冷風(fēng)侵入對熱風(fēng)供暖房間室內(nèi)熱環(huán)境影響的實(shí)測研究

房玉恒， 葉 筱， 鐘 珂， 亢燕銘

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

冷風(fēng)侵入對熱風(fēng)供暖房間室內(nèi)熱環(huán)境影響的實(shí)測研究

房玉恒， 葉 筱， 鐘 珂， 亢燕銘

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

侵入室內(nèi)的室外冷風(fēng)不僅會(huì)造成室內(nèi)近地面溫度過低，也會(huì)使供暖能量利用率明顯下降．針對不同冷風(fēng)侵入量和侵入頻率時(shí)的熱風(fēng)供暖房間室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)研究．結(jié)果表明：供暖房間時(shí)間平均溫度不受冷風(fēng)侵入頻率影響，僅空氣溫度波動(dòng)幅度隨著冷風(fēng)侵入頻率的減小而增大；隨著冷風(fēng)侵入量的增加，室內(nèi)溫度梯度增大，且供暖能量利用率下降；在有明顯冷風(fēng)侵入的場合，送風(fēng)量相同時(shí)，采用較大送風(fēng)速度是減弱冷風(fēng)侵入不良影響的關(guān)鍵．

冷風(fēng)侵入； 熱風(fēng)供暖； 溫度梯度； 供暖能量利用率

混合通風(fēng)作為主要的熱風(fēng)供暖方式，已在公共建筑中得到了廣泛應(yīng)用，如文獻(xiàn)[1-9]對混合通風(fēng)熱風(fēng)供暖效果進(jìn)行了研究．但大多數(shù)研究都是針對無室外冷空氣侵入的房間展開的，關(guān)于有明顯室外空氣侵入的空間供暖特征的研究則非常少，而實(shí)際中這種空間非常普遍，如超市、商場等．盡管這類建筑多采用正壓送風(fēng)，但外門的頻繁開啟仍會(huì)導(dǎo)致大量室外冷風(fēng)侵入室內(nèi)．文獻(xiàn)[10]對飛機(jī)倉庫熱風(fēng)供暖效果的實(shí)測研究表明，通過大門侵入室內(nèi)的室外冷風(fēng)會(huì)顯著增加房間的熱力分層，造成對熱量的需求比在沒有熱力分層情況下的要多38%．文獻(xiàn)[11]研究指出，在一個(gè)飼養(yǎng)家禽的單層高大建筑內(nèi)，從地板到天花板測量的溫差可達(dá)18 ℃，這就嚴(yán)重降低了供暖能量的利用率．

所以，在有明顯室外冷風(fēng)侵入供暖房間內(nèi)降低溫度梯度，是改善此類房間供暖能耗特征的關(guān)鍵．為此，本文擬在人工氣候室內(nèi)，對有明顯室外冷空氣侵入的熱風(fēng)供暖房間的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)測研究，尋找減小此類房間熱力分層現(xiàn)象的途徑，以達(dá)到相對節(jié)能的效果．

1 試驗(yàn)條件與方法

室外冷空氣通過開啟的外門進(jìn)入供暖房間，因此，每次開門的持續(xù)時(shí)間和開門頻率便構(gòu)成了室外冷風(fēng)的侵入特性．為此，本文在不同的開門時(shí)長和開門頻率情況下，測量供暖房間室內(nèi)空氣溫度分布特征，研究探討冷風(fēng)侵入對室內(nèi)熱環(huán)境的影響．

1．1 實(shí)驗(yàn)室布置情況

試驗(yàn)中人工氣候室位于一尺寸為8．0 m×6．5 m×4．2 m(L×W×H)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，布置情況如圖1(a)所示．人工氣候室內(nèi)部尺寸為3．6 m×3．0 m×2．6 m(L×W×H)，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)為內(nèi)置7 cm厚巖棉板的鋼板，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為0．9 W/(m2K)．人工氣候室有一密閉性良好的門，門中上部有一扇尺寸為0．35 m×0．40 m的雙層玻璃窗．門上方設(shè)有余壓閥，關(guān)門期間，氣候室內(nèi)維持8 Pa正壓，回風(fēng)量約為送風(fēng)量的90%．

人工氣候室采用上送上回方式進(jìn)行熱風(fēng)供暖，送風(fēng)口為雙層百葉風(fēng)口，位于人工氣候室墻壁的上側(cè)，尺寸為0．10 m×0．15 m，通過控制雙層百葉角度將氣流以與水平夾角為15°斜向下射出，如圖1(b)所示．混合通風(fēng)的回風(fēng)口設(shè)在人工氣候室頂棚處，尺寸為0．20 m×0．30 m．

1．2 測點(diǎn)布置與實(shí)測儀器

人工氣候室內(nèi)設(shè)有4根測桿，如圖2(a)所示．每根測桿上有7個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)均采用分辨率為0．1 ℃的Humlog -20型溫度儀測量溫度，采用SwemaAir 300型室內(nèi)氣流專用儀表測量風(fēng)速，測量范圍為0．05～5．00 m/s，精度為±3%．圖2(b)給出了7個(gè)測點(diǎn)的高度，每根測桿正上方和正下方的位置，分別設(shè)有距頂棚或地面為2 cm的熱電偶，用于測量空氣溫度，每個(gè)熱電偶用帶有孔洞的鋁箔紙包裹，以防止因輻射引起的溫度測量偏差，鋁箔紙上的孔洞可有效透過空氣，避免鏤空的鋁箔紙內(nèi)空氣與外面空氣隔絕．

(a) 人工氣候室平面位置

(b) 送風(fēng)口布置

(a) 測量桿的平面布置

1．3 試驗(yàn)工況與實(shí)測過程

為避免人工氣候室外部環(huán)境變化對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，并保持每次開門過程中單位時(shí)間冷風(fēng)侵入量基本相同，在人工氣候室門外放置一臺(tái)電扇模擬室外吹風(fēng)，維持人工氣候室開門時(shí)門口處的風(fēng)速為1．0 m/s．在此條件下，冷風(fēng)侵入量正比于開門持續(xù)的時(shí)間(即開門時(shí)長to)．此外，考慮到冷風(fēng)侵入總量相同時(shí)，每次開門間隔的時(shí)間(即開門周期tt)可能會(huì)影響到冷風(fēng)對室內(nèi)熱環(huán)境的干擾作用.因此，試驗(yàn)中對不同開門頻率和開門時(shí)長的情況進(jìn)行實(shí)測．

表1給出了各試驗(yàn)工況的參數(shù)，其中，vs為送風(fēng)速度，θs為送風(fēng)溫度．工況1～4用于探究在冷風(fēng)侵入總量相同時(shí)，冷風(fēng)侵入頻率(對應(yīng)于開門頻率)對供暖房間熱環(huán)境的影響作用；工況5～22用于研究冷風(fēng)侵入頻率不變時(shí)，冷風(fēng)侵入量對室內(nèi)溫度分布的影響并探究改善室內(nèi)熱環(huán)境的有效途徑．

在每次實(shí)測過程中，首先調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和空氣加熱設(shè)備的功率來實(shí)現(xiàn)所需的送風(fēng)速度和溫度．隨后，以相同的周期持續(xù)開門和關(guān)門．當(dāng)室內(nèi)氣溫的時(shí)均值和波動(dòng)范圍均不變時(shí)，視作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并保持穩(wěn)定狀態(tài)在1 h以上．試驗(yàn)數(shù)據(jù)均取自穩(wěn)定狀態(tài)的實(shí)測值．每個(gè)工況約需要5～7 h達(dá)到穩(wěn)定．

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 冷風(fēng)侵入頻率對室內(nèi)溫度的影響

靠近門口放置的測桿1受冷風(fēng)影響最大，故圖3給出了測桿1上不同高度測點(diǎn)溫度θ隨時(shí)間的變化曲線．由圖3可知，不同高度的測點(diǎn)溫度均隨著門的開閉產(chǎn)生波動(dòng)，緊貼地面的測點(diǎn)7處的溫度波動(dòng)幅度最大．由圖3還可以看到，冷風(fēng)侵入總量相同時(shí)，隨著開門頻率減小，室內(nèi)溫度波動(dòng)頻率下降，但波動(dòng)幅度增大．

圖3 不同開門周期時(shí)測桿1溫度曲線Fig．3 Temperature curves of pole 1 with different door-opening cycles

當(dāng)不同開門頻率時(shí)，不同高度測點(diǎn)溫度的時(shí)間平均值和平均振幅如圖4所示．由圖4可知，冷風(fēng)侵入總量相同的情況下，盡管室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度因開門頻率不同而有很大差別，但是室內(nèi)氣溫的時(shí)間平均值幾乎完全相同．

圖4 vs=2．5 m/s時(shí)室內(nèi)氣溫平均值及振幅分布曲線Fig．4 Averaged air temperatures for different heights and amplitude distributions at vs=2．5 m/s

由于不同冷風(fēng)侵入頻率對應(yīng)的室內(nèi)溫度時(shí)均值及其分布規(guī)律完全一致，本文在隨后的試驗(yàn)研究中，將針對開門周期固定(冷風(fēng)侵入頻率不變)為300 s時(shí)(即工況5～22)的情況進(jìn)行實(shí)測分析．

2．2 冷風(fēng)侵入量對室內(nèi)溫度的影響

冷風(fēng)侵入量增大不僅會(huì)導(dǎo)致熱風(fēng)供暖房間氣溫下降，還可能影響到室內(nèi)溫度分布特征．在3種送風(fēng)狀態(tài)時(shí)，不同開門時(shí)長下的室內(nèi)溫度沿高度的分布曲線如圖5所示．由圖5可知，所有送風(fēng)狀態(tài)下，除了靠近送風(fēng)口的測桿4，其余測桿處的溫度均表現(xiàn)出明顯的上高下低的分布特征．隨著冷風(fēng)侵入量(開門時(shí)長)的增加，不僅室內(nèi)氣溫不斷降低，室內(nèi)溫度分布梯度也明顯增大．

對比圖5(a)、5(b)和5(c)可知，相同冷風(fēng)侵入量(開門時(shí)長)時(shí)，送風(fēng)狀態(tài)的慣性力越大(即送風(fēng)速度大而送風(fēng)溫度小)，供暖房間的溫度梯度越小.這是因?yàn)檩^大的送風(fēng)慣性，增大了送風(fēng)誘導(dǎo)比，促進(jìn)了下部氣流被卷吸和上部氣流下行的效果(即混合效果)，有利于克服熱風(fēng)受到的浮力作用．

(a) vs=1．5 m/s， θs=(40．2±0．7)℃

(b) vs=2．5 m/s， θs=(35．7±0．6)℃

(c) vs=3．5 m/s， θs=(34．3±0．5)℃

當(dāng)開門間隔時(shí)間為300 s，在不同送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度條件下，圖6給出了不同開門時(shí)長時(shí)的室內(nèi)溫度時(shí)均值．由圖6可知，在送風(fēng)狀態(tài)和冷風(fēng)侵入頻率不變時(shí)，供暖房間室內(nèi)平均溫度隨著冷風(fēng)侵入量(開門時(shí)長)的增加而降低，但氣溫下降幅度逐漸減?。?/p>

圖6 不同開門時(shí)長時(shí)的室內(nèi)平均溫度Fig．6 Averaged indoor temperature for different door-opening hours

圖7給出了不同開門時(shí)長和送風(fēng)狀態(tài)時(shí)測桿上最高測點(diǎn)與最低測點(diǎn)的平均溫差Δθ．

圖7 不同開門時(shí)長時(shí)室內(nèi)上下溫差Fig．7 Indoor temperature difference between upper and lower part zones for different door-opening hours

由圖7可知：送風(fēng)狀態(tài)為vs=1．5 m/s，θs=(40．2±0．7)℃時(shí)，所有開門時(shí)長(即冷風(fēng)侵入量)情況下，室內(nèi)上下溫差均相同且高達(dá)8 ℃以上；當(dāng)送風(fēng)狀態(tài)的慣性力作用提高(即送風(fēng)速度增大和送風(fēng)溫度減小)后，室內(nèi)上下溫差明顯減小，并且隨著開門時(shí)長減小而下降．可以認(rèn)為，對于有明顯室外冷風(fēng)侵入的房間，提高送風(fēng)慣性力作用可以改善供暖能量利用率．

2．3 冷風(fēng)侵入量對供暖能量利用率的影響

熱風(fēng)供暖系統(tǒng)通常采用送風(fēng)速度不變的定風(fēng)量系統(tǒng)，為避免因冷風(fēng)侵入量(開門時(shí)長)增加而導(dǎo)致室內(nèi)溫度不滿足熱舒適要求，需提高送風(fēng)溫度．為此，本文在保證室內(nèi)平均氣溫維持在22．0 ℃左右，對不同開門時(shí)長情況下的熱風(fēng)供暖房間溫度分布情況進(jìn)行了實(shí)測，結(jié)果如圖8所示．

(a) vs=1．5 m/s

(b) vs=2．5 m/s

由圖8(a)可知，當(dāng)定風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)置的送風(fēng)速度vs=1．5 m/s時(shí)，在開門時(shí)長增加，即冷風(fēng)侵入量增大時(shí)，盡管提高送風(fēng)溫度可以保持室內(nèi)平均溫度維持在22 ℃，但增加了室內(nèi)溫度梯度，即降低了送風(fēng)能量的利用率．當(dāng)設(shè)定送風(fēng)速度vs=2．5 m/s時(shí)，隨著冷風(fēng)侵入量的增加，提高送風(fēng)溫度不僅可以保持室內(nèi)平均溫度滿足要求，室內(nèi)溫度梯度也無明顯增大，尤其在高度0．75 m上方，溫度梯度幾乎不受開門時(shí)長的影響．

通常采用能量利用率η來衡量送風(fēng)能量的利用程度，η表達(dá)式[12]為

(1)

式中：θp為排風(fēng)溫度， ℃；θ2m為供暖房間2 m以下空間的平均溫度， ℃．

當(dāng)不同開門時(shí)長時(shí)，供暖能量利用率隨設(shè)定送風(fēng)速度的變化情況如圖9所示．

(a) 短開門時(shí)長

(b) 長開門時(shí)長

由圖9可知，供暖能量利用率隨著設(shè)定送風(fēng)速度的增加明顯增大，表明越大的送風(fēng)速度抵御冷風(fēng)侵入不良影響的能力越強(qiáng)．另外，基礎(chǔ)冷風(fēng)量較小(見圖9(a))時(shí)，隨著開門時(shí)長增加引起冷風(fēng)侵入量增大，能量利用率逐漸下降，送風(fēng)速度越大，能量利用率下降幅度越?。?dāng)基礎(chǔ)冷風(fēng)量較大(見圖9(b))時(shí)，在不同送風(fēng)速度條件下，能量利用率均不受開門時(shí)長變化的影響．

3 結(jié) 語

本文針對不同冷風(fēng)侵入情況時(shí)熱風(fēng)供暖房間室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到以下主要結(jié)論．

(1) 開門周期(即冷風(fēng)侵入頻率)雖然改變了室內(nèi)溫度變化的波動(dòng)幅度，但對溫度時(shí)間平均值沒有影響.

(2) 供暖房間室內(nèi)溫度梯度隨冷風(fēng)侵入量的增加而增大．通過提高送風(fēng)溫度來抵御冷風(fēng)侵入量的增加，盡管可以維持室內(nèi)平均溫度不變，但會(huì)加劇室內(nèi)溫度梯度.

(3) 房間基礎(chǔ)冷風(fēng)量較小時(shí)，冷風(fēng)侵入量變化對室內(nèi)熱環(huán)境和供暖能量利用率的不利影響很明顯，但基礎(chǔ)冷風(fēng)量較大時(shí)，冷風(fēng)侵入量變化的影響相對較弱.

(4) 在有明顯冷風(fēng)侵入的供暖空間，采用較大的送風(fēng)速度是有效抵御冷風(fēng)侵入和提高供暖能量利用率的關(guān)鍵．

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(責(zé)任編輯：于冬燕)

Experimental Study on the Influence of Cold Air Infiltration on the Thermal Environment in a Warm Air Heating Room

FANGYuheng，YEXiao，ZHONGKe，KANGYanming

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

In a room with significant cold air incursion through the doors， the invading cold air not only causes lower temperature near the floor， but also reduces the heating energy utilization rate evidently．Experiments are carried out to investigate the effect of the amount of the invading cold air and the invading frequency on the indoor thermal environment in a warm air heating room． The results indicate that the invading frequency has weak effect on the time averaged temperature of the heating room and only affects the amplitude of the indoor air temperature fluctuation， i． e． the amplitude of the indoor air temperature fluctuation increases with the decrease of cold air invading frequency． As the amount of the incursion air increases， the indoor temperature gradient becomes larger and the heating energy utilization rate is reduced． Under the situation with significant cold air infiltration， high supply velocity is the key to reduce the negative effect of cold air incursion when the supply air volume keeps constant．

cold air incursion； heating by warm air； temperature gradient； heating energy utilization rate

1671-0444(2017)01-0109-06

2015-12-23

國家自然科學(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)

房玉恒(1991—)，男，江蘇淮安人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖh(huán)境與節(jié)能. E-mail：fangyh314@163.com 鐘 珂(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail：zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831．3

A