大空間兩種氣流組織夏季熱環(huán)境及其能耗實驗研究

陳帥+黃晨+張亞林+劉雷明+劉俊+劉昊儒

摘要：以某大空間實驗基地為研究對象，針對噴口送風和柱狀下送風兩種分層空調(diào)的熱環(huán)境及供冷量進行了實測研究.研究結(jié)果表明：因噴口送風空調(diào)區(qū)較大，在夏季室外氣象參數(shù)基本相同的兩種室外氣象條件下，噴口送風空調(diào)系統(tǒng)供冷量比柱狀下送風空調(diào)系統(tǒng)的供冷量分別高出20.8%、24.4%，且噴口送風空調(diào)系統(tǒng)抗干擾能力較柱狀下送風強；噴口送風時工作區(qū)溫度均勻性好于柱狀下送風，頭足溫差較小，但其工作區(qū)風速超過標準，而柱狀下送風時工作區(qū)風速則符合環(huán)境設(shè)計要求；兩種不同送風量下噴口送風時吹風感指數(shù)分別為15.64%、11.23%，而柱狀下送風時吹風感指數(shù)分別為4.17%、2.40%，柱狀下送風要明顯優(yōu)于噴口送風.故從節(jié)能及熱舒適性角度綜合考慮，單側(cè)回風的大空間建筑應盡可能采用柱狀下送風分層空調(diào)，而對于干擾比較大，空調(diào)場地較小，無法布置柱狀下送風口的場合，則選取噴口送風較好.

關(guān)鍵詞：噴口送風； 柱狀下送風； 大空間； 室內(nèi)熱環(huán)境； 供冷量

中圖分類號： TU 831 文獻標志碼： A

Abstract：The thermal environment and cooling load in a large space were studied in summer under stratified air conditioning with two air supply modes of nozzle air supply at middle side and column air supply at lower side.The results showed that the total cooling load of the former under two different outdoor weather conditions in summer was 20.8% and 24.4% higher than that of the latter， due to the larger airconditioned area of the former.Furthermore， the antijamming capability of air conditioning system with nozzle air supply was better.The temperature uniformity in the workplace of the former was better than that of the latter.The temperature difference between the head and feet was smaller.But the air velocity in the airconditioning zone of the former has exceeded the standards while the latter could meet the design requirements of the environment.The windbeing index PD in the mode of nozzle air supply was 15.64% and 11.23% while the other one was 4.17% and 2.40% under two different air supply flow.Therefore， the column air supply mode at lower side was better than the nozzle airsupply mode in this aspect.The conclusions could be drawn in terms of energy efficiency and thermal comfort that the airconditioning system in a large space building with unilateral return air should use the column air supply mode at lower side.And it was better to use the nozzle air supply mode in the building where the interference was large or the column outlet couldnt be arranged at lower side.

Keywords：nozzle air supply； column air supply at lower side； large space； indoor thermal environment； cooling load

大型公共建筑是指建筑面積在20 000 m2以上，采用集中空調(diào)的公用和商用建筑.目前我國此類建筑僅占城鎮(zhèn)總建筑面積的5%～6%，但其用電量為100～300 kW·h·m-2·a-1，為住宅建筑用電量的10倍以上（不包括供暖）.因此大型公共建筑的節(jié)能是我國當前節(jié)能工作的重點[1].目前大空間建筑空調(diào)設(shè)計多采用分層空調(diào)方式，即僅對建筑內(nèi)下部工作區(qū)域（稱下部空調(diào)區(qū)）進行空氣調(diào)節(jié)，使工作區(qū)域具有良好的熱舒適環(huán)境，對建筑上部非工作區(qū)域（稱上部非空調(diào)區(qū)）則不進行空調(diào)或采用通風排熱，以降低整個建筑的空調(diào)能耗.與全室空調(diào)相比，分層空調(diào)通常可以節(jié)省15%～40%的供冷量 [2].分層空調(diào)常用的送風方式有噴口送風和柱狀下送風.兩種送風方式下的室內(nèi)氣流組織和熱環(huán)境有著各自迥然不同的特點.目前國內(nèi)外對不同氣流組織的分層空調(diào)熱環(huán)境及能耗研究大都局限于CFD（computational fluid dynamics）模擬[3-4]，而對于實際建筑的實驗研究不多，尤其對使用單側(cè)回風口的大空間建筑在變送風量、變室外氣象參數(shù)時的實驗研究則更少[5-6].

本文以某工程實訓中心為研究對象，通過實驗比較分析噴口送風與柱狀下送風兩種常用的分層空調(diào)氣流組織條件下的垂直溫度分布、工作區(qū)溫度分布等熱環(huán)境以及空調(diào)供冷量等，為大空間建筑選用氣流組織提供依據(jù).

1 實測概況

1.1 建筑概況

建筑平面圖及建筑北立面圖分別如圖1、2所示.研究對象為位于工程實訓中心北側(cè)的大空間數(shù)控機床空調(diào)區(qū).空調(diào)區(qū)面積500 m2，其中建筑南北方向長18 m，東西方向長27.8 m，雙坡屋頂結(jié)構(gòu)，坡頂高12 m，雙坡坡底位于建筑中部距東墻9.6 m，靠近東邊一屋頂具有天窗結(jié)構(gòu)，天窗最高處為14.5 m[7].

1.2 空調(diào)系統(tǒng)概況

工程實訓中心數(shù)控機床區(qū)大空間的空調(diào)系統(tǒng)冷、熱源分別采用地源熱泵和空氣源熱泵復合供能系統(tǒng)，夏季利用冷凍水向空調(diào)箱空氣提供冷量，室內(nèi)所采用的全空氣系統(tǒng)最大風量可達30 000 m3·h-1.數(shù)控機床區(qū)大空間采用噴口送風、柱狀下送風兩種可獨立使用的分層空調(diào)形式.噴口送風的兩排噴口安裝高度分別為5.5、8.2 m，每排有8個間距為1.5 m、孔徑為0.373 m的噴口.噴口送風末端如圖3所示.4個柱狀下送風口對稱落地布置在數(shù)控機床空調(diào)區(qū)的南墻和北墻，送風口為直徑1 m、高度1.5 m的半圓柱形，其設(shè)計風量為3 500 m3·h-1.柱狀下送風末端如圖4所示.噴口送風和柱狀下送風均采用同一種側(cè)下回形式，回風口尺寸為3 m×2 m，落地布置于東墻.本文主要對安裝高度為5.5 m的噴口送風和落地布置的柱狀下送風兩種氣流組織在夏季所形成的熱環(huán)境和供冷量進行實驗對比分析.

2 測試方案

噴口送風和柱狀下送風兩種氣流組織熱環(huán)境和供冷量實驗中主要測試內(nèi)容有：① 室外氣象參數(shù)，如室外溫濕度、太陽輻射量等；② 空調(diào)系統(tǒng)送回風溫濕度、風量；③ 室內(nèi)工作區(qū)水平溫度分布、垂直溫度分布等.

圖5為室內(nèi)溫度測點位置平面圖，有A、B、C、D、E、F、I、J、K共9個測點位置.由于噴口多股射流的中心并非為房間中心，因此圖5中9個測點位置并未對稱布置.在每個測點位置離地面3 m以上區(qū)域布置固定的垂直溫度測點，測點垂直間距為1 m，3 m以下區(qū)域離地面0.1、1.1、1.7 m布置可移動溫度測點.另外，9個測點位置離地面1.7 m處均布置風速測點.9個測點位置室內(nèi)溫度測點立面圖如圖6所示.

實驗各工況開機時間均在測試當日8點左右，待基本穩(wěn)定后約10點開始記錄數(shù)據(jù)，每隔半小時記錄一次.設(shè)計實驗工況時以不同氣流組織和室外空氣綜合溫度為設(shè)計原則，選擇在室外空氣綜合溫度和空調(diào)送風量基本相同時對不同氣流組織的實驗結(jié)果進行對比研究.

3 測試結(jié)果與分析

3.1 平均室溫和供冷量

表1為各實驗工況下的測試結(jié)果.按室外空氣綜合溫度高低分為工況1和工況2，工況1和工況2再根據(jù)不同氣流組織分成工況P1、X1及工況P2、X2兩組，P表示噴口送風，X表示柱狀下送風.表1中：室外空氣綜合溫度作為室外擾量，包含了室外空氣溫度及太陽輻射；室內(nèi)工作區(qū)平均溫度則采用在9個測點位置離地面1.7 m處溫度測點的平均值.由表1可以看出，4種工況下室內(nèi)工作區(qū)平均溫度均維持在25 ℃左右.表1中供冷量為

實驗結(jié)果表明：不同工況下室外空氣綜合溫度偏差均低于0.4%，離地面1.7 m氣流組織下處的室內(nèi)工作區(qū)平均溫度偏差均低于4%時，噴口送風空調(diào)供冷量大于柱狀下送風空調(diào)供冷量，在室外空氣綜合溫度低時大24.4%，高時大20.8%.這說明噴口送風能耗顯著大于柱狀下送風.分析其原因主要是由于噴口送風和柱狀下送風這兩種氣流組織的回風口設(shè)置相同，而噴口送風時由于噴口高度為5.5 m，其供冷量需負責離地面5.5 m以下的室內(nèi)環(huán)境，而柱狀下送風由于是側(cè)下送風，因此它所負責的環(huán)境基本上是離回風口高度2 m以下的區(qū)域.此外，噴口送風時下部空調(diào)區(qū)空氣混合流動，而柱狀下送風時空調(diào)區(qū)空氣置換流動，置換空調(diào)只需滿足人員活動區(qū)域的環(huán)境舒適即可.而噴口送風受安裝高度的影響，其空調(diào)區(qū)域所需供冷量要大很多，其能耗也相應較大.此外，雖然工況2風量小于工況1，但由于其室外空氣綜合溫度較高，系統(tǒng)供冷量較大.與工況1相比，在室外空氣綜合溫度提高28.6%時，工況2噴口送風和柱狀送風的空調(diào)供冷量分別增加15.4%、19.3%，即增加相同的外界干擾時，噴口送風所增加的供冷量要低于柱狀下送風，分析原因主要是由于噴口送風空調(diào)區(qū)大于柱狀下送風空調(diào)區(qū)，增加相同的外界干擾，對空調(diào)區(qū)的影響較小，故噴口送風抗外界干擾能力較強.此外，由于柱狀下送風比較占用空間，對于空調(diào)場地較小，無法布置柱狀下送風口的場合則選取噴口送風為好.

3.2 水平溫度與垂直溫度分布

式中：σt為在9個測點位置離地面1.7 m處測點的溫度標準差；t—為9個測點的平均溫度.

不均勻系數(shù)kt越低表示溫度均勻性越好.

從表1可以看出，噴口送風時水平溫度均勻性略好于柱狀下送風.工況2下噴口送風時溫度不均勻系數(shù)為0.72%明顯低于柱狀下送風的1.71%，而工況1下噴口送風時溫度不均勻系數(shù)為1.14%亦低于柱狀下送風的1.23%.主要是由于噴口送風的原理是下部空調(diào)區(qū)混合流動，而柱狀下送風是下部空調(diào)區(qū)置換流動，即噴口送風的混合優(yōu)勢會使室內(nèi)溫度更均勻.但對于柱狀下送風而言，由于送風溫度較低，在低風量時，小風速時的置換作用容易受其他干擾因素影響，均勻性變差.圖7為離地面1.7 m處水平溫度分布，可以發(fā)現(xiàn)：柱狀下送風時東西方向最大溫差在E、J和C、K兩組測點位置處均為1.2 ℃，南北方向最大溫差在J、K兩個測點為1 ℃，南北方向溫度分布均勻性略好；對于噴口送風，亦是南北方向最大溫差在D、E兩個測點為0.6 ℃，而東西方向最大溫差在B、E兩個測點為0.9 ℃，南北方向溫度分布均勻性亦好于東西方向.實驗結(jié)果表明：受單向回風影響，東西方向熱環(huán)境均勻性略差于南北方向.

圖8為4種工況下室內(nèi)比較有代表性測點位置（A、E、K）垂直溫度測試結(jié)果.從圖中可以看出：橫梁前的測點位置（A）在離地面5.5 m處的噴口送風下，兩種送風量時在離地面5 m處都出現(xiàn)了較明顯的溫度分層；而對于橫梁后的測點位置（E、K），由于噴口射流的卷吸和室內(nèi)離地面6 m處橫梁的阻擋作用，分層高度均出現(xiàn)在離地面9 m處，高出噴口3.5 m.分層高度以下，由于氣流混合作用，A、E、K三個測點位置的垂直溫度分布都較均勻，頭足溫差都在1℃內(nèi).而對于柱狀下送風，溫度隨離地面高度的增加呈上升趨勢，且下部溫度梯度略小于上部溫度梯度，尤其是在測點位置E，上部氣溫升高趨勢非常顯著.由于溫度梯度較大，A、E、K三個測點位置的頭足溫差都較大，尤其在工況X1下，頭足溫差分別為2.4、2.6、2.2 ℃，仍然符合ASHRAE規(guī)定的3 ℃[8].此外，從三個測點位置次高點溫度梯度可以看出，無論是噴口送風還是柱狀下送風，溫度梯度均達到最大，說明屋頂附近空氣溫度受室外空氣綜合溫度影響均較大.

4種工況下工作區(qū)吹風感指數(shù)分布如圖9（b）所示.工況P1、P2時吹風感指數(shù)分別為15.64%、11.23%，且中心區(qū)域（E測點位置）吹風感指數(shù)分別達到36.36%、25.13%.而對于柱狀下送風，工況X1、X2時吹風感指數(shù)分別為4.17%、2.40%，均低于5%.故如果以風速和吹風感指數(shù)評價室內(nèi)環(huán)境熱舒適性，柱狀下送風優(yōu)于噴口送風.

4 結(jié) 論

本文對某大空間建筑兩種回風相同、送風氣流組織不同時分層空調(diào)的水平溫度、垂直溫度以及空調(diào)供冷量等進行實驗分析，得出了以下結(jié)論：

（1） 兩種室外氣象條件下，噴口送風空調(diào)系統(tǒng)供冷量顯著大于柱狀下送風空調(diào)系統(tǒng)，分別高

出20.8%、24.4%.由于噴口送風空調(diào)區(qū)域較大，其抗外界干擾能力亦較強.

（2） 在下部空調(diào)區(qū)中，因噴口送風有較大的混合作用，無論是水平溫度分布還是垂直溫度分布，噴口送風時室內(nèi)溫度分布均勻性均略好于柱狀下送風，頭足溫差亦較小.兩種氣流組織下室內(nèi)水平溫度分布均勻性受回風口影響較大，且南北方向均勻性好于東西方向.此外，屋頂附近空氣溫度受室外空氣綜合溫度影響均較大.

（3） 噴口送風時工作區(qū)水平風速超過標準規(guī)定，而柱狀下送風則符合設(shè)計要求.兩種風量下噴口送風時吹風感指數(shù)分別為15.64%、11.23%，而柱狀下送風時吹風感指數(shù)分別為4.17%、2.40%.故若以吹風感指數(shù)評價室內(nèi)環(huán)境熱舒適性，柱狀下送風要明顯優(yōu)于噴口送風.

從節(jié)能和熱舒適性角度綜合考慮，受單側(cè)回風限制的大空間建筑應盡可能采用柱狀下送風分層空調(diào)；而對于外界干擾較大、空調(diào)場地較小，無法布置柱狀下送風口場合，則選取噴口送風較好.

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