碰撞射流通風(fēng)供暖房間熱環(huán)境特征的研究

王艷 鐘珂 亢燕銘

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

碰撞射流通風(fēng)供暖房間熱環(huán)境特征的研究

王艷 鐘珂 亢燕銘

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

采用數(shù)值模擬方法研究了碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)的供熱特性，對供熱房間內(nèi)熱環(huán)境特征以及熱舒適性的分析結(jié)果表明：在典型送風(fēng)參數(shù)工況下，碰撞射流供熱房間內(nèi)靠近送風(fēng)口附近位置處存在垂直溫度分層，空氣溫度隨房間高度增加而降低，工作區(qū)熱舒適情況良好。

碰撞射流通風(fēng)能量利用系數(shù)有效溫度差熱環(huán)境

0 引言

置換通風(fēng)將新鮮空氣直接送入工作區(qū)，從而提高了工作區(qū)的空氣品質(zhì)和通風(fēng)效率[1～2]。但是該通風(fēng)系統(tǒng)只適合于夏天供冷而不適合冬天供熱，供冷供熱需要兩套獨立空調(diào)系統(tǒng)，增加了空調(diào)系統(tǒng)初投資[3]。碰撞射流通風(fēng)方式解決了置換通風(fēng)不能用于供熱的限制，并結(jié)合了混合通風(fēng)和置換通風(fēng)的優(yōu)點[4～5]，被譽為“Theair queen”。該氣流分布方式在瑞典出現(xiàn)并得到發(fā)展[6～7]。

關(guān)于碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)的已有研究主要集中在供冷方面，其供熱特性的研究幾乎無人涉及，本文將利用數(shù)值計算方法針對碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)用于供熱時大空間內(nèi)的流場、溫度場分布進行模擬研究，探討碰撞射流通風(fēng)供暖房間熱環(huán)境的特征。

1 物理模型與數(shù)值模擬方法

本文以一個跨度較大的房間作為物理模型進行數(shù)值模擬研究。房間的幾何尺寸為18m×18m×9m，采用碰撞射流通風(fēng)方式。在房間中心處設(shè)有送風(fēng)管，其位于尺寸為0.6m×0.6m×9m的柱子外圈。根據(jù)對稱性理論，選用房間模型的四分之一進行模擬，四分之一模型的幾何尺寸為房間：9m×9m×9m，柱子：0.3m×0.3m× 9m，送風(fēng)口尺寸0.35m×0.35m，送風(fēng)口高度為0.6m，回風(fēng)口的尺寸為0.45m×0.45m，如圖1所示。

本文在研究過程中認為流體的屬性不隨其他因素變化。數(shù)值計算時，應(yīng)用二階迎風(fēng)格式對控制方程進行離散化，湍流模型選用RNG k-ε模型，并且選用SIMPLE算法對離散方程進行求解。由于本文所研究的流場位于空調(diào)房間內(nèi)，供熱時會受到由溫度差異而引起的浮升力的影響，因而采用Boussinesq假設(shè)。

2 模擬結(jié)果與分析

查閱文獻可知，碰撞射流供熱房間內(nèi)最佳送風(fēng)速度為2m/s，因此本文以送風(fēng)速度2m/s，送風(fēng)溫差ΔT=7K為例，通過數(shù)值模擬方法對碰撞射流通風(fēng)方式進行模擬。

2.1 碰撞射流供暖房間內(nèi)速度和溫度分布特征

2.1.1 數(shù)值模擬結(jié)果

為了研究碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)供熱房間內(nèi)速度和溫度的分布情況，本文以穿過送風(fēng)管所在位置的剖面（Y=0.1m）為例，分別對速度矢量圖和溫度分布圖進行分析。圖2是送風(fēng)管所在位置剖面的速度和溫度模擬結(jié)果圖，由圖2（a）可以看出，熱氣流以一定的動量從噴管噴出，當碰撞到地板時沿地面時，隨著動量的減小向四周擴散。近地面靠近送風(fēng)口處氣流速度較大，隨著不斷遠離風(fēng)口，氣流速度逐漸減小，最終熱浮力對氣流擴散的影響占主導(dǎo)地位，氣流擴散一段距離后便向上運動。由于受室外冷空氣影響，屋頂?shù)臏囟鹊?，所以熱氣流向上運動到屋頂時受到冷卻作用而溫度下降，與上升的熱氣流在房間的上部形成漩渦。圖2（b）給出了室內(nèi)溫度分布圖，由圖可知，送風(fēng)口附近出現(xiàn)了垂直的溫度分層，靠近送風(fēng)口處溫度較高，隨著房間高度增加，溫度也逐漸降低，這與傳統(tǒng)的混合通風(fēng)供暖的溫度發(fā)布完全不同。

2.1.2 數(shù)值處理與分析

為了研究室內(nèi)氣流速度和室內(nèi)溫度分布隨房間高度方向的變化，在送風(fēng)口位置到氣流最遠擴散距離（y=4.6m）之間依次取五條直線，這五條直線距風(fēng)口距離分別為y=0.9m，y=1.8m，y=2.7m，y=3.6m，y=4.5m。圖3給出了不同位置速度和溫度沿房間高度的分布曲線圖。

圖3 是不同位置速度和溫度沿房間高度的分布曲線，由圖3（a）可知，距風(fēng)口位置水平距離較近（y= 0.9m，y=1.8m，y=2.7m）時，氣流速度在靠近地面處最大，當房間高度增加到0.3m左右時，速度急劇下降到0.1m/s左右，此后速度隨著房間高度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而這個速度變化的臨界高度為Z= 4.5m；距風(fēng)口水平距離增加到y(tǒng)=3.6m時，室內(nèi)氣流在靠近地面處具有一定速度值，但隨著房間高度增加，速度并沒有急劇減小，而是先增大后減??；在距風(fēng)口水平距離較遠（y=4.5m，y=4.6m）時，室內(nèi)氣流在靠近地面處速度基本為零，隨著房間高度增加，出現(xiàn)了與近風(fēng)口水平距離位置處同樣的規(guī)律。分析圖3（b），當距風(fēng)口距離較近（y=0.9m，y=1.8m，y=2.7m）時，各直線上溫度在靠近地面處最高，并且隨著房間高度而逐漸降低，最終保持在同一溫度值；隨著水平距離增加到3.6m時，氣流溫度隨著房間高度的增加先增大而后減??；而距風(fēng)口所在位置水平距離較遠（y=4.5m，y=4.6m）時，溫度分布出現(xiàn)了相反的分布規(guī)律，即在地面處溫度最小，基本上為房間室內(nèi)設(shè)計溫度20℃（293K），而隨著房間高度增加溫度也逐漸升高，最終達到穩(wěn)定，這種現(xiàn)象是由于送出的氣流受到熱浮力作用的影響后，便沿房間高度向上運動，而導(dǎo)致氣流在擴散距離的邊界處溫度最小。

2.2 碰撞射流供暖房間的熱舒適分析

選擇合理的通風(fēng)方式，需要考慮很多因素，對熱舒適性空調(diào)來說，室內(nèi)人員的熱舒適性也是一項很重要的評價指標。本文采用有效溫度差△ET來評價空調(diào)房間內(nèi)人員的舒適感覺，它是反映空氣溫度和速度對舒適感覺的綜合作用效果，表達式為：

式中：Ti，Tn分別為工作區(qū)某點的空氣溫度和室內(nèi)設(shè)計溫度，K；ui為工作區(qū)某點的空氣流速，m/s。一般情況下，△ET的值在-1.7K到+1.1K之間時大多數(shù)人感覺到舒適。

為考查房間內(nèi)人員活動區(qū)域的空氣溫度和速度對人體舒適感覺的綜合作用，以人體腳踝所在高度平面（Z=0.1m）和房間中心平面（Y=0.1m）為例，分析這兩個平面上有效溫度差，如圖4所示。

圖4 是送風(fēng)速度為2m/s，送風(fēng)溫差ΔT=7K時人體腳踝平面（Z=0.1m）和房間中心平面（Y=0.1m）兩個典型平面的有效溫度差△ET云圖。圖4（a）中出現(xiàn)大量的深色區(qū)域，這個區(qū)域的△ET基本都大于+1.15K，并且這些區(qū)域也包括了人體活動區(qū)域（2m以下區(qū)域），說明過送風(fēng)管剖面的平面處溫度較高，室內(nèi)人員在這個區(qū)域會感覺偏熱。觀察圖4（b），距地面Z=0.1m的距離基本上認為是人體腳踝處所在位置，是人體比較敏感的部位之一，如果此處溫度分布不均勻，足部會感到很大的溫差，帶來舒適性的問題，除送風(fēng)口剖面所在平面外，這個平面上幾乎所有區(qū)域的△ET值都在-1.7K到+1.1K之間，而出現(xiàn)的少量深色區(qū)域基本上就是圖4（a）中所表示的風(fēng)管剖面所在平面，通過綜合分析圖4可知，采用碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)供熱時，在送風(fēng)速度為2m/s，送風(fēng)溫差ΔT=7K的工況下，室內(nèi)人員在不靠近風(fēng)管附近活動區(qū)域內(nèi)整體感覺熱舒適。

2.3 能量和能量利用系數(shù)η分析

為了了解不同工況下的能量利用情況，定義能量利用系數(shù)η如下所示：

式中：ts為房間送風(fēng)口平均溫度，℃；tp為房間整體空間平均溫度，℃；t2m為2m高度以下空間平均溫度，℃。

一般情況下，采用下送上回通風(fēng)方式送風(fēng)時，η的值應(yīng)大于1，并且能量利用系數(shù)η越大表明能量利用越好。根據(jù)模擬結(jié)果可得：采用碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)供熱時，在送風(fēng)速度為2.0m/s，送風(fēng)溫差為7℃時，ts= 299.7K，tp=293.3K，t2m=293.5K。則可計算此工況下能量利用系數(shù)為：η=1.03。表明人體空間的平均溫度高于房間上部溫度，送風(fēng)能量得到了充分利用。這在采用傳統(tǒng)的混合通風(fēng)（含分層空調(diào)）的高大空間中是不可能實現(xiàn)的[8～9]。

3 結(jié)論

通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，得到采用碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)供熱房間的室內(nèi)氣流分布特性，結(jié)論如下：

1）采用碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)供熱時，隨著送風(fēng)高度的增加，室內(nèi)氣流速度會出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而這個速度改變的臨界點位置所在高度為房間高度的一半（即Z=4.5m）。

2）在碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)所管轄范圍內(nèi)，室內(nèi)溫度隨著房間高度的增加逐漸減小，并且在室內(nèi)形成垂直的溫度分層，室內(nèi)人體活動區(qū)域（2m以下區(qū)域）的溫度分布滿足人體“頭冷腳熱”的要求，送風(fēng)能量得到了充分利用。

3）采用碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)供熱時，送風(fēng)口附近靠近地面薄薄的一層區(qū)域內(nèi)能感到吹風(fēng)感，在實際應(yīng)用中應(yīng)注意將送風(fēng)口設(shè)置在人員活動不頻繁區(qū)域。

[1]李強民.置換通風(fēng)的原理、設(shè)計及應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2000,30 (5):41-46

[2]D W Etheridge,M Sandberg.A simple parametric study ofventilation[J].Building and Environment,1984,19(3):163-173

[3]Karimipanah T,Sandberg M,Awbi H.A comparative study of different air distribution systems in a classroom[C].Oxford: Elsevier.Science,ROOMVENT2000,2000.1013-1018

[4]BobenhausenW.Simplified Design ofHVACSystems[M].New York:W iley,1994

[5]袁麗麗,寇利,劉斌.對比置換通風(fēng)碰撞射流通風(fēng)室內(nèi)顆粒物分布特性的研究[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2008,(4):30-35

[6]Varodompun J.Architecturaland HVACApplicationsof Imping -ing Jet Ventilation Using Full Scale and CFD Simulation[D]. University ofM ichigan,2008

[7]Karim ipanah T,AwbiH.Theoreticaland experimental investigation of impinging jetventilation and comparisonw ithwalldisplacement ventilation[J].Building and Environment,2002,37(12): 1329-1342

[8]Mostafa Rahim i,Kaveh Tajbakhsh.Reducing temperature stratification using heated air recirculation for respectivelythermal energy saving[J].Energy and Buildings,2011,43(10):2656-2661

[9]J J Costaa,LAOliveiraa,D Blayb.Turbulentairflow in a room with a two-jetheating ventilation system-anumerical parametric study[J].Energy and Buildings,2000,32(3):327-343

Resea rc h o f The rm a l Env ironm en t Cha ra c te ris tic s in Im p ing ing Je t Ven tila tion Hea ting Room

WANG Yan,ZHONG Ke,KANG Yan-m ing
Schoolof EnvironmentalScienceand Engineering,Donghua University

The heating characteristics of the impinging jet ventilation was studied by numerical simulation,and the thermalenvironmentcharacteristicsand thermalcom fortofheating room wasanalyzed.The resultsshow that inworking condition of typicalairsupply parameters,it takeson the vertical temperature stratification in heating room near the inlet, and theair temperature decreasesw ith the increaseof theheightof room,and the thermal com fortofworking areameets the requirementof people.

impinging jet ventilation,utilization coefficient of energy,effective temperature difference,thermal environment

1003-0344（2014）03-005-4

2013-5-3

王艷（1988～），女，碩士研究生；東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院（200051）；E-mail:elvawang2011@hotmail.com基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（40975093）