玻璃窗位置对高大空间供暖效果的影响

谢水成，钟　珂，朱　辉，叶　筱，亢燕铭

(东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620)

玻璃窗位置对高大空间供暖效果的影响

谢水成，钟珂，朱辉，叶筱，亢燕铭

(东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620)

在实验验证数值计算方法的基础上，通过数值模拟探讨了玻璃窗位置不同时对供暖房间热环境的影响.研究结果表明：无论玻璃窗设在屋顶还是侧墙上，其附近气流速度值都明显大于无玻璃窗区域.当玻璃窗设在屋顶时，送风气流在整个房间混合流动，房间温度分布均匀，降低送风口高度对室内温度分布和能量利用系数无影响.玻璃窗在侧墙时，沿玻璃冷表面下沉的冷空气使室内温度分布出现明显的热力分层现象，送风口高度越高，上下部区域温差越大，适当降低送风口高度可以有效改善室内热环境，且热风供暖的能量在房间下部区域的利用率也增大.

玻璃窗位置；高大空间；室内热环境；能量利用系数

随着人们对室内视觉环境要求的提高，平天窗和落地窗或低窗台窗户越来越多.由于玻璃窗保温性能较差，内表面温度低，近表面处形成的冷空气对室内温度空间分布有显著影响[1].特别是在高大空间中，大面积低温玻璃表面对附近空气的冷却作用将明显影响到室内气流和空气温度分布.

高大空间中，热空气上浮的特性导致空气温度在空间上部区域较高而底部较低[2].被玻璃窗低温表面冷却后的冷空气的流动有可能加剧或减弱高大空间温度梯度大的特征，从而影响到热风能量的利用情况.为此，本文将在利用实验验证数值计算方法的基础上，对分别具有大面积平天窗或侧窗的大空间，利用数值模拟方法对室内气流和温度分布进行研究，以分析玻璃窗位置不同时对供暖房间热环境的影响，并根据模拟结果对不同情况下的供暖能量系数做出分析.

1　数值模型

1.1计算模型的确定

以一个层高为9 m的高大空间为物理模型进行研究，见图1所示.该高大空间每个柱距内空调送回风口布置均相同，因此，除靠近山墙的柱距单元外，所有柱距单元内气流速度和温度分布规律原则上应相同.考虑到建筑的对称性，本文选择中间一个柱距单元的一半作为研究对象，其平面分布见图1中涂灰部分.采用上送上回的气流组织方式，在侧墙上设有送风口和回风口，送回风口尺寸均为0.3 m×0.3 m，送风口高度分别为6.5和8.5 m，回风口在送风口下方0.6 m处，送风口和回风口位于两个柱子中间，如图2所示.本文主要研究玻璃窗位置不同对供暖房间热环境的影响，考虑玻璃窗位置设置在屋顶和侧墙两种情况，即全平天窗和侧窗两种类型.侧窗又有普通窗和落地窗之分，设普通窗的窗台高度为0.9 m，玻璃窗高度为7.2 m.为保证两种侧窗具有相同的传热面积，设落地窗宽度为4.8 m，窗间墙宽度为 1.2 m.

图1　所研究空间平面图Fig.1　Plan of the researched space

图2　高大空间计算区域与送回风口布置Fig.2　Computational domain of the large-height space and the locations of inlet and outlet

热风供暖时，室内的热源如人、灯、电脑等对房间的供热是有利的，但对室内气流和温度的局部分布的影响却很小[3]，故在模拟的过程中不考虑室内热源的影响.由于保温实体围护结构的传热系数远小于玻璃窗，内表面温度较高，计算中设实体围护结构内表面温度为17 ℃，玻璃窗内表面温度为9 ℃,而对于地面, 由于土壤具有温度延迟效应[4]，在模拟过程中设为绝热表面.热风以水平向下30°倾角射出，送风速度为3 m/s，送风温度为28 ℃.由于送风空调房间维持室内正压，因此，模拟过程中不考虑门窗缝隙的冷风渗透所造成的热损失[5].

1.2数学模型

本文所研究的流体为三维连续不可压缩流体，在研究过程中认为流体的属性不变[6].数值计算时，选用二阶迎风格式对控制方程进行离散化，并选用SIMPLE算法对离散方程进行求解.由于研究的流场在供热时会受到由温差引起的浮升力的影响，因而空气密度采用Boussinesq假设[7].数值模型所有的墙壁都满足无渗透和无滑移条件.送风口边界类型定义为velocity-inlet，回风口定义为outflow形式.采用四面体网格对物理模型进行划分，送、回风口以及传热的墙体附近的网格采用加密处理.

1.3数学模型的合理性验证

为了保证数值模拟方法的可靠性，首先需要验证上述数学模型的合理性.2012年2月10日至29日，在东华大学环境学院人工气候室进行热风采暖实验，对室内的温度场和速度场分布进行实测.人工气候实验室共布置4个测杆，每个测杆沿高度方向设置7个测点.

实验过程中温度的测量采用Humlog 20型温度仪，分辨率为0.1 ℃.气流速度的测量采用意大利Delta公司出品的万向风速仪，测量范围为0.05～5.00 m/s，精度为±3%，分辨率为0.01 m/s.为了保证在完全稳定的条件下进行测量，连续测量5～6 h，直到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下的实测值.

运用数值计算的方法对上述实验工况进行模拟，通过对数值模拟结果与实验数据的比较与分析，验证数学模型在高大空间进行模拟的合理性.图3给出了数值模拟计算结果与1号和3号测杆实测结果的比较，由于篇幅的限制，2号和4号测杆数值模拟和实测的比较结果不再给出.

(a) 1号测杆

(b) 3号测杆图3　垂直温度和速度实测值与数值模拟结果对比Fig.3　Comparison of the numerical results and experimental data of the vertical temperature and velocity profiles

从图3可以看出，除某些位置可能由于门的开启以及实验过程中的冷风渗透等原因，会对室内的温度场和速度场造成一定的影响，进而导致数值模拟结果与实验数据之间产生一些偏差外，整体上数值模拟计算结果与实验测得的结果之间能够较好地吻合.因此，可以认为本文所采用的数值模拟计算方法是可靠的.

2　数值模拟结果与分析

2.1玻璃窗位置对气流和温度分布的影响

为了探究玻璃窗冷表面对附近气流的影响，需要获得围护结构表面附近气流的信息.本文计算模型中离围护结构最近的网格尺寸是0.03 m，若取离墙0.03 m或更近的表面，则数据受壁面温度干扰过大.为了得到墙面附近的气流信息，同时避免固体表面温度的影响，本文取位于第二层网格内的表面，即离墙体0.05 m的表面来分析围护结构冷表面对附近气流运动的影响.

图4给出了送风口高度为8.5 m时，距离屋顶内表面0.05 m的水平面和平行于侧墙且距离内表面也为0.05 m的垂直剖面上的气流速度分布特征的模拟结果.

(a) 平天窗屋顶且实体侧墙

(b) 落地窗侧墙且实体屋顶图4　玻璃窗附近的对流换热特征Fig.4　Characteristics of convective heat transfer near the windows

比较图4(a)与4(b)可知，玻璃窗设置在屋顶时，由于屋顶内表面温度较低，与附近热空气的温差较大而导致自然对流作用比较强烈，其附近气流速度值明显大于实体屋顶的情况；同样，玻璃窗在侧墙时，除在中间高度处由于送风射流对下沉气流的卷吸，导致有一部分区域气流速度值较小外，侧窗附近的气流速度值也都明显大于图4(a)所示的实体侧墙情况.由图4(a)还可以看到，平天窗附近气流从中心位置向四周流动，这是因为热空气上浮遇到水平冷表面，通过对流换热被冷却后下沉，与上浮热气流相遇并随着热气流运动轨迹流动.由图4(b)还可以看到，侧墙为大面积落地窗时，由于中间区域为实体窗间墙，内表面温度高，对流换热强度略低，故此处气流速度值明显小于两侧.

图5给出了送风口高度为8.5 m时，玻璃窗位于不同位置时，穿过送风口中心的剖面(x= 3 m)上的气流流线与温度分布的模拟结果.

(a) 平天窗屋顶且实体侧墙

(b) 落地窗侧墙且实体屋顶图5　送风口中心平面上的流线与温度模拟结果Fig.5　Numerical results of the streamlines and temperature distributions on the plane of inlet center

由图5可知，热风射流以30°倾角送出后，由于自身温度高于周围空气温度，在浮升力作用下，运动轨迹不再保持直线，在送风射流末端，送风射流速度衰减较大，在房间近中央处形成明显的上升气流.由图5(a)可知，玻璃窗在屋顶时，送风热气流在整个房间内混合流动，整个房间温度分布相对比较均匀.这是因为上升热空气与低温屋顶内表面对流换热后，被冷却后的空气直接下沉，通过降低上部空间的温度实现整个空间温度分布均匀，在没有热力分层的空间中，惯性力控制整个空间的空气流动，于是房间内呈现出典型的混合通风特征.另外，结合图4(a)可知，图4(a)中的中心位置恰好是图5(a)中屋顶附近两个涡流的分界处.由图5(b)可知，玻璃窗在侧墙时，房间上下区域分别形成几乎独立的涡流区，送出的热气流大部分停留在上部空间区域，难以到达下部空间，因此，室内上部区域温度高于下部区域，出现了明显的热力分层现象.这是因为被侧窗冷却后的空气在垂直下沉过程中持续被冷却，在侧窗下部聚集大量冷空气，最终扩散至地面形成了冷空气层，该冷空气层不仅导致房间下部温度偏低，还通过浮力作用阻止上部热空气补充到下部区域，最终在下部空间形成了独立的涡流区.

图6给出了送风口高度为8.5 m时，距离屋顶0.05 m处沿水平方向和距离侧墙0.05 m处沿竖直方向(具体位置见图2中水平线L1和竖直线L2)上的气流速度和温度变化曲线.

(a) 水平方向

(b) 竖直方向图6　屋顶和侧墙附近气流速度和温度变化曲线Fig.6　Curve of the air velocity and temperature variation near the roof and side wall

由图6(a)可知，当屋顶为全平天窗时，由于平天窗附近自然对流作用强烈，相对于实体屋顶，附近气流速度较大而温度较低. 同时侧窗情况对应的实体屋顶附近气流速度小而温度较高.由图6(a)还可以看到，尽管平天窗时屋顶附近空气被冷表面冷却，但与侧窗情况对应的实体屋顶附近空气一样，温度值沿水平方向分布很均匀，这表明被平天窗冷却的空气直接下沉，没有在水平冷表面重复冷却或冷气流聚集.由图6(b)可以发现，平天窗实体侧墙附近的气流速度和温度几乎不随高度变化而变化，而侧墙有大面积玻璃窗时，不论落地窗还是普通侧窗，其附近气流速度沿高度均发生很大变化.由于送风射流对附近空气的卷吸作用与下沉冷气流的方向相反，使得中间高度处下沉气流速度较小.侧窗内表面与附近空气的温差在房间上部更大，因此，侧窗上部的下沉气流速度大于侧窗下部.除去由于地面阻碍和送风射流卷吸造成的下沉气流速度很低的区域外，由图6(b)可以发现，以送风口高度为界，在侧窗上下部，附近气流速度均分别随着高度的降低而增大，表明冷气流沿垂直冷表面下沉过程中，不断有冷空气加入并被重复冷却，这与图6(a)中平天窗附近冷空气不会被重复冷却的情况完全不同.可以认为侧窗面积越大，冷空气的累加效应越强，对下部空间温度的影响越大.本文研究的普通侧窗与落地窗面积相等，因此冷空气的累加作用相同，由图6(b)可以看到，侧窗附近二者的气流速度和温度分布几乎一致.

2.2送风口高度对房间热环境的影响

一般而言，由于热气流会在浮力作用下上升，对房间进行热风采暖时不宜提高送风口高度，送风口高度越高，越不能满足人员工作区的热舒适性要求，但是某些工艺要求或建筑结构特征不允许送风口高度过低，为此需要对不同送风口高度室内热环境进行研究.

图7给出了送风口高度不同时，不同玻璃窗位置的房间中心处温度沿垂直高度方向的分布曲线.

图7　不同送风口高度房间中心处温度垂直分布Fig.7　Vertical profiles of temperature in the middle of the room for different positions of inlet

由图7可知，玻璃窗在屋顶时，室内温度分布比较均匀，送风口高度对室内温度梯度几乎没影响.在屋顶附近气温最低，如前所述，这是由水平冷表面对附近空气的冷却作用造成的.玻璃窗在侧墙时，无论落地窗还是普通侧窗，送风口位置对温度的垂直分布都有明显影响.送风口位置从8.5 m下降到6.5 m时，房间上下部区域的温差从12 ℃减小至5.5 ℃，表明玻璃窗在侧墙时，送风口高度不宜过高，适当降低送风口高度能够有效改善室内热环境.

室内人员热舒适受到流经人体的气流速度和温度共同作用.图8给出了送风口高度不同时，不同玻璃窗位置的房间中心处气流速度沿垂直高度方向的分布情况.

图8　不同送风口高度房间中心处气流速度垂直分布Fig.8　Vertical profiles of air velocity in the middle of the room for different positions of inlet

由图8可知，玻璃窗在屋顶时，房间中心处速度值在垂直方向上都很小，在0.06 m/s以下，不同送风口高度基本没有差别；玻璃窗在侧墙时，普通窗与落地窗相似，2 m以下空间不同送风口高度气流速度基本没有差别，均在0.03 m/s以下.这表明玻璃窗在房间不同位置，降低送风口高度都不会造成人员空间风速过大.

2.3热风能量利用率分析

2m以下空间温度直接关系到人体的热舒适性，表1给出了不同工况下，房间整体平均温度(tp)和2 m以下空间平均温度(t2m)的模拟结果.由表1可知，玻璃窗在屋顶时，不同送风口高度下二者的tp和t2m基本相同.玻璃窗在侧墙时，普通窗与落地窗相似，送风口位置降低时，房间整体平均温度和人员所在空间平均温度都有所上升，其中人员空间平均温度对送风口高度更加敏感，其上升幅度高于房间整体平均温度的上升幅度.

表1　房间整体和2 m以下空间平均温度的比较Table 1　Comparisons of average temperatures in the whole room and in the zone below 2 m

热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

(1)

式中:ts为送风温度，℃.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，室内人员对热风能量的利用率越高.由式(1)可知，η越大表明能量利用越好.

表2给出了不同送风口高度时在不同玻璃窗位置房间的能量利用系数η.由表2可知，玻璃窗在屋顶时，能量利用系数较高，接近1，且不同送风口高度对能量利用系数几乎无影响.如前所述，这是因为被平天窗冷却的空气直接下沉造成了室内气流充分混合，有利于热风能量到达人员空间.玻璃窗在侧墙时，能量利用系数明显低于平天窗的情况.同时热风能量利用系数与玻璃窗在侧墙的位置也无关，且都随着送风口高度的增加而下降.

表2　送风口高度不同时供暖能量利用系数比较Table 2　Comparison of the heating energy-using coefficients with different positions of inlet

3　结　语

高大空间冬季采用分层热风采暖，可以将更多的热量送入人员活动区.玻璃窗位置不同时，室内的热环境具有一定的差异.本文运用数值模拟的方法，对典型几何尺寸的大空间内部的温度场和气流分布进行研究，讨论了玻璃窗位置不同对供暖房间热环境的影响，并分析不同情况下的供暖能量利用系数.得出的主要结论如下：

(1) 大面积玻璃窗在屋顶时，被平天窗冷却的空气直接下沉，通过降低上部空间温度实现了室内温度分布均匀，气流实现了全室充分混合，因此送风口高度对这类大空间的热环境和供暖能量利用系数无影响；

(2) 大面积玻璃窗位于侧墙时，被玻璃窗表面冷却的空气沿窗户下沉并不断累加聚集，最终在地面形成冷空气层，不仅造成室内温度梯度大，而且通过浮力作用阻碍了热风进入人员空间，在这类高大空间中，降低送风口高度可以显著提高人员空间和全室的平均温度，提高热风能量利用率.

[1] 巴格斯罗夫斯基B H. 建筑热物理学[M]. 单寄平，译. 北京:中国建筑工业出版社，1988.

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[3] 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.

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Effects of the Position of Windows on Large-Height Spaces’ Warm-Air Heating Systems

XIEShui-cheng，ZHONGKe,ZHUHui,YEXiao,KANGYan-ming

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

Numerical simulations have been carried out for exploring the effects of the position of windows on the indoor thermal environment in room heating, and the numerical scheme is validated by test data. The results show that whether windows are set in the roof or set in the side wall, the air velocity in the nearby area is obvious larger than the nearby area without windows. When the windows are set in the roof, the air supply is mixing flow throughout the room, the temperature distribution of the room is uniform, reducing the height of the inlet has no effect on the indoor temperature distribution and energy-using coefficient. When the windows are set in the side wall, the indoor temperature distribution appears apparent thermal stratification because the cold air is along the cold surface of glass sinking, the higher height of inlet, the larger temperature difference between the upper and lower regions, the indoor thermal environment can be effectively improved by reducing the height of the inlet appropriate. Moreover, the energy carried by the incoming warm air can be used with high efficiency at the lower part of the space in warm air systems.

position of windows; large-height space; indoor thermal environment; energy-using coefficient

1671-0444(2015)03-0376-06

2014-03-14

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)

谢水成(1988—)，男，河南驻马店人，硕士研究生，研究方向为建筑节能.E-mail：xsc_0130@126.com

钟珂(联系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831.3

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