高大空间风口位置高度对供暖效果的影响

钟 珂，王新伟，华凤皎，亢燕铭

（东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620）

高大空间风口位置高度对供暖效果的影响

钟 珂，王新伟，华凤皎，亢燕铭

（东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620）

分层气流组织可以改善高大空间热风供暖的节能性和热舒适效果.为估计这种气流方式对室内热环境的改善效果，在利用实验验证数值计算方法的基础上，通过数值模拟探讨了大空间送、回风口高度对室内热环境的影响.研究结果表明：送风口位置位于较低的位置时，热风供暖的能量在这种房间下部区域的利用率较高；当送风口位置增加到8.5 m且上回风时，即使以高能耗为代价，室内热环境也难以满足人体热舒适要求.此外，根据模拟结果对不同情况下的供暖能量利用系数做了分析，并对改善大空间冬季热风供暖的节能和热舒适性给出了一些建议.

高大空间；热风供暖；能量利用系数；室内热环境

热媒加暖气片是建筑物供暖常用的末端方式，但这种方式适合层高相对较低的房间［1-3］.对于高大空间而言，采用这种方法会引起较大的热损失［4-5］.原因是热空气上升、而冷空气下沉，故导致空气温度在房间顶部区域较高而底部（即工作或人员活动区）较低，使得送到室内（如厂房、车间等）的热量大部分通过顶棚散失，不能被充分利用［4，6］.为提高热风供暖房间下部区域的温度和送风能量利用率，文献［7］在相同能耗条件下，研究了房间尺寸、墙面温度等因素对热风供暖气流流动结构的影响.文献［8］则针对热空气聚集在远离人员区的天花板下的情况，研究了通过空气循环将热空气转移到人员区的方法及其对室内热环境的改善效果.

高大空间若采用热风供暖，可以通过合理的气流组织，将送风热量调配到下部工作区，以提高送入热量的利用率［6］.由于热风供暖的能量利用与送、回风口的位置密切相关，本文将对大空间不同送、回风口高度下的热环境进行数值模拟，以分析风口高度对室内供暖区热环境的影响，并对人体空间的热舒适情况进行分析.

1 数值模型

1.1 计算模型的确定

以一个高大的房间为物理模型进行研究，房间的几何尺寸为长（x）×宽（y）×高（z）＝20 m×18 m×9 m.考虑到房间的对称性，模型可简化为一半房间，以节省模拟计算成本.供暖时采用上送上回或上送下回的气流组织方式.在房间两侧墙处设有送风口和回风口，如图1所示.

图1 高大空间计算区域与送、回风口布置Fig.1 Computational domain of the large-height space and the locations of inlet and outlet

送风口尺寸为0.3 m×0.3 m（共7个），送风口间距为3 m；回风口尺寸为0.3 m×0.4 m（共4个），回风口间距为6 m，靠边的送、回风口距墙内表面1 m.送风口高度分别为4.5，6.5和8.5 m，回风口高度比送风口低0.5 m（上回风方式）或高于地面0.5 m（下回风方式）.

本文主要研究热风供暖时房间内的流场和温度场分布，而室内热源如人、灯和电脑等对房间供热有利，但对气流和温度的局部分布的影响很小［8］，故在模拟中将不考虑室内热源的影响.由于土壤具有温度延迟效应［6］，并且室内地面层设有保温层，通过地面的热损失相对于外墙和屋顶非常小，因此，在模拟计算中设地板为绝热表面.建筑热工设计规范要求壁面与空气的温差不宜大于6～8℃，由于室内设计温度为18～20℃，因此，设四面外墙内表面温度为10℃.与外墙不同，屋顶没有窗户等热桥构件，故在相同的室内温度作用下，其内表面温度高于墙体.同时，高大空间的温度分布特征使得屋顶附近温度偏高，这将导致屋顶内表面温度明显高于外墙内表面，因此，设屋顶内表面温度为20℃.通过门窗缝隙的冷风渗透也是供暖房间冬季热负荷的来源之一，但空调房间通常保持室内正压，因此，模拟计算中不考虑冷风渗透造成的热损失.空调送风温度为26℃，送风方向为向下30°送风，送风风速为3.2 m／s.由于送风口法线方向垂直于墙面，因此，法线速度为2.8 m／s，每个风口的送风量为0.25 m3／s.

1.2 数学模型

假设空调房间空气为三维连续不可压缩流体，流体的属性不变.由于供热时气流受热浮力影响较大，空气密度采用Boussinesq近似.

四面体网格划分物理模型，送、回风口和墙体附近的网格采用加密处理.数值计算中，控制方程的离散化选用二阶迎风格式，求解用SIMPLE算法.所有固体表面均设为无渗透和无滑移条件.送风口设为Velocity-inlet类型，回风口定义为outflow.

1.3 数学模型的合理性验证

为保证数值模拟方法在分析大空间热风供暖室内热环境的可靠性，需要先验证上述数学模型的合理性.2012年2月10日至29日在人工气候室（东华大学环境学院）进行了热风供暖实验，对室内的温度和速度分布进行了实测.人工气候室放置了4个测杆，每个测杆在高度方向设置了7个测点，测点布置情况如图2所示.气温测量采用Humlog 20型温度仪，分辨率为0.1℃.气流速度的测量采用意大利Detla公司的万向风速仪，测量范围为0.05～5.00 m／s，精度为±3%，分辨率为0.01 m／s.

为保证实测在完全稳定的条件下进行，本文测量持续时间为5～6 h，直至室内空气温度和壁面温度的波动范围小于±0.5℃.实验数据均取自稳定状态的实测值.

应用数值计算方法对实验工况进行了模拟计算，图3给出了数值计算结果与1号和2号测杆实测结果的比较，另外两测杆的比较结果相同，由于篇幅所限，不再给出.从图3可以看出，计算结果与实验数据之间吻合较好，因此，本文所使用的数值计算方法是可靠的.

图2 人工气候室测点布置情况Fig.2 Arrangement diagram of monitoring point in the test chamber

图3 垂直温度和速度实测值与计算值的对比Fig.3 Comparison of the calculated results and experimental data of the vertical temperature and velocity profiles

2 模拟结果与分析

2.1 送、回风口高度对温度分布的影响

通过房间中心轴的纵剖面（即y＝9 m对称面）、穿过送风口中心的横剖面（x＝7 m）以及离地面z＝0.1 m（脚踝处）高的平面是观测室内供暖情况的典型面，为此，在送、回风口在不同高度时，上述典型剖面上气流和温度分布的模拟结果如图4所示.

图4 典型剖面上温度分布的模拟结果Fig.4 Numerical results of the indoor temperature distributions on typical planes

从图4（a）可以看出，温度较高的送风射流在热浮力作用下，运动轨迹不再保持直线，越远离送风口，送风动量衰减越大，最终在房间近中心形成明显的上升气流.这部分气流上升到屋面附近后，沿顶棚四周扩散，最后使房间整体温度升高.

比较图4（a）和4（b）可知，送、回风口在4.5 m时，高温热气流能够直接进入2 m以下人的活动区域，室内温度分布较均匀；当送、回风口位置升高到8.5 m时，送风热气流在2 m以上空间就开始出现弯曲上浮，送风热量不能直接进入人员活动空间，热量较多停留在房间上部，房间下部温度明显低于上部空间，上、下部区域的温差高达6℃.

由图4（c）可以看到，当送风口位置仍在8.5 m处，但回风口设在房间下部时，送风气流被迫下降，经过2 m以下供暖区后，最终从下部回风口排出，尽管仍会出现热空气上浮的情况，但与图4（b）相比，房间下部温度明显增加.因此，在实际条件允许的情况下，下回风口方式更有利于实现人员工作区的温度要求.

在送风高度及回风位置不同时，房间中心处温度沿高度分布的模拟结果比较如图5所示.

图5 送、回风口高度不同时房间中心温度垂直分布Fig.5 Temperature profiles in the middle of the room for different positions of inlet and outlet

由图5可知，送风口高度越低，越有利于送风能量的利用，室内温度分布越均匀，2 m以下的工作区温度越高；送风口位置一定时，下回风比上回风更有利于工作区域和房间整体温度的改善.回风口位置下移至人员活动空间产生的温度提高效应在送风口高度为6.5 m时仅1.2℃左右，而在送风口高度为8.5 m时接近4℃，同时，房间内沿高度的温度梯度大幅度减小.可以认为，送风口位置越高，下回风对下部空间温度的提高作用越显著.

在不同工况下，房间整体平均温度和人体所在空间平均温度的模拟结果如图6所示.由图6可知，尽管房间内表面温度相同，送风速度和温度相同（即进入室内热量相同），但不同送回风口位置对应的室内热环境状况却不同.若回风方式不同，则下回风时，室内温度和人员活动空间平均温度较高，表明上送下回送风方式的供暖能量的利用率高于上送上回.回风方式相同时，送、回风口位置越低，室内和人员活动的空间温度越高，表明供暖能量的利用率随着送、回风口位置降低而升高.

图6 房间整体和2 m以下空间平均温度的比较Fig.6 Comparisons of average temperatures in the whole room and in the zone below 2 m

送风能量在供暖房间的利用情况，可以用能量利用系数η来衡量，其表达式为

式中：ts为送风口平均温度，℃；tp为房间整体平均温度，℃；t2m为室内2 m以下空间平均温度，℃.热风中到达2 m以下空间的能量越多，该空间的平均温度越高，人体对送风能量的利用程度越高.由式（1）可知，η越大表明能量利用越好.

图7给出了送、回风口在不同位置时的能量利用系数η.由图7可以发现，回风口位置一定时，能量利用系数随着送风口高度的增加而下降；对于相同的送风口高度，下回风的能量利用系数η略大于上回风情况；送风口位置对能量利用系数的影响作用远大于回风口位置的影响.

图7 不同送、回风口位置时供暖能量利用系数Fig.7 Comparison of the heating energy-using coefficients with different positions of inlet and outlet

2.2 送、回风口位置对人员舒适性的影响

由于流经人体的气流速度和温度共同影响着人体热舒适，图8给出了送、回风口位置不同时房间中心处气流速度沿高度方向的分布情况.

图8 不同送、回风高度时房间中心流速垂直分布Fig.8 Vertical profiles of air velocity in the middle of the room for different positions of inlet and outlet

由图8可见，下回风时，送风口高度对房间上部空间的风速有较大影响，但对2 m以下人员活动空间几乎没有作用.不同送风口高度时，下部空间的风速均较低，在0.05 m／s以下.下回风时，人员所在空间的气流速度明显大于相应的上回风情况.这表明，下回风虽然有利于将供暖热气流引入人员活动空间，但可能会增大下部区域的风速，而较高的风速可能造成令人不舒适的吹风感.

为此，引入有效温度差ΔTE来评价空气温度和风速对热舒适感觉的综合作用.ΔTE可表示为

式中：Ti和T n分别为工作区某点的空气温度（假定内壁面温度等于空气温度）和给定的室内温度，K；ui为工作区某点的风速，m／s.当 ΔTE＝ -1.7～＋1.1 K［6］时多数人感到舒适.

根据式（2）得到的结果，图9给出了房间中心处ΔTE沿高度的分布情况.由图9可知，由于受热浮力影响，房间上部非人员活动空间的ΔTE均大于下部人员活动区域的ΔTE，且某些工况下远远超过ΔTE的热舒适上限，显然，存在能量浪费的可能.随着送、回风口高度的增加，2 m以下空间的ΔTE下降.当风口标高提高到z＝8.5 m且上回风时，ΔTE远小于热舒适下限，这种情况下，即使以高能耗为代价，也难以达到人员活动区域的热舒适要求.

图9 不同送、回风高度时房间中心ΔTE的垂直分布Fig.9 Variations ofΔTE with the height in the middle of the room for different positions of inlet and outlet

3 结 语

高大空间热风供暖若采用分层送风气流组织，可以将更多的热量送入人员活动空间.风口位置是影响分层供暖能耗和热舒适性的主要因素之一.本文利用数值模拟的方法，对典型尺寸的大空间内部温度和气流分布进行了量化讨论，分析了送、回风口高度对室内热环境和供暖能量利用系数的影响.结论如下：

（1）送风口位置越低，供暖能量在房间下部区域的利用率越高，相同的负荷与送风条件下，人员所在空间的温度和热舒适性越高.下回风可以提高送风气流直接进入人员活动空间的比例，送风口位置越高，下回风对下部空间温度和能量利用系数的增益作用越显著；

（2）下回风时，人员活动空间的气流速度明显大于相对应的上回风情况，但不会对人体空间热舒适造成明显影响；

（3）高大空间内上、下区域的温差随送风口高度的增加而增大，所产生供暖能耗也相应增大.当送风口位置提高到8.5 m且上回风时，有效温差远远小于热舒适下限，即使以高能耗为代价，也可能难以满足人员活动区域的热舒适要求.

给出可以供设计人员直接使用的定量结论是研究的最终目标，但由于大空间尺度范围宽泛，需要对各种尺度的大空间分别进行大量研究，这些都将在随后的研究中展开.

［1］李晓东，高军，许世杰.大空间对流散热器供暖的数值研究［J］.低温建筑技术，2003（6）：76-77.

［2］胡万玲，管勇.空调送风角对冬季办公室气流组织影响的数值研究［J］.兰州交通大学学报，2009，28（3）：151-154.

［3］邓志辉，许志浩，鲁汉清，等.高大厂房热风供暖气流组织实验研究［J］.暖通空调，1999，29（5）：17-18.

［4］黄晨，李美玲.大空间建筑室内垂直温度分布的研究［J］.暖通空调，1999，29（5）：28-33.

［5］周绍荣，程运林，汤莉，等.高大空间气流组织的研究［J］.湖南大学学报，1998，25（2）：70-74.

［6］朱颖心.建筑环境学 ［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2005：201-202.

［7］RAHIMI M， TAJBAKHSH K. Reducing temperature stratification using heated air recirculation for respectively thermal energy saving［J］.Energy and Buildings，2011，43（10）：2656-2661.

［8］COSTA J J，OLIVEIRA L A，BLAY D.Turbulent airflow in a room with a two-jet heating-ventilation system：A numerical parametric study［J］.Energy and Building，2000，32（3）：327-343.

Effects of the Heights of Air Inlet and Outlet on Warm-Air Heating Systems in Large-Height Spaces

ZHONGKe，WANGXin-wei，HUAFeng-jiao，KANGYan-ming

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

Stratification of indoor air flow can be employed to improve energy efficiency and thermal comfort in large-height spaces.In order to estimate the effectiveness by using such air flow patterns for room heating，numerical simulations have been carried out for exploring the effects of the heights of air inlet and outlet on the indoor thermal environment，and the numerical scheme is validated by test data.The results show that the energy carried by the incoming warm air can be used with high efficiency when the supply inlet is situated at the lower part of the space in warm air systems.When the height of the inlet is increased to more than 8.5 m in a‘top-return’system，the indoor thermal conditions would not match the requirements of the occupants'thermal comfort even if high energy consumption is available.The energy-using coefficient is discussed for different cases by using the numerical results，and some recommendations are given for the energy saving in space heating by warm air and the improvement of indoor thermal environment in winter.

large-height space；warm air heating；energy-using coefficient；indoor thermal environment

TU 831.3

A

2013-06-19

国家自然科学基金资助项目 （51278094）；上海市教委科研创新重点资助项目 （13ZZ054）

钟 珂（1964—），女，四川成都人，教授，博士，研究方向为建筑环境与节能.E-mail：zhongkeyx＠dhu.edu.cn

1671-0444（2014）03-0334-05