送風(fēng)速度對夏熱冬冷地區(qū)辦公室供暖效果的影響

王時雨，亢燕銘，鐘 珂

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

送風(fēng)速度對夏熱冬冷地區(qū)辦公室供暖效果的影響

王時雨，亢燕銘，鐘 珂

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

夏熱冬冷地區(qū)在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中一般以夏季工況為主，故可能造成冬季供暖能耗浪費且室內(nèi)溫度無法滿足人體熱舒適要求.針對上海一實際辦公室在不同送風(fēng)速度下對冬季室內(nèi)熱環(huán)境進行了實測.實測結(jié)果表明：夏熱冬冷地區(qū)建筑窗墻面積比過大和送風(fēng)參數(shù)的不當(dāng)設(shè)置，使送風(fēng)熱量難以到達人員所在空間，導(dǎo)致室內(nèi)上部與下部空間溫差過大和加熱過程中存在能源浪費.盡管提高送風(fēng)速度不能徹底解決人體頭－足溫差過大的問題，但可以減小因溫度分布不均勻造成的熱負荷增加量，改善人體熱舒適和實現(xiàn)節(jié)能效應(yīng).

夏熱冬冷地區(qū)；室內(nèi)熱環(huán)境；送風(fēng)速度；節(jié)能效應(yīng)

夏熱冬冷地區(qū)冬季室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性通常通過熱風(fēng)集中供暖方式來保證.相對于北方地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)的夏季漫長炎熱，但冬季時間較短.因此，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計以夏季供冷要求為主，冬季用同一系統(tǒng)供熱時，熱風(fēng)供暖的效果往往沒有充分考慮.由于夏熱冬冷地區(qū)建筑的重要特征是窗墻面積比遠大于北方建筑［1－2］，使得冬季空調(diào)送風(fēng)設(shè)計中的缺陷被放大的可能性增加.在上海地區(qū)某些辦公室甚至出現(xiàn)冬季開吊扇，以便將聚集在頂棚附近的熱空氣輸送到房間下部工作區(qū)的情形.

冬季送入室內(nèi)的熱空氣在浮力作用下將上浮，導(dǎo)致室內(nèi)上下部區(qū)域的溫差最高達6℃左右［3］.房間上部氣溫過高不僅嚴重影響人體熱舒適和熱風(fēng)能量利用率［4］，也會因室內(nèi)外溫差過大而增加房間熱負荷，從而導(dǎo)致供暖能量的浪費.即使在無設(shè)計缺陷的熱風(fēng)供暖房間，如何降低室內(nèi)上下空間的空氣溫差通常也是設(shè)計難點之一.文獻［5］在相同能耗條件下，研究了房間尺寸和墻面溫度等因素對熱風(fēng)供暖氣流流動的影響和提高房間下部區(qū)域溫度的方法.文獻［6］研究了通過空氣循環(huán)將聚集在頂棚下方的熱空氣輸送到工作區(qū)的途徑.

為滿足辦公室使用時間靈活性的要求，大多數(shù)辦公室的空調(diào)系統(tǒng)都采用風(fēng)機盤管送風(fēng).這種情況下，通過控制室內(nèi)壁面溫度［3，5］和氣流循環(huán)路線［6］來引導(dǎo)熱氣流進入房間下部空間的可能性就大大降低.因此，在使用風(fēng)機盤管的房間內(nèi)，適當(dāng)?shù)乃惋L(fēng)參數(shù)是空調(diào)熱風(fēng)能夠到達房間下部空間的保證.為此，本文在不同送風(fēng)速度下，對上海地區(qū)某辦公樓的室內(nèi)熱環(huán)境進行了實測，并分析了室內(nèi)不合理熱環(huán)境形成的原因，以便為改善夏熱冬冷地區(qū)室內(nèi)熱環(huán)境、降低冬季室內(nèi)熱風(fēng)供暖能耗提供參考依據(jù).

1 實測房間選取與測點布置

實測所選的上海地區(qū)某辦公樓在冬季供暖期間，送風(fēng)方式為上供上回.工作時段，通常打開房間的吊扇加強對流，以提高下部人員工作區(qū)的空氣溫度.為分析形成上熱下冷現(xiàn)象的空調(diào)系統(tǒng)可能存在的設(shè)計缺陷，本文在冬季供暖期間，對其中一個房間的室內(nèi)熱環(huán)境進行實測，分別測量不同送風(fēng)參數(shù)下室內(nèi)空氣溫度分布，以分析送風(fēng)參數(shù)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響.

所選辦公室為中間樓層、中間位置北向房間，房間尺寸為5.4m×3.6m×3.8m（長×寬×高），如圖1所示.圖1（a）為北側(cè)辦公室側(cè)視剖面圖，北墻為外墻（圖1（a）右側(cè)墻）.被測房間采用風(fēng)機盤管側(cè)送風(fēng)，送風(fēng)口百葉處于水平狀態(tài).房間北側(cè)有大面積的玻璃窗和玻璃門.室內(nèi)有一人長期辦公，室內(nèi)人員間歇性活動并正常出入辦公室.

實測時，在辦公室內(nèi)共布置14個測點，測點位置如圖1所示.圖1（a）所示各測點均布置在辦公室的中軸線上，測點1～6測定垂直方向溫度梯度；測點7，5，8和9測定水平方向溫度分布，4個測點的布點高度均為0.8m，即一般情況下人員靜坐時的高度.測點12～14為輔助測點，測點10和11分別測定送風(fēng)溫度和回風(fēng)溫度.采用825－T2型紅外溫度儀實測房間墻面溫度，每間隔1h測量墻面中間位置和靠近角落的4個點（距離墻邊各1m）的溫度，然后取其平均值作為墻面溫度.采用Humlog－20型溫濕度儀測量空氣溫度，量程為－20～50℃，精度為±0.3℃，溫度分辨率為0.1℃，采樣記錄數(shù)據(jù)的時間間隔為1min.采用TSI公司9535型風(fēng)速儀測量風(fēng)口風(fēng)速，量程為0～30m／s，精度為±3%，風(fēng)速分辨率為0.01m／s.

圖1 實測房間與測量點位置示意圖（單位：m）Fig.1 Schematic diagram of the test room and sampling point arrangement（unit：m）

實測過程中，風(fēng)機盤管輸入功率不變，通過改變送風(fēng)口的面積來改變送風(fēng)速度，同時，調(diào)整回風(fēng)口的面積來保證每個工況的通風(fēng)阻力基本恒定.試驗準備階段已將送風(fēng)口、回風(fēng)口分成等面積的5份，用硬紙板封住部分風(fēng)口以控制和調(diào)節(jié)送風(fēng)速度，如圖2所示.

圖2 風(fēng)口面積調(diào)整示意圖Fig.2 Adjustment of the inlet／outlet area

供暖初期，室內(nèi)空氣溫度未穩(wěn)定時，四周壁面，特別是落地窗表面的輻射作用影響很大.為避免壁面輻射熱對實測的干擾，每個工況的持續(xù)時間為大樓供暖時間（8：30—19：00），并在實測前（8：10）開啟吊扇和房間門，使室內(nèi)空氣混合均勻并保持在15℃左右（即圖1中測點1～6的平均值）時開始測量，同時在熱風(fēng)供暖停止之前（18：00）開啟吊扇，混合室內(nèi)空氣，獲得室內(nèi)平均溫度.

2 實測結(jié)果與分析

針對表1所示的4種工況，在所選辦公室內(nèi)進行實測.A，B，C代表的3種工況送風(fēng)量基本相同，D工況由于送風(fēng)口部位擋住了送風(fēng)射流，產(chǎn)生了較大阻力，故送風(fēng)量明顯小于其他工況.

表1 實測工況的主要參數(shù)Table 1 Main parameters for different test conditions

2.1 室內(nèi)溫度的時間與空間分布

圖3為工況A的溫度測量結(jié)果.由圖3可知，所有高度的測點都在9：00左右開始達到基本穩(wěn)定狀態(tài).但不同高度測點的溫度曲線隨時間的增長幅度不同，高度越大的測點溫度上升幅度越大.在實測工作即將結(jié)束時，即18：10開啟吊扇，混合室內(nèi)空氣，此時不同高度測點的溫差迅速減小，至18：30左右溫度趨于一致.再次關(guān)閉風(fēng)扇后，不同高度測點溫差重新變大，可見空氣熱浮力作用非常顯著.由表1可知，各工況的送風(fēng)與回風(fēng)溫差都在20℃左右，大溫差形成的熱浮力使得每種工況都表現(xiàn)出上述特征.

圖3 不同高度處空氣溫度隨時間變化曲線Fig.3 Variations of air temperature with time at different height

圖4為工況A中墻面溫度隨著時間變化的實測結(jié)果.圖4的結(jié)果表明，自上午測量開始，墻面溫度基本呈上升趨勢，只有北墻溫度受室外環(huán)境影響較大，在16：30后溫度略微降低.

圖4 實測房間內(nèi)側(cè)墻面溫度隨時間變化曲線Fig.4 Variations of the wall temperature with time in the test room

由圖3還可以看到，室內(nèi)空氣迅速升溫達到熱平衡后，溫度開始緩慢上升.設(shè)房間最上部的測點溫度達到最大值的90%后為穩(wěn)定狀態(tài)，并對穩(wěn)定期間的溫度數(shù)據(jù)取平均值.每種工況的全室平均溫度不完全相同，為便于比較，需要將溫度無量綱化處理.

由于不同工況時溫度水平分布的最大值出現(xiàn)在相同位置，本文將各個測點的溫度除以同一工況中的溫度最大值定義為無量綱溫度.圖5為不同工況時無量綱溫度的水平分布曲線.可以看到，所有送風(fēng)速度下，外窗和門附近的氣溫都明顯低于房間中心位置的溫度.門附近區(qū)域溫度較低是由人員出入時的冷風(fēng)滲入所致.由圖5可知，當(dāng)送風(fēng)速度提高到3.2m／s（對應(yīng)工況B）以上時，送風(fēng)速度對門附近的氣溫基本無影響.外窗附近區(qū)域氣溫較低的原因是溫度過低的玻璃表面通過對流換熱冷卻附近空氣，繼而冷空氣下沉至地面，造成該區(qū)域溫度偏低.由圖5還可知，隨著送風(fēng)速度提高，外窗附近的空氣溫度明顯提高，在送風(fēng)速度較大的工況D，甚至出現(xiàn)了近窗處溫度高于近門處的情況，表明較大的送風(fēng)速度可以克服玻璃窗冷表面對室內(nèi)熱舒適的不利影響，形成相對均勻的溫度水平分布.

圖5 不同工況下水平方向各測點的無量綱溫度Fig.5 Dimensionless temperatures of horizontal test points under different operating conditions

類似地分析各工況下溫度的垂直分布特征.由于不同工況的溫度最小值出現(xiàn)位置相同，所以將各個測點的溫度除以該工況對應(yīng)的溫度最小值，得到無量綱溫度隨高度變化的曲線，如圖6所示.

圖6 不同工況下高度方向各測點的無量綱溫度Fig.6 Dimensionless temperatures of vertical test points under different operating conditions

圖6表明，送風(fēng)速度越大，高度方向的無量綱溫度梯度越小.這說明增大送風(fēng)速度，有利于送風(fēng)熱量進入房間下部空間，從而有效改善人員工作區(qū)熱環(huán)境.

為了分析送風(fēng)速度對室內(nèi)溫度隨時間變化規(guī)律的影響，定義空氣溫度隨時間的變化速率ε為式中：Δt為每Δτ時間間隔的溫度變化，℃；Δτ為時間間隔，本文中取0.5h；ts為送風(fēng)溫度，℃；to為房間初始溫度，℃.將室內(nèi)空間按高度分為兩個區(qū)域，即2m高度以下的區(qū)域（工作區(qū)）和2m以上空間（非工作區(qū)）.圖7給出了工作區(qū)和非工作區(qū)ε的變化曲線.

圖7 工作區(qū)與非工作區(qū)空氣平均溫度隨時間變化規(guī)律Fig.7 Variations of averaged air temperatures in occupied and unoccupied spaces

從圖7（a）可以看出，工作區(qū)空氣的升溫速率ε很小，而圖7（b）的曲線表明，房間上部空間溫度的上升速率很大，說明供暖開始后2h內(nèi)，送風(fēng)熱量主要用于加熱房間上部空間，對人體活動空間的貢獻很小.由圖7（a）和7（b）還可以看到，送風(fēng)量相近而送風(fēng)速度不同的4種工況對應(yīng)的ε值基本相同，表明室內(nèi)空氣溫度上升速率僅與送風(fēng)量有關(guān)，不會受送風(fēng)速度的影響.

2.2 室內(nèi)熱環(huán)境和能量利用率

由圖3～7可以看到，熱風(fēng)供暖房間室內(nèi)氣溫呈下低上高分布.顯然，人體的頭－足溫差過大，會影響到人體的熱舒適性.設(shè)人員頭部高度為1.8m，腳踝部溫度取地面附近空氣溫度.不同工況時頭部與腳部的空氣溫度差值如圖8所示.

圖8 不同工況時頭－足溫差的對比Fig.8 Comparison of temperature difference between head and feet under different operating conditions

圖8表明，盡管每種工況的送風(fēng)量基本相同，但不同送風(fēng)速度對應(yīng)的頭足溫差有明顯區(qū)別.送風(fēng)速度越大，人體頭－足溫差越小，對應(yīng)的熱舒適性越好.原因是較大的送風(fēng)速度有利于減弱浮力對氣流軌跡的干擾，熱風(fēng)更容易進入工作區(qū).另外，由圖8還可知，即使在送風(fēng)速度高達6.4m／s的工況D下，頭－足溫差也超過4℃，即不能滿足相關(guān)設(shè)計標準中建議的人體熱舒適允許的最大限值［7］.這說明在本文實測空調(diào)系統(tǒng)的送－回風(fēng)溫差條件下，增大送風(fēng)速度雖可以緩解溫度分布不均勻?qū)е碌牟皇孢m，但并不能完全解決問題.

供暖的目的是保證工作區(qū)氣溫滿足人體熱舒適的要求，非工作區(qū)氣溫過高不僅無益于人體熱舒適，還會因室內(nèi)外溫差過大，造成供暖能耗增加.為便于比較，將上述4種工況的工作區(qū)平均溫度、室內(nèi)平均溫度和非工作區(qū)平均溫度，分別除以同一工況的非工作區(qū)平均溫度來重新定義無量綱溫度，結(jié)果如表2所示.

表2 室內(nèi)不同高度處的無量綱溫度對比Table 2 Comparisons of dimensionless temperatures in zones at different height

從表2可以看出，4種工況下的工作區(qū)平均溫度均低于室內(nèi)平均溫度和非工作區(qū)平均溫度，說明熱風(fēng)供暖的大部分熱量都消耗在房間上部的非工作區(qū).由表2還可以發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)速度越高，工作區(qū)與非工作區(qū)平均溫度的差值越小，表明隨著送風(fēng)速度增大，分配給工作區(qū)的熱量比例增加，能量浪費程度減小.

盡管本文實測房間通過鄰室隔墻和外墻均有熱損失，但外墻（北墻）玻璃窗占墻面積的82%，顯然是房間熱負荷的主要來源.非工作區(qū)通過外墻的能量損失Qr可以表示為

式中：tr為非工作區(qū)平均氣溫，℃；te為室外氣溫，℃；K為北墻平均傳熱系數(shù)，本文中K取4.12W／（m2·K）；Fr為非工作區(qū)的墻體面積，m2.

理想的供暖效果是室內(nèi)氣溫均勻，即非工作區(qū)氣溫等于工作區(qū)氣溫.因此，理想情況下房間非工作區(qū)的能量損失Qi為

式中：ti為理想情況下室內(nèi)氣溫，即工作區(qū)氣溫，℃.于是，由于室內(nèi)溫度下低上高的分布特征而增加的熱負荷ΔQ為

故單位建筑面積熱負荷（熱負荷指標）的增加量Δq為

式中：A為房間建筑面積，m2.

根據(jù)式（5）和實測數(shù)據(jù)，可以得到不同送風(fēng)速度時，由于上部溫度過高造成的熱負荷指標增加量，結(jié)果如表3所示.

表3 房間增加的熱負荷指標Table 3 Increasement of the index of heat load in the room

從表3可知，熱負荷指標的增加量大致為6～12W／m2，若考慮鄰室傳熱，該數(shù)值將更大.由表3還可以看出，送風(fēng)速度越高，房間增加的熱負荷指標越小.實測房間的熱負荷指標大約為80W／m2，相對于該值，工況A的供暖能耗增加率為15%，而工況D僅7.5%.顯然，對采用風(fēng)機盤管送風(fēng)的房間，在風(fēng)機功率不變的情況下，通過減小送風(fēng)面積，增加送風(fēng)速度，可以產(chǎn)生不可忽略的節(jié)能效果.

實際中的各種辦公室，可能因為采用的風(fēng)機盤管型號不同，造成送風(fēng)速度有所不同.上述多種送風(fēng)速度的室內(nèi)熱環(huán)境的實測結(jié)果涵蓋了大多數(shù)風(fēng)機盤管空調(diào)系統(tǒng)的特征.本文研究結(jié)果表明，在實測的送風(fēng)速度范圍內(nèi)，提高送風(fēng)速度可以改善室內(nèi)溫度分布和降低空調(diào)能耗，故在新建建筑中可以提高風(fēng)機盤管的風(fēng)機功率來增大送風(fēng)速度.根據(jù)本文實測結(jié)果，減小送風(fēng)面積也可以達到相同的目的，并且該措施在新建建筑和已有空調(diào)系統(tǒng)中都易于實現(xiàn).

3 結(jié) 語

利用風(fēng)機盤管空調(diào)系統(tǒng)送熱風(fēng)為辦公室供暖是夏熱冬冷地區(qū)常見的供暖方式.由于該地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的常規(guī)做法是以夏季供冷為主，兼顧冬季工況，因此，在冬季供暖過程中容易出現(xiàn)室內(nèi)上下空間中溫度不均勻現(xiàn)象.本文針對某實際空調(diào)房間，通過改變送、回風(fēng)口面積，對相同送風(fēng)量不同送風(fēng)速度情況下，冬季室內(nèi)熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)送、回風(fēng)溫度逐時變化進行了實測，實測結(jié)果表明：

（1）夏熱冬冷地區(qū)外窗面積過大，導(dǎo)致室內(nèi)溫度水平分布很不均勻，近窗處的氣溫明顯低于室內(nèi)平均溫度.

（2）由于空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)參數(shù)范圍的限制，送風(fēng)攜帶的熱量難以到達房間下部人員活動空間，使室內(nèi)上部空間與下部空間的溫差遠大于正常供暖房間，這既影響室內(nèi)熱舒適性，又導(dǎo)致上部空間建筑熱損失增大.本文實測房間常規(guī)運行狀態(tài)下，熱負荷指標的增加量大于12W／m2，供暖能耗增加率達15%.

（3）在送風(fēng)量不變的條件下，提高送風(fēng)速度在一定程度上可以改善室內(nèi)溫度分布的均勻性，減小因溫度分布不均勻造成的熱負荷增加量，但不能完全解決供暖房間人體頭－足溫差過大等不舒適問題.減小送－回風(fēng)溫差并適當(dāng)增加送風(fēng)量可以改善室內(nèi)熱環(huán)境，但需要在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計之初就重視冬季供暖問題，而不是僅考慮夏季供冷的要求.

參 考 文 獻

［1］JGJ 26—1995民用建筑節(jié)能設(shè)計標準（采暖居住居住部分）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996.

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［4］李念平.建筑環(huán)境學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［5］RAHIMI M， AJBAKHSH K. Reducing temperature stratification using heated air recirculation for respectively thermal energy saving［J］.Energy and Buildings，2011，43（10）：2656－2661.

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Influence of Supply Air Velocity on Office Room Heating in Hot－Summer and Cold－Winter Climatic Zones

WANGShi－yu，KANGYan－ming，ZHONGKe
（School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The set values of the supply air parameters in design of an air－conditioning system mainly meet the requirement of summer indoor thermal environment in hot－summer and cold－winter climatic zones，it may result in the waste of energy for heating while the situation that the indoor temperature can not match the requirements of human thermal comfort in winter.The indoor thermal environment of an office room with different air supply velocity in Shanghai is measured in winter.The results show that it is difficult for the warm air to reach the occupied space due to large window－to－wall ratio and improper ventilation parameters.Therefore，the temperature difference between the upper space and lower space is too large，and an additional energy waste exists during the heating process.Although increasing supply air velocity cannot eliminate the large temperature difference between head and feet，the increased heat load caused by non－uniformly indoor temperature distribution will be decreased.Besides，the requirements of human thermal comfort and energy－saving can also be achieved by increasing supply air velocity.

hot－summer and cold－winter climatic zone；indoor thermal environment；supply air velocity；energy－savingeffect

TU 111.1；TU 834.2

A

1671－0444（2014）04－0491－06

2013－07－12

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）

王時雨（1992—），男，河南安陽人，碩士研究生，研究方向為建筑通風(fēng)與室內(nèi)空氣品質(zhì).E－mail：wangsy＠m(xù)ail.dhu.edu.cn

鐘 珂（聯(lián)系人），女，教授，E－mail：zhongkeyx＠dhu.edu.cn