于實(shí)現(xiàn)人員工作區(qū)的溫度要求.
在送風(fēng)高度及回風(fēng)位置不同時(shí),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(fēng)口高度不同時(shí)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(fēng)口高度越低,越有利于送風(fēng)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(fēng)口位置一定時(shí),下回風(fēng)比上回風(fēng)更有利于工作區(qū)域和房間整體溫度的改善.回風(fēng)口位置下移至人員活動(dòng)空間產(chǎn)生的溫度提高效應(yīng)在送風(fēng)口高度為6.5 m時(shí)僅1.2℃左右,而在送風(fēng)口高度為8.5 m時(shí)接近4℃,同時(shí),房間內(nèi)沿高度的溫度梯度大幅度減小.可以認(rèn)為,送風(fēng)口位置越高,下回風(fēng)對(duì)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(fēng)速度和溫度相同(即進(jìn)入室內(nèi)熱量相同),但不同送回風(fēng)口位置對(duì)應(yīng)的室內(nèi)熱環(huán)境狀況卻不同.若回風(fēng)方式不同,則下回風(fēng)時(shí),室內(nèi)溫度和人員活動(dòng)空間平均溫度較高,表明上送下回送風(fēng)方式的供暖能量的利用率高于上送上回.回風(fēng)方式相同時(shí),送、回風(fēng)口位置越低,室內(nèi)和人員活動(dòng)的空間溫度越高,表明供暖能量的利用率隨著送、回風(fēng)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(fēng)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(dá)式為
式中:ts為送風(fēng)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(fēng)中到達(dá)2 m以下空間的能量越多,該空間的平均溫度越高,人體對(duì)送風(fēng)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(fēng)口在不同位置時(shí)的能量利用系數(shù)η.由圖7可以發(fā)現(xiàn),回風(fēng)口位置一定時(shí),能量利用系數(shù)隨著送風(fēng)口高度的增加而下降;對(duì)于相同的送風(fēng)口高度,下回風(fēng)的能量利用系數(shù)η略大于上回風(fēng)情況;送風(fēng)口位置對(duì)能量利用系數(shù)的影響作用遠(yuǎn)大于回風(fēng)口位置的影響.
圖7 不同送、回風(fēng)口位置時(shí)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
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(fēng)口位置不同時(shí)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(fēng)高度時(shí)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(fēng)時(shí),送風(fēng)口高度對(duì)房間上部空間的風(fēng)速有較大影響,但對(duì)2 m以下人員活動(dòng)空間幾乎沒有作用.不同送風(fēng)口高度時(shí),下部空間的風(fēng)速均較低,在0.05 m/s以下.下回風(fēng)時(shí),人員所在空間的氣流速度明顯大于相應(yīng)的上回風(fēng)情況.這表明,下回風(fēng)雖然有利于將供暖熱氣流引入人員活動(dòng)空間,但可能會(huì)增大下部區(qū)域的風(fēng)速,而較高的風(fēng)速可能造成令人不舒適的吹風(fēng)感.
為此,引入有效溫度差ΔTE來評(píng)價(jià)空氣溫度和風(fēng)速對(duì)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(diǎn)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(diǎn)的風(fēng)速,m/s.當(dāng) ΔTE= -1.7~+1.1 K[6]時(shí)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(dòng)空間的ΔTE均大于下部人員活動(dòng)區(qū)域的ΔTE,且某些工況下遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過ΔTE的熱舒適上限,顯然,存在能量浪費(fèi)的可能.隨著送、回風(fēng)口高度的增加,2 m以下空間的ΔTE下降.當(dāng)風(fēng)口標(biāo)高提高到z=8.5 m且上回風(fēng)時(shí),ΔTE遠(yuǎn)小于熱舒適下限,這種情況下,即使以高能耗為代價(jià),也難以達(dá)到人員活動(dòng)區(qū)域的熱舒適要求.
圖9 不同送、回風(fēng)高度時(shí)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
高大空間熱風(fēng)供暖若采用分層送風(fēng)氣流組織,可以將更多的熱量送入人員活動(dòng)空間.風(fēng)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(duì)典型尺寸的大空間內(nèi)部溫度和氣流分布進(jìn)行了量化討論,分析了送、回風(fēng)口高度對(duì)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(fēng)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(fù)荷與送風(fēng)條件下,人員所在空間的溫度和熱舒適性越高.下回風(fēng)可以提高送風(fēng)氣流直接進(jìn)入人員活動(dòng)空間的比例,送風(fēng)口位置越高,下回風(fēng)對(duì)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(fēng)時(shí),人員活動(dòng)空間的氣流速度明顯大于相對(duì)應(yīng)的上回風(fēng)情況,但不會(huì)對(duì)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(fēng)口高度的增加而增大,所產(chǎn)生供暖能耗也相應(yīng)增大.當(dāng)送風(fēng)口位置提高到8.5 m且上回風(fēng)時(shí),有效溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱舒適下限,即使以高能耗為代價(jià),也可能難以滿足人員活動(dòng)區(qū)域的熱舒適要求.
給出可以供設(shè)計(jì)人員直接使用的定量結(jié)論是研究的最終目標(biāo),但由于大空間尺度范圍寬泛,需要對(duì)各種尺度的大空間分別進(jìn)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51278094);上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)資助項(xiàng)目 (13ZZ054)
鐘 珂(1964—),女,四川成都人,教授,博士,研究方向?yàn)榻ㄖh(huán)境與節(jié)能.E-mail:zhongkeyx@dhu.edu.cn
1671-0444(2014)03-0334-05
東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2014年3期