熱壓通風(fēng)房間地面對流換熱過程分析

王安全, 夏利梅, 喻 劍, 楊秀峰,2*

(1. 揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127; 2. 河南省高等學(xué)校供熱空調(diào)重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450006)

夜間通風(fēng)被認(rèn)為是一種能有效降低夏季空調(diào)能耗的被動(dòng)式降溫技術(shù)[1-2], 其原理是利用夜間溫度較低的通風(fēng)氣流帶走圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)物體白天吸收的熱量,并在它們內(nèi)部蓄存一定的冷量[3-5]．最簡單、最常用的夜間通風(fēng)方式是開窗通風(fēng), 即在熱壓和風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)下的夜間自然通風(fēng)．但對層數(shù)較少、高度較低的建筑,由于建筑周圍風(fēng)速較小且不穩(wěn)定,可不考慮風(fēng)壓作用[6]．夜間通風(fēng)的節(jié)能效果主要取決于通風(fēng)氣流與圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面間的對流換熱．Artmann等[7]利用全尺度實(shí)驗(yàn)研究了夜間混合通風(fēng)和置換通風(fēng)情形下房間內(nèi)表面的換熱過程,指出通風(fēng)量較小時(shí)置換通風(fēng)的換熱效果較好,通風(fēng)量較大時(shí)混合通風(fēng)更有效; Leenknegt等[8]數(shù)值模擬了通風(fēng)房間內(nèi)的二維流動(dòng)過程,討論了表面對流換熱系數(shù)選擇對建筑能耗模擬的意義,并進(jìn)行了敏感度分析; Le Dréau等[9]全尺寸實(shí)驗(yàn)研究了夜間通風(fēng)的熱傳遞過程,考慮了通風(fēng)型式、通風(fēng)率、溫差、地面發(fā)射率等因素, 并將導(dǎo)出的對流換熱系數(shù)與現(xiàn)有關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了比較; Wang等[10]分析了夜間通風(fēng)過程中建筑內(nèi)表面的熱濕傳遞過程, 討論了通風(fēng)量對中國熱濕氣候區(qū)域房屋的室內(nèi)相對濕度、壁面溫度、內(nèi)表面水蒸氣通量和空調(diào)負(fù)荷的影響;卞維軍等[11]實(shí)驗(yàn)測試了夜間風(fēng)壓通風(fēng)房間內(nèi)表面和地面熱質(zhì)的溫度變化, 分析了換氣次數(shù)、地面與進(jìn)風(fēng)氣流間初始溫差對地面對流換熱的影響．上述研究均是針對夜間機(jī)械通風(fēng)或門窗通風(fēng)的情況,其流動(dòng)起因、氣流形式、換熱強(qiáng)度與熱壓通風(fēng)有顯著差異．本文擬對熱壓通風(fēng)過程中氣流與地面間的對流換熱過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,分析室內(nèi)初始溫度、地面初始溫度和通風(fēng)口尺寸對地面對流換熱過程的影響,以期為夜間熱壓通風(fēng)的節(jié)能效益評價(jià)奠定基礎(chǔ)．

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙的外部尺寸為5.10 m×4.10 m×2.80 m(長×寬×高), 實(shí)驗(yàn)室布局如圖1所示．實(shí)驗(yàn)艙墻壁的材質(zhì)為內(nèi)注發(fā)泡聚氨酯的彩鋼板,地面和天花板的材質(zhì)為單層彩鋼板．根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要對人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行改造, 用5 cm厚的XPS擠塑保溫板和5 mm厚的鋁箔橡塑發(fā)泡隔熱棉將實(shí)驗(yàn)艙西墻和天花板與實(shí)驗(yàn)艙隔開, 其他墻面同樣鋪設(shè)5 cm厚的擠塑保溫板和5 mm厚的鋁箔橡塑發(fā)泡隔熱棉;地面自下而上依次鋪設(shè)5 cm厚的XPS擠塑保溫板、5 mm厚的鋁箔橡塑發(fā)泡隔熱棉、反射膜、電加熱膜、5層1 cm厚的石膏板,石膏板的主要作用是室內(nèi)蓄熱體;實(shí)驗(yàn)艙艙門內(nèi)側(cè)設(shè)置一塊輕質(zhì)平板,平板的上部和下部分別有1個(gè)長方形孔洞,作為通風(fēng)口,如圖1(b)所示．由實(shí)驗(yàn)艙改造得到的通風(fēng)測試小室的內(nèi)部尺寸為3.90 m×3.60 m×1.90 m(長×寬×高)．石膏板和XPS擠塑保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容、發(fā)射率等物性參數(shù)見表1．

表1 實(shí)驗(yàn)材料的物性參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖(單位: mm)Fig.1 Schematic view of the experimental system

通風(fēng)測試小室所在的實(shí)驗(yàn)室模擬熱壓通風(fēng)建筑的室外環(huán)境,通風(fēng)口打開時(shí)通風(fēng)測試小室與實(shí)驗(yàn)室在熱壓作用下進(jìn)行空氣交換．實(shí)驗(yàn)步驟為: 1) 關(guān)閉實(shí)驗(yàn)艙艙門,利用加熱膜加熱石膏板,待石膏板表面溫度高于實(shí)驗(yàn)所需溫度后關(guān)閉加熱膜; 2) 選擇合適時(shí)機(jī)打開或關(guān)閉實(shí)驗(yàn)艙艙門,使實(shí)驗(yàn)艙通風(fēng)冷卻或自然冷卻,從而使地面溫度和室內(nèi)空氣溫度接近實(shí)驗(yàn)條件; 3) 開啟艙內(nèi)吊扇攪拌艙內(nèi)空氣,當(dāng)?shù)孛鏈囟?、室?nèi)溫度和室外溫度滿足實(shí)驗(yàn)要求時(shí)開啟通風(fēng)口,進(jìn)行持續(xù)的熱壓通風(fēng),并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．

利用精度為±0.5 ℃的TT-T-30型熱電偶(Omega公司, 美國)測量通風(fēng)過程中地面石膏板、墻壁和天花板內(nèi)表面、室內(nèi)空氣、進(jìn)出風(fēng)氣流的溫度,測點(diǎn)分布見圖1(c)．將地面分為12個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域中心位置的石膏板內(nèi)部和表面布置6個(gè)熱電偶(圖1 (c)中的A～F), 測量石膏板內(nèi)的垂直溫度分布; 4面?zhèn)葔吞旎ò宓闹行奶幈匕鍍?nèi)外側(cè)各布置1個(gè)熱電偶, 測量保溫板兩側(cè)的溫度; 地面第5、6、7號區(qū)域的中心處分別設(shè)置1根垂直測桿, 測桿上每隔0.2 m布置1個(gè)熱電偶, 共布置9個(gè), 測量通風(fēng)小室內(nèi)的垂直溫度分布; 上下通風(fēng)口處分別設(shè)置3個(gè)熱電偶,測量進(jìn)出風(fēng)溫度．熱電偶與2臺Agilent-34970A數(shù)據(jù)采集儀(Keysight公司,美國)連接, 每臺采集儀內(nèi)置3塊20通道的34901型數(shù)據(jù)采集模塊, 每30 s記錄1次溫度數(shù)據(jù)．

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

表2 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)

為研究地面初始溫度、室內(nèi)初始溫度、通風(fēng)口尺寸等因素對熱壓通風(fēng)氣流與地面間對流換熱過程的影響,進(jìn)行了6組實(shí)驗(yàn), 相關(guān)參數(shù)如表2所示．

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為減少實(shí)驗(yàn)誤差, 常采用移動(dòng)平均法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[7,9,11,12]．實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集儀的移動(dòng)平均數(shù)為5, 即每150 s生成1個(gè)數(shù)據(jù),并采用文獻(xiàn)[7,9,11]的數(shù)據(jù)處理方法,由實(shí)測的溫度數(shù)據(jù)推算出地面導(dǎo)熱量和小室各表面的輻射換熱量,進(jìn)而計(jì)算得到地面對流換熱量和對流換熱系數(shù)．

2.1.1 地面熱傳導(dǎo)量

利用一維瞬態(tài)有限差分模型推算石膏板內(nèi)部的瞬態(tài)溫度分布, 邊界條件為石膏板上下表面處(測點(diǎn)F和B)的實(shí)測溫度,初始條件為實(shí)驗(yàn)開始時(shí)石膏板內(nèi)的溫度分布, 根據(jù)推算出的每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)石膏板內(nèi)的溫度分布和Fourier定律, 可算出地面任一區(qū)域i內(nèi)單位面積的導(dǎo)熱量qcond, i[7,9,11]．

2.1.2 地面對流換熱量

2.1.3 通風(fēng)量

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 典型實(shí)驗(yàn)分析

圖2 工況2通風(fēng)過程中石膏板內(nèi)各點(diǎn)的溫度和進(jìn)出風(fēng)溫度Fig.2 Temperatures of the points inside the gypsum board and the inlet and outlet air during ventilation (Case 2).

本文以工況2為例對實(shí)測結(jié)果進(jìn)行分析．圖2給出了進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度和地面5號區(qū)域石膏板溫度隨時(shí)間的變化曲線．由圖2可知,通風(fēng)過程中進(jìn)風(fēng)溫度基本不變,出風(fēng)溫度及石膏板溫度均逐漸降低;石膏板垂直方向的溫度由表面向內(nèi)部逐漸增大,但最底層測點(diǎn)A的溫度略低于測點(diǎn)B的溫度,這說明雖然加熱膜下方鋪設(shè)了反射膜和保溫材料,但仍有部分熱量經(jīng)保溫材料向測試小室外部傳遞;通風(fēng)初期石膏板垂直方向的溫差明顯,且測點(diǎn)D、E、F之間的溫差明顯大于其他測點(diǎn)間的溫差, 且隨著時(shí)間的推移，石膏板內(nèi)的溫度差異越來越?。?/p>

室內(nèi)不同測桿處典型時(shí)刻的垂直溫度分布如圖3所示．由圖3可知, 熱壓通風(fēng)過程中3根測桿處的室內(nèi)溫度均逐漸降低, 且變化速率越來越慢; 通風(fēng)初期3根測桿處均呈現(xiàn)出溫度上高下低的熱分層現(xiàn)象,隨著通風(fēng)的不斷進(jìn)行,距進(jìn)風(fēng)口較遠(yuǎn)的2號和3號測桿處的垂直溫度分布趨于均勻; 但距進(jìn)風(fēng)口最近的1號測桿,由于進(jìn)風(fēng)氣流的影響,下部空氣溫度仍然明顯低于其他高度的空氣溫度．

圖3 工況2中室內(nèi)不同測桿處的垂直溫度分布Fig.3 The vertical profile of air temperature along three poles during ventilation (Case 2)

圖4 工況2中地面對流換熱量和對流換熱系數(shù)Fig.4 Convective heat flux and convective heat transfer coefficient on the floor (Case 2)

圖5 室內(nèi)初始溫度對地面對流換熱過程的影響Fig.5 Effect of initial indoor temperature on convective heat transfer on the floor

2.2.2 室內(nèi)初始溫度對地面對流換熱的影響

圖5給出了在地面初始溫度相近(39 ℃左右)、室外溫度相近(12.5 ℃左右)、通風(fēng)口尺寸相同、室內(nèi)初始溫度不同時(shí)通風(fēng)量對地面對流換熱系數(shù)的影響．圖5(a)顯示,工況1的通風(fēng)量逐漸減小,工況3的通風(fēng)量先快速增大再逐漸減小,這是因?yàn)楣r1的室內(nèi)初始溫度較高(接近地面初始溫度),地面散熱量小于通風(fēng)排熱量,使室內(nèi)溫度逐漸降低,通風(fēng)量隨之減小;相反, 工況3的室內(nèi)初始溫度明顯低于地面初始溫度,通風(fēng)初期地面散熱量大于通風(fēng)排熱量,室內(nèi)溫度先快速升高,此后才逐漸降低．圖5(c)(d)說明,工況1的地面平均換熱系數(shù)和局部換熱系數(shù)均逐漸減小,工況3的地面平均換熱系數(shù)和局部換熱系數(shù)先增大再減小,與通風(fēng)量的變化趨勢一致．通風(fēng)過程中后期,工況1測桿處地面的局部換熱系數(shù)比工況3略大,這是因?yàn)檫@2組實(shí)驗(yàn)的地面與通風(fēng)氣流間溫差相近且工況1的通風(fēng)量較大,故通風(fēng)氣流與測桿處地面的換熱較強(qiáng)．圖5(b)顯示,對相同的ΔT2而言,工況1對應(yīng)的地面平均對流換熱系數(shù)小于工況3對應(yīng)的地面平均對流換熱系數(shù)．這是因?yàn)榈孛鎿Q熱過程包括室外流入空氣與氣流流經(jīng)地面的對流換熱以及室內(nèi)空氣與地面其他區(qū)域的對流換熱兩部分,后者與室內(nèi)空氣溫度密切相關(guān)．由于工況1的室內(nèi)空氣溫度比工況3的室內(nèi)空氣溫度高,故3根測桿以外的地面區(qū)域與室內(nèi)空氣間的換熱較弱,從而使地面平均換熱強(qiáng)度稍差．

2.2.3 地面初始溫度對地面對流換熱的影響

圖6給出了室內(nèi)初始溫度相近(26 ℃左右)、室外溫度相近(12 ℃左右)、通風(fēng)口尺寸相同、地面初始溫度不同時(shí)通風(fēng)量與地面對流換熱系數(shù)的關(guān)系．由圖6(a)可知,由于工況2的地面初始溫度顯著高于室內(nèi)初始溫度, 通風(fēng)初期地面散熱量大于通風(fēng)排熱量,室內(nèi)溫度升高, 通風(fēng)量隨之增大,一段時(shí)間后室溫和通風(fēng)量才逐漸降低;工況4的地面初始溫度比室內(nèi)初始溫度高,地面散熱量小于通風(fēng)排熱量,故通風(fēng)過程中室內(nèi)溫度不斷降低,通風(fēng)量持續(xù)減?。畧D6(c)(d)顯示, 工況4中測桿處地面的局部換熱系數(shù)比工況2大, 這是因?yàn)楣r2的地面初始溫度較高, 需要較長時(shí)間才能達(dá)到與工況4相同的ΔT1值, 此時(shí)工況2的通風(fēng)量小于工況4的通風(fēng)量(例如, 測桿1處地面ΔT1≈10 ℃, 工況2和4的通風(fēng)量分別約為249和278 m3·h-1．), 故工況2對應(yīng)的地面局部換熱系數(shù)較?。畧D6(b)表明, 對相同的ΔT2而言, 工況2的地面平均對流換熱系數(shù)大于工況4的地面平均對流換熱系數(shù)．這是因?yàn)楣r2需要較長時(shí)間才能達(dá)到與工況4相同的ΔT2, 此時(shí)工況2的通風(fēng)量與工況4的通風(fēng)量相差不大(例如, ΔT2≈15℃, 工況2和4的通風(fēng)量分別為245和242 m3·h-1．), 2個(gè)實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的室內(nèi)溫度也近似相等, 但工況2對應(yīng)的ΔT1大于工況4對應(yīng)的ΔT1, 從而使地面平均換熱強(qiáng)度稍強(qiáng)．

圖6 地面初始溫度對地面對流換熱過程的影響Fig.6 Effect of initial ground temperature on convective heat transfer on the floor

2.2.4 通風(fēng)口尺寸對地面對流換熱的影響

圖7給出了室內(nèi)初始溫度相近(25 ℃左右)、地面初始溫度相近(38 ℃左右)、室外溫度相近(13 ℃左右)、通風(fēng)口尺寸不同時(shí)通風(fēng)量對地面對流換熱系數(shù)的影響．工況5、6的上/下通風(fēng)口尺寸分別為600 mm×160 mm/600 mm×300 mm和600 mm×300 mm/600 mm×160 mm, 兩種情形的有效通風(fēng)面積相等, 通風(fēng)口中心的高差均為1.5 m．為敘述方便, 將這2組實(shí)驗(yàn)的通風(fēng)口情形分別稱為上小下大和上大下小的通風(fēng)口組合．

圖7(a)中2組實(shí)驗(yàn)的通風(fēng)量變化過程基本重合, 這是因?yàn)闊釅和L(fēng)量主要取決于有效通風(fēng)面積、通風(fēng)口高差和室內(nèi)外空氣溫度, 工況5和6的這些參數(shù)相近．圖7(c)(d)顯示, 相對于上大下小的通風(fēng)口組合,上小下大的通風(fēng)口組合對應(yīng)的測桿處地面的換熱系數(shù)較大, 這是因?yàn)楣r5中下進(jìn)風(fēng)口的下沿僅比地面高50 mm, 而工況6中下進(jìn)風(fēng)口的下沿比地面高120 mm, 進(jìn)風(fēng)口下沿越低,室外流入的空氣與地面換熱的效果越好．由圖7(b)可知, 對相同的ΔT2而言, 工況6對應(yīng)的地面平均對流換熱系數(shù)大于工況5的換熱系數(shù), 這是因?yàn)楣r6下通風(fēng)口的面積約為工況5下通風(fēng)口面積的0.53倍, 故工況6下通風(fēng)口處的風(fēng)速約為工況5的1.88倍, 通風(fēng)氣流對地面附近空氣的攪動(dòng)效果更好,有利于改善地面換熱效果．

圖7 通風(fēng)口尺寸對地面對流換熱過程的影響Fig.7 Effect of vent size on convective heat transfer on the floor

3 結(jié)論

1) 熱壓通風(fēng)過程中室內(nèi)溫度逐漸降低,溫度變化越來越慢,垂直分布趨于均勻;測桿處地面的局部換熱量和局部對流換熱系數(shù)分別大于地面平均換熱量和平均對流換熱系數(shù);

2) 地面初始溫度較高或室內(nèi)初始溫度較低的熱壓通風(fēng)過程,其室內(nèi)溫度和通風(fēng)量先上升后下降,地面局部對流換熱系數(shù)先增大后減小;與室內(nèi)初始溫度較低的情形相比,室內(nèi)初始溫度較高時(shí)地面局部對流換熱系數(shù)較大,平均對流換熱系數(shù)較小;與地面初始溫度較低的情形相比,地面初始溫度較高時(shí)地面局部對流換熱系數(shù)較小,平均對流換熱系數(shù)較大;

3) 相對于上小下大的通風(fēng)口組合, 上大下小組合對應(yīng)的地面局部對流換熱系數(shù)較小, 地面平均對流換熱系數(shù)較大;

4) 若單側(cè)熱壓通風(fēng)房間的室外溫度12 ℃左右,室內(nèi)初始溫度13～35 ℃,地面初始溫度33～41 ℃, 則地面平均對流換熱系數(shù)為2～8 W·m-2·K-1, 局部對流換熱系數(shù)不超過18 W·m-2·K-1．