熱風供暖房間吊扇對溫度垂直分布的影響

王時雨 亢燕銘

東華大學環(huán)境科學與工程學院

熱風供暖房間吊扇對溫度垂直分布的影響

王時雨 亢燕銘

東華大學環(huán)境科學與工程學院

冬季熱風供暖房間由于空調系統(tǒng)參數(shù)的不合理以及熱空氣的上浮，工作區(qū)溫度往往達不到要求。為提高熱舒適，一個有效措施是開啟辦公室吊扇來驅使貼附在房間頂棚位置的熱空氣向下運動。本實驗針對上海某辦公室，研究了不同工況吊扇開啟前后室內垂直方向不同高度測點溫度的變化。實驗結果表明：吊扇開啟后工作區(qū)溫度明顯升高，室內溫度梯度減小，熱量利用率大幅提升，節(jié)能效果顯著。

熱風供暖熱舒適吊扇溫度梯度節(jié)能效果

0 引言

風機盤管空調系統(tǒng)設計時通常只考慮夏季供冷，然后校核冬季供熱，粗略的空調系統(tǒng)設計會導致冬季送風參數(shù)的不合理。同時，熱風供暖房間由于熱空氣的上浮導致垂直方向溫度梯度過大，室內人員靜坐工作時會有冷感，對熱舒適和熱量利用率造成不良的影響[1～2]。集中供熱系統(tǒng)調節(jié)不當造成的能量浪費有時高達總供熱量的20%～30%[3]。文獻[4]中利用空氣循環(huán)將房間上部熱空氣轉移到工作區(qū)，但是重新改造空調系統(tǒng)工程量很大并且難以實現(xiàn)。文獻[5]研究了高大空間建筑中分層空調的應用，但不能對常見辦公室供暖提供有效的參考。為提高熱舒適，很多人會打開辦公室吊扇來驅使貼附在房間頂棚位置的熱空氣向下運動。吊扇開啟后形成機械通風，穩(wěn)定且便于控制，有利于提高熱舒適和空氣品質[6]。

本文研究了華東地區(qū)某辦公室在不同送風速度下吊扇開啟前后垂直方向溫度梯度的變化以及對熱舒適的影響，并針對其中一種工況定量分析了溫度變化值和達到的節(jié)能效果，對工程實際應用具有一定的參考意義。

1 實驗布置和工況介紹

實驗實測了華東地區(qū)某高校辦公室冬季集中供暖時的室內熱環(huán)境，送風方式是風機盤管側送風，空調機組為直燃式溴化鋰機組。此辦公室位于頂樓，東、西兩側隔壁房間均為供暖房間，南墻外側是內走道，北墻為外墻，窗墻比約為82%。房間尺寸為5.4m×3.6m× 4.0m（長×寬×高）。

本實驗在房間中心位置同一垂直線上均勻布置6個測點，布點高度分別為0.0m、0.8m、1.6m、2.4m、3.2m、4.0m，每個測點均有一臺溫濕度CO2測量儀。另外送、回風口也各布置一臺溫濕度CO2測量儀，儀器型號為Humlog20，溫度分辨率0.1℃，采樣時間間隔為30s，記錄數(shù)據時間間隔為1min。

實驗對辦公室的四種工況進行了測量，四種工況如表1所示。

表1 實驗工況特性參數(shù)

表1中所示四種工況房間初始溫度可以認為都是20℃，此初始溫度在辦公室建筑室內環(huán)境控制參數(shù)范圍內，符合常見集中供暖辦公室的作息規(guī)律和溫度變化規(guī)律[7]。

2 實測溫度隨時間變化

表1列出的四種工況下溫度隨時間變化曲線如圖1至圖4所示。

圖1 A工況空氣溫度實測結果

圖2 B工況空氣溫度實測結果

圖3 C工況空氣溫度實測結果

圖4 D工況空氣溫度實測結果

如圖1至圖4所示，待室內熱環(huán)境相對穩(wěn)定后打開吊扇，可以明顯觀測到房間上半部空間非工作區(qū)的溫度急劇下降。與此同時，房間下半部空間工作區(qū)的溫度會明顯提高，地面處測點的溫度甚至升高超過7℃。吊扇開啟后不同高度測點溫度逐漸趨于一致，說明垂直方向溫度梯度減小，開啟吊扇的效果顯著。當?shù)跎汝P閉后，不同高度測點之間的溫度差值重新增加，直至中央空調停止供暖。因送風速度和吊扇開啟時間不同，四種工況的溫度實測結果存在一定差異。

3 室內熱環(huán)境和節(jié)能效應分析

3.1混合階段和非混合階段的室內熱環(huán)境

定義開啟吊扇期間為混合階段，不開啟吊扇期間為非混合階段。同時規(guī)定房間2m以上高度空間為非工作區(qū)，2m以下高度空間為工作區(qū)。在非混合階段，近似認為溫度達到峰值溫度的90%時為穩(wěn)定期。以D工況為例，分別計算D工況混合階段和非混合階段穩(wěn)定期工作區(qū)和非工作區(qū)的平均溫度、工作區(qū)和非工作區(qū)的溫差以及頭足溫差。頭部高度設為1.8m，腳部高度設為0.1m，則頭足高度差為1.7m。將混合階段的溫度、溫差除以非混合階段的溫度、溫差得到相對溫度值，可以便于分析溫度的相對變化。實測數(shù)據和分析結果如圖5所示。

從圖5可看出，非混合階段工作區(qū)溫度過低，不足17℃，不滿足文獻[8]規(guī)定的舒適性空調冬季室內計算參數(shù)，并且頭足溫差超過3℃，超出了室內人員對熱舒適要求的最大允許限值[9]?；旌想A段非工作區(qū)和工作區(qū)的溫差顯著減小，說明有更多的熱量到達工作區(qū)，熱量利用率提高。同時混合階段工作區(qū)的溫度明顯升高，頭足溫差不足1℃，說明溫度分布更加均勻合理，室內熱環(huán)境也更加舒適。吊扇開啟后人員工作區(qū)的平均風速為0.18m/s，滿足文獻[8]中對冬季采暖建筑活動區(qū)風速的要求，室內工作人員沒有出現(xiàn)明顯的不適現(xiàn)象。

圖5 兩個階段穩(wěn)定期溫度對比

3.2混合階段和非混合階段非工作區(qū)的能量浪費

大型公共建筑中空調能耗占用建筑總能耗的40%～60%[10]，空調系統(tǒng)的節(jié)能潛力是巨大的，因此有必要分析能使辦公室建筑達到節(jié)能的措施及其具體的節(jié)能效應。供熱時理想的室內熱環(huán)境應該是非工作區(qū)溫度t1和工作區(qū)溫度t2相同，但工程實際中由于熱空氣的上浮以及空調系統(tǒng)參數(shù)設計不合理，非工作區(qū)溫度t1會比工作區(qū)溫度t2高很多，而t1對工作人員的熱舒適并無影響，因此會造成大量的能量浪費。本實驗中北墻窗墻比較大，是產生室內熱負荷的主要原因，若忽略鄰室傳熱只考慮北墻散熱，可以通過式（1）來計算混合階段和非混合階段非工作區(qū)實際增加的能量消耗Qex。

式中：K是北墻傳熱系數(shù)，本研究中取4.7W/(m2·K)；F1是非工作區(qū)北墻的面積，實際測得為7.2m2。所得結果如圖6所示。

從圖6可以看出，與混合階段相比，非混合階段會額外損失很多熱量，非混合階段比混合階段多消耗的熱量為210W，即使混合階段吊扇的功率是80W，無論從節(jié)能還是熱舒適角度來分析，開啟吊扇是極為有效的。

圖6 混合階段和非混合階段能耗分析

4 結論

本文對上海地區(qū)某辦公室吊扇開啟前后室內垂直方向不同高度測點溫度隨時間的變化進行了實測，分析得出以下結論：

1）吊扇未開啟時的非混合階段工作區(qū)溫度過低，并且頭足溫差較大，難以達到熱舒適，同時非工作區(qū)溫度過高，不符合節(jié)能要求；

2）吊扇開啟后的混合階段非工作區(qū)和工作區(qū)溫差顯著減小，工作區(qū)溫度明顯升高，頭足溫差不足1℃，熱環(huán)境更加合理、舒適；

3）與非混合階段相比，混合階段的節(jié)能效果顯著，可以在此基礎上降低送風溫度以提高空調機組效率并節(jié)省更多能量。

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The Influe nc e of Ce iling Fa ns on Ve rtic a l Te m pe ra ture Dis tribution in Hot Air He a ting Room s

WANG Shi-yu,KANG Yan-ming
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

Because of the unsuitable parameters of air conditioning system and floating of hot air,the temperature of occupied space usually cannot meet the requirement in a hot air heating room.An effective method to improve thermal comfort is opening the ceiling fans,so that roof-attachment hot air can be driven downward.The present experiment discussed the variation of vertical temperature under different operation conditions,which was measured in an actual office in Shanghai.Experimental results showed that the temperature in occupied space rose obviously and temperature gradient reduced.It meant that coefficient of utilization promoted greatly and energy-saving effect was significant.

hot air heating,thermal comfort,ceiling fan,temperature gradient,energy-saving effect

1003-0344（2014）06-019-3

2013-8-21

王時雨（1992～），男，碩士研究生；上海市松江區(qū)人民北路2999號東華大學環(huán)境科學與工程學院5135室（201620）；021-67792554；

E-mail:napolun1992@sina.com

國家自然科學基金資助項目（No.40975093）