空氣幕研究應(yīng)用狀況及展望

肖玉清董冰巖張紅嬰傅奇

空氣幕研究應(yīng)用狀況及展望

肖玉清1董冰巖1張紅嬰1傅奇2

文章闡述了國內(nèi)外大門空氣幕的研究歷程和現(xiàn)狀，比較了各時(shí)期空氣幕學(xué)者的研究成果，同時(shí)分析了各位學(xué)者主張的空氣幕設(shè)計(jì)參數(shù)，如出口寬度、出口風(fēng)速、出口角度等?？偨Y(jié)了空氣幕在各領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，指出了空氣幕研究存在的不足之處。

國外研究狀況

空氣幕的應(yīng)用起源于1904年，Tephilus van kemmel[1]首先發(fā)明、定義了空氣幕，并且將其應(yīng)用在公共建筑的出入口處，如商場(chǎng)大門，旅館大門和工業(yè)廠房車間大門等。

1930年左右，前蘇聯(lián)謝別列夫教授對(duì)空氣幕的特性進(jìn)行了大量仔細(xì)的研究，并推導(dǎo)了空氣幕出風(fēng)量與大門斷面處橫貫風(fēng)量、大門面積、空氣幕面積的關(guān)系。

1969年，美國學(xué)者Hayes(哈耶斯)[2]認(rèn)為空氣幕維持穩(wěn)定運(yùn)行的最小彎曲模量與空氣幕的相對(duì)長(zhǎng)度 和空氣幕始射角有關(guān)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)與理論的分析得出了其關(guān)系圖。

2000年，英國學(xué)者Y.T Ge,S.A Tassou[3]基于有限差分法建立了一個(gè)綜合計(jì)算模型，并 通過此模型來計(jì)算和優(yōu)化冷藏柜空氣幕的參數(shù)設(shè)計(jì)。

2012年，葡萄牙學(xué)者Goncalves,JC[5]研究了空氣幕安裝在冷庫室內(nèi)，室外，大門兩邊的情況下的隔斷效果。安裝在室外的下送空氣幕隔斷效率超過70%，而側(cè)送空氣幕僅為55%，雖然循環(huán)型空氣幕效率較高，但由于安裝復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用高，較少采用。

2014年，西班牙學(xué)者Tomas Gil-Lopez[6]通過對(duì)空氣幕安裝在冷庫大門研究表明，相對(duì)以前一些物理的隔斷方法，空氣幕的使用能降低80%的熱量傳遞。

國內(nèi)研究狀況

20世紀(jì)60年代空氣幕開始出現(xiàn)在我國，且分別從前蘇聯(lián)和日本引入我國，從前蘇聯(lián)引進(jìn)的是熱空氣幕，主要應(yīng)用在北方，在冬天進(jìn)行隔斷保暖；從日本引進(jìn)的為不加熱的空氣幕，主要應(yīng)用在南方。

20世紀(jì)80年代末，李強(qiáng)民[7]根據(jù)上海當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料計(jì)算證明，一臺(tái)空氣幕在一個(gè)夏季可以節(jié)約電能5945，節(jié)能效果非常明顯；1997年，河南紡織高等?？茖W(xué)校的蔡穎玲[8]對(duì)以自然通風(fēng)為理論基礎(chǔ)的算法、以平面射流為理論的算法、以根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)出的算法進(jìn)行了比較分析；蔡穎玲通過實(shí)驗(yàn)比較得出，以自然通風(fēng)為基礎(chǔ)的算法和同時(shí)考慮風(fēng)壓和熱壓的以平面射流為理論的算法是比較合理的。

1999年，南京工程學(xué)院何嘉鵬副教授[9-10]在借鑒國外先進(jìn)研究方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，將熱空氣從室外侵入室內(nèi)的流場(chǎng)近似為二維流場(chǎng)，將庫內(nèi)外空氣看做不可壓縮流體，并且在空氣幕射角，空氣幕出口紊流系數(shù)，空氣幕效率的情況下推導(dǎo)出了冷庫大門空氣幕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)學(xué)模型。同年，湯曉麗[11]中推導(dǎo)出了空氣幕射流軸心彎曲軌跡方程式，并且在文獻(xiàn)[12]中推導(dǎo)出了綜合修正系數(shù)Cn的關(guān)聯(lián)式。

21世紀(jì)初，陸亞俊，趙永利[13]對(duì)當(dāng)時(shí)的熱空氣幕產(chǎn)品實(shí)際效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明，當(dāng)時(shí)大多的熱空氣幕能阻擋室外風(fēng)速為1m/s左右，而在北方，即使不考慮室外風(fēng)速，僅僅由于熱壓引起的門洞風(fēng)速遠(yuǎn)大于1m/s，空氣幕的隔斷性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際要求。

雙層吹吸空氣幕在抵御氣流方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，吹出氣流具有較大的動(dòng)量，氣流速度衰減慢，方向性好，抗干擾能力強(qiáng)，但容易卷吸周圍空氣；吸入氣流抗干擾能力弱，但不易卷吸空氣，因此將二者結(jié)合的吹吸空氣幕有著很好的抵御氣流的特性。2001年，陳江平對(duì)超市的陳列柜雙層空氣幕進(jìn)行了較為深入細(xì)致的數(shù)值分析計(jì)算，其將空氣幕吹出氣流分為三個(gè)區(qū)，即吹出區(qū)、發(fā)展區(qū)和回流區(qū)。吹出區(qū)的穩(wěn)定效果受吹出氣流速度影響較大，而發(fā)展區(qū)的方向性和吹出區(qū)射流軸心彎曲程度有著很大關(guān)系，回風(fēng)區(qū)的回風(fēng)效果取決于回風(fēng)口結(jié)構(gòu)的不同。根據(jù)回風(fēng)區(qū)的特性，作者建議在冷藏柜的底部設(shè)置一塊豎立的擋板，通過該擋板減小低溫回風(fēng)與冷柜外側(cè)熱空氣的熱質(zhì)交換。數(shù)值模擬表明，設(shè)置擋板后，回風(fēng)溫度明顯降低，最后作者推薦雙層吹吸空氣幕的射流速度應(yīng)為0.8m/s～2.4m/s之間。

2013年，西南交通大學(xué)的查顯順，畢海權(quán)[14]對(duì)冷庫大門空氣幕在門寬方向上的阻隔特性進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，大門空氣幕形成的氣幕主體在門寬方向上處于大門中間時(shí)，其抵御室外橫貫自然風(fēng)的能力最強(qiáng)。

2014年，謝晶[15-17]和南曉紅[18]分別對(duì)空氣幕應(yīng)用在冷庫大門上的冷庫內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬分析，并得出了基本一致的結(jié)果，他們一致認(rèn)為空氣幕的最優(yōu)出口風(fēng)速為8.5m/s，始射角度為偏向室外15°，而前者主張出口寬度為40cm，后者推薦為50cm。

空氣幕在其他領(lǐng)域的應(yīng)用研究

波蘭學(xué)者G.Krajewski建立了長(zhǎng)寬高分別為8m、1m、2m的全尺寸走廊模型，并通過數(shù)值模擬得出，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，空氣幕用于火災(zāi)控制的角度30°為最佳，出口風(fēng)速應(yīng)不小于20m/s，空氣幕出口到走廊底部的距離與其寬度之比x/o不超過60，但當(dāng)火源功率大于30MW時(shí)，空氣幕出口寬度不應(yīng)小于20cm。韓國嶺南大學(xué)Makhsuda Juraeva、Kyung Jin Ryu對(duì)空氣幕控制地鐵站內(nèi)微粒和灰塵從隧道進(jìn)入站臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，2條實(shí)驗(yàn)的實(shí)際地鐵隧道長(zhǎng)寬高分別為400m、4m、6m，而火車尺寸為120m、5m、3.5m，空氣幕安裝在自然通風(fēng)井和機(jī)械通風(fēng)井之間，且長(zhǎng)度固定位4m，實(shí)驗(yàn)及數(shù)值分析結(jié)果表明，空氣幕的最佳風(fēng)速、寬度分別為25m/s、0.2m，除此之外，空氣幕的安裝還能使排風(fēng)量增加31.2%。

何嘉鵬提出利用空氣幕安裝在前室門處來防止煙氣進(jìn)入前室和豎井通道，并給出了空氣幕在射流角度為30°，流量比為0.6時(shí)空氣幕的設(shè)計(jì)風(fēng)速和出口寬度。周汝對(duì)空氣幕與正壓防煙組合控制高層建筑火災(zāi)進(jìn)行了研究分析，得出同時(shí)利用空氣幕與正壓防煙來控制建筑火災(zāi)時(shí)，至少能增加60s的擋煙時(shí)間，同時(shí)能減少1/3的新風(fēng)需求量，并且豎井中煙氣溫度明顯降低，減緩了煙氣的擴(kuò)散。吳振坤對(duì)空氣幕應(yīng)用在地鐵站進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試及數(shù)值模擬分析認(rèn)為，空氣幕的出口速度應(yīng)為5m/s或者4m/s，射流角度為15°。史諾提出將空氣幕應(yīng)用在廚房抽油煙機(jī)上，通過空氣幕噴射出的氣幕來隔斷油煙的擴(kuò)散，同時(shí)提高抽油煙機(jī)的效率，但是作者未給出任何設(shè)計(jì)計(jì)算公式及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，同時(shí)抽油煙機(jī)工作時(shí)與人體頭部相離較近，空氣幕的運(yùn)行勢(shì)必影響人體的舒適性，因此，該應(yīng)用的實(shí)用性和前景還有待商榷。

分析與總結(jié)

從空氣幕的發(fā)展現(xiàn)狀來看，其主要存在以下問題：

1.眾多學(xué)者研究分析大門空氣幕射流流場(chǎng)時(shí)只是從某一方面考慮，如僅僅考慮熱壓或室外風(fēng)速形成的風(fēng)壓，這就可能造成推導(dǎo)出的公式計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相差較大。

2.除阻風(fēng)率，有效隔斷壓力外，應(yīng)將能耗，舒適性納入空氣幕的綜合評(píng)價(jià)體系。

3.當(dāng)前商場(chǎng)大門形式多樣，寬度不一，未有統(tǒng)一的計(jì)算公式來支持空氣幕的選型。且實(shí)際工程應(yīng)用中為簡(jiǎn)單地根據(jù)大門尺寸來選擇空氣幕的臺(tái)數(shù)，準(zhǔn)確性低。

從目前的研究現(xiàn)狀來看，空氣幕的研究還很不完善，空氣幕用于隔絕熱量傳遞方面的氣流流場(chǎng)還有待于進(jìn)行更深入詳細(xì)的研究，特別是綜合考慮各種影響因素下空氣幕的隔絕密封效果，可以預(yù)見，今后空氣幕將應(yīng)用于更多的場(chǎng)合和領(lǐng)域，并將空氣幕能耗及舒適性作為評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)。

（作者單位：1江西理工大學(xué)2廈門華廈學(xué)院）

[1]Hayes F C.Stockers W F.Heat transfer characteristics of aircurtain[J].ASHRAE Transactions，1969 (1)：167-179

[2]F.C.Hayes，W.F.Stoecker.Heat Transfer Characteristics of the Air Curtain，ASHRAE Transactions，Vol.75，Part11，1969

[3]Y.T Ge,S.A Tassou.Simulation of the performance of single jet air curtains forvertical refrigerated display cabinets.Applied Thermal Engineering,2011,21(2): 201-219

[5]Goncalves,JC,Costa,JJ,Figueiredo,AR ,Lopes, AMG.CFD modelling of aerodynamic sealing by vertical and horizontal air curtains,ENERGY AND BUILDINGS,2012,52:153-160

[6]Tomas Gil-Lopez,Juan Castejon-Navas,Miguel A. Galvez-Huerta,Paul G.O'Donohoe.Energetic,environmental and economic analysis of climatic separation by means of air curtains in cold storage rooms,2014(74):8-16

[7]李強(qiáng)民.空氣幕的隔斷特性及其節(jié)能效果 [J].暖通空調(diào),1986,16(2):4-8

[8]蔡穎玲.大門空氣幕計(jì)算方法的比較分析[J].鄭州紡織工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，8(2)：26-29

[9]何嘉鵬，王東方，王克金.冷庫大門的空氣幕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算模型 [J].南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，（2）：49-52

[10]何嘉鵬，王東方，王健，姜正良，焉建平.高層建筑防煙空氣幕設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型 [J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，17（3）：372-376

[11]湯曉麗.橫向氣流作用下氣幕封閉特性的實(shí)驗(yàn)研究.青島建筑工程學(xué)院碩士論文，1999

[12]湯曉麗，史鐘璋.橫向氣流下氣幕封閉特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，1999:1-5

[13]陸亞俊，趙永利.我國上送式熱空氣幕產(chǎn)品現(xiàn)狀分析[A].全國暖通空調(diào)制冷2000年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C], 2000，114-11

[14]查顯順，畢海權(quán).大門空氣幕沿門寬方向阻隔特性分析[J].制冷與空調(diào)，2013，27（3）：297-300

[15]謝晶，繆晨，杜子崢.冷庫空氣幕性能數(shù)值模擬與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（7）：190-195

[16]繆晨，謝晶.冷庫空氣幕流場(chǎng)的非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬及驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013,29（7）：246-253

[17]杜子崢，謝晶.冷庫節(jié)能減排研究進(jìn)展[J].食品與機(jī)械，2014,30（1）：253-257

[18]南曉紅，何媛，劉立軍.冷庫空氣幕性能影響因素[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011,27（10）：334-338