送风口高度对碰撞射流气流特征影响实验研究

黄志喜 钟 珂 陈 帅

东华大学环境科学与工程学院

送风口高度对碰撞射流气流特征影响实验研究

黄志喜 钟 珂 陈 帅

东华大学环境科学与工程学院

通过实验研究了碰撞射流热风供热时不同的送风口高度下室内空气温度、速度和热舒适参数分布情况。分析了送风口高度影响作用，结果表明碰撞射流热风供热系统的送风口高度对室内热环境有显著影响。

碰撞射流通风送风口高度有效吹风感热舒适性

0 引言

碰撞射流通风（Impinging Jet Ventilation），作为一种新的通风方式首先在瑞典出现并得到发展[1]。近年来，国外有些研究学者对这种新型通风方式的室内温湿度分布特征和速度场展开了研究[2]。碰撞射流通风是基于一个高动量气流直接喷向地板后向四周散开的原理，射流碰撞到地板后虽有一部分动量损失，但是仍具有足够的动力沿地面散开达到一个很长的距离，使射流冲量能在大范围内扩散，在地板上产生一个很薄的空气层，因为送风速度较快，气流还没来得及出现紊乱就在空气层下部推积压力和浮升力的作用下缓慢向上飘起，所以碰撞射流不容易出现紊乱的气流组织，就像活塞流一样把室内污浊的空气从房间底部挤压到房间顶部排出，该送风方式可直接将新鲜空气送入工作区，从而提高了工作区的空气品质和通风效率[3]。碰撞射流通风具有不同于传统置换通风和混合通风系统的流场特征，有研究表明，碰撞射流通风在室内形成的流场和温湿度场，具有混合通风和置换通风的优点，可以应用在跨度比较大的建筑，同时它还克服了置换通风冬季不适合用于供热的缺点[4，5]。

在碰撞射流供热系统中，送风口的高度可以影响室内温度场和速度场的分布，本文采用实验的方法研究碰撞射流供热系统不同的送风口高度对室内环境温度场和速度场分布的影响，分析碰撞射流送风口高度对室内热舒适性的影响。

1 实验模型与测点布置

1.1 实验模型

本文主要研究碰撞射流供热系统喷管送风口的高度对室内环境热舒适性的影响，为了不受室外环境影响，本实验是在一个人工气候室（以下简称气候室）中进行的，气候室是置于一个实验室内，气候室的墙体与实验室墙体完全分开，气候室的尺寸为L×W×H= 3.6m×3.0m×2.6m，气候室的送风喷管为圆形风管，其送风口直径为D=0.22m，采用气候室门做为自然出风口，其尺寸为L×W=1.5m×0.9m，气候室的物理模型如图1所示。

图1 人工气候室的物理模型

1.2 实验测点布置及所用仪器

本实验把送风喷管放置在靠墙的中间位置，沿着房间的进深方向上，从碰撞点开始每隔40cm布置一个热电偶测点，热电偶的离地距离均为10mm，同时还布置了4根测杆，每根测杆上面有7个测点，每个测点均可同时对温度和风速进行测量，热电偶测点、测杆的布置平面图以及测杆立面图如下图所示，其中图2（a）中P1～P9为热电偶位置，C1～C4为测杆位置，图2（b）中1～7为7个测点位置。

图2 测点布置平面图及测杆立面图

实验过程所用的测量仪器主要有：1）TSI-9535测量仪，温度测量范围为-17.8～93.3℃，精度为±0.05℃，风速测量范围为0～30m/s，精度为±0.015m/s。2）风速仪为意大利Delta OHM型号HD2303风速仪，探头为AP471S5，测量范围为0～40m/s，精度为±0.015m/s。3）热电偶型号为WRM 2-230G，其测量范围为0～1000℃，测量精度为±0.01℃。

2 实验结果与分析

碰撞射流送风速度较高，射流撞击到地板后，沿地面水平扩散的速度对人体热舒适影响很大，特别是冬季供暖情况下，较大气流速度对人体产生的不舒适感远大于夏季供冷情况。为此，本文将重点分析碰撞射流供暖时，室内气流速度分布和人体热舒适状况。

2.1 送风口高度对室内环境风速的影响

为了研究喷管送风口高度对室内环境风速的影响，本文取送风速度V为3.0m/s，送风口高度H分别为0.3m和1.2m时4根测杆风速的分布情况作分析，如图3所示。

图3风速随测杆高度的分布

图3 是送风速度为3.0m/s，送风口高度分别为0.3m和1.2m时4根测杆风速的分布情况。由图可知，对于测杆1，当送风口高度为0.3m时，风速沿着测杆高度呈下降趋势，最低风速出现在测点2，约为0.03m/s，最高风速出现在测点6，约为0.28m/s，整根测杆的平均风速约为0.18m/s；当送风口高度为1.2m时，风速沿着测杆高度也呈下降趋势，最低风速出现在测点1，约为0.06m/s，最高风速出现在测点6，约为0.66m/s，整根测杆的平均风速约为0.3m/s；对于测杆2，当送风口高度为0.3m时，风速沿着测杆高度变化不大，最低风速出现在测点1，约为0m/s，最高风速出现在测点6，约为0.1m/s，整根测杆的平均风速约为0.05m/s；当送风口高度为1.2m时，风速沿着测杆高度波动较大，最低风速出现在测点1，约为0m/s，最高风速出现在测点7，约为0.43m/s，整根测杆的平均风速约为0.2m/s；同样，对于测杆3和测杆4，当送风口高度分别为0.3m和1.2m时风速沿着测杆高度的分布相差也比较大。从整体来看，当送风口高度为0.3m时，测杆整体的风速波动都不大，平均风速比较接近0.15m/s，该风速为热风供热时引起人不舒适的最大风速[6]；当送风口高度为1.2m/s时，测杆整体的风速波动较大，平均风速约为0.28m/s，偏离人感觉舒适的风速较大。由此可见，送风口高度对室内环境风速存在很大的影响。

图4为各工况室内环境风速的分布频率图，图中横线为速度为0.15m/s的速度分界线，由图4可以看到，每一种送风速度下，当送风高度不同时，对应的室内环境风速分布频率也不一样，而且随着送风口高度的增加室内环境平均风速呈上升趋势。当送风速度为1.2m/s、1.8m/s和2.4m/s时，不管送风口高度为多少，室内环境平均风速都不会超过0.15m/s,该风速为热风供热时引起人不舒适的最大风速，但当送风口高度为3.0m/s时，送风口高度为0.3m和0.6m时室内环境平均风速未超过0.15m/s，而当送风口高度为0.9m和1.2m时室内环境平均风速则超过0.15m/s，会引起人的不舒适感。由此可见，喷管送风口的高度对室内环境风速确实存在显著的影响。

图4 各工况室内风速分布情况

2.2 送风口高度对室内环境热舒适度的影响

单纯的用室内环境的温度或者风速来评价室内环境的热舒适度都是不全面的，Nevis就曾通过汇总实验结果，提出了一个用来评价室内环境舒适度的综合指标，称作有效吹风感θ[6，7]。因此本文将用有效吹风感θ来评价室内环境的热舒适度，它是把送风温度和送风风速表示为一个综合作用效果的指标，可以用它来反映室内环境的舒适度，其表达式为：

式中：θ是有效温度差，K；Tj是送风温度，℃；Ta是室内空气温度，℃；V是工作区某点的风速，m/s。

Nevis提出有效吹风感θ的同时，还建议有效吹风感θ的舒适标准是：-1.7<θ<1.1[6]。下面取送风速度为1.2m/s，送风口高度分别为0.3m和1.2m时有效吹风感θ随高度的分布情况来分析送风口高度对有效吹风感θ的影响，如图5所示。

图5中阴影区域所对应高度为对应θ值为-1.7K到+1.1K之间，即为多数人感觉到舒适的θ值范围，在图5（a）、（b）中分别用两条竖线标出来。由图5可以看出，当送风速度为1.2m/s，送风口高度分别为0.3m和1.2m时，这两种工况下同一测杆θ值随测杆高度的分布不一样，曲线的斜率也不一样，同一个测杆θ值为-1.7K到+1.1K之间对应的测杆高度区间也不一样，这说明喷管送风口高度对有效吹风感θ值也存在较大的影响，而且当送风口高度为0.3m时对应的测杆高度区间较大。

图5有效吹风感θ随测杆高度的分布

图6 为各工况有效吹风感θ的分布频率图，图中阴影部分区域为有效吹风感θ值从-1.7K到+1.1K之间的区域，即为大多数人感觉到环境比较舒适时所对应的有效吹风感θ值范围，由图6中可以看到，当送风速度为1.2m/s时，随着送风口高度的增加测点有效吹风感θ的平均值逐渐下降，频率图中落在阴影区域中的面积比例也随着送风高度的增加呈减小趋势；当送风速度为1.8m/s和2.4m/s时，这两种情况测点有效吹风感θ的平均值都随着送风口高度的增加变化不大，几乎相等，而且频率图中落在阴影区域中的面积比例随着送风高度的增加也相差不大；当送风速度为3.0m/s时，随着送风口高度的增加测点有效吹风感θ的平均值先上升后下降，而且频率图中落在阴影区域中的面积比例也随着送风高度的增加呈减小趋势。

图6 各工况有效吹风感θ的分布频率图

综上所述，当送风速度为1.2m/s和3.0m/s时，有效吹风感θ的平均值变化情况不一样，但频率图中落在阴影区域中的面积比例都随着送风高度的增加呈减小趋势，即此时送风口高度对室内环境有效吹风感θ的影响很大。当送风速度为1.8m/s和2.4m/s时，有效吹风感θ的平均值随着送风口高度的增加几乎不变，频率图中落在阴影区域中的面积比例也随着送风高度的增加几乎相同，即此时送风口高度对室内环境有效吹风感θ的影响不大。

3 结论

本文采用实验的方法，通过改变碰撞射流供热喷管送风口的高度，得到了室内环境的温度和风速的分布情况，再通过室内热舒适综合评价指标——有效吹风感θ，评价了室内环境的热舒适性，从而得出碰撞射流供热系统送风口的高度对室内环境的温度场、速度场以及室内环境有效吹风感θ会产生显著影响，可为以后对碰撞射流热风供热研究及应用提供参考。

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[4]叶美珍,亢燕铭,冯卫.变风量系统碰撞射流通风房间空气品质的研究[J].洁净与空调技术,2010,(1):16-20

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[6]M cintyre，Indoor Climate[M].London:Applied Science Publisher,1980

[7]朱颖心.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出版社,2005

Ex pe rim en ta l Stud y on the He igh t o f A ir Sup p ly Ou tle t A ffe c ting the Air Flow Cha ra c te ris tic s o f Im p ing ing Je t Ven tila tion

HUANG Zhi-xi,ZHONG Ke,CHEN Shuai
Collegeof EnvironmentalScienceand Engineering,Donghua University

The Indoorair temperature distribution,velocity distribution and thermal com fortof impinging jetventilation were investigated by experimentunderdifferentheightsofairsupply outlet.Afteranalyzing the influenceof theheightof air supply outlet,the resultsshow that the heightof air supply outletof impinging jetventilation hasamarked impacton indoor thermalenvironment.

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1003-0344（2014）02-028-4

2013-4-18

黄志喜（1987～），男，硕士研究生；上海市松江区人民北路2999号东华大学环境科学与工程学院5135室（201620）；021-67792554；E-mail：hzx1266@126.com

国家自然科学基金资助项目（No:40975093）