不同送风速度下碰撞射流供热特性的实验研究

毕南妮 钟珂 陈帅

东华大学环境工程与科学学院

不同送风速度下碰撞射流供热特性的实验研究

毕南妮 钟珂 陈帅

东华大学环境工程与科学学院

本文利用实验的方法对碰撞射流通风供热系统的特性进行了分析，通过设置对比实验，对碰撞射流通风方式下不同的送风速度进行实验，实验结果表明，在通常允许的范围内，送风速度越高，室内温度分布越均匀，有效风感温度越满足1.7<△ET<+1.1，越有利于提高热风利用率，为碰撞射流通风广泛应用提供良好的理论基础。

碰撞射流通风 送风速度 供热特性 温度分布 热舒适性

0 引言

碰撞射流通风方式在20世纪90年代末起源于瑞典，近十年来陆续有人开始研究碰撞射流的基本特性，并且已开始应用于学校、办公室、工业建筑等[1～3]。国内目前对碰撞射流通风系统的研究比较少，但已有研究成果显示碰撞射流与现有的混合通风以及置换通风比较，有一定的优越性[3～4]。

Karimipanah等实验发现[5]，采用碰撞射流通风时，喷口的安装高度在0.3m与1.5m之间，送风速度在1.4m/s与3.0m/s之间时，室内的气流组织比较好[6]。本文通过设置不同送风速度的对比实验，对碰撞射流气流速度和温度分布、吹风引起的不舒适性等情况进行对比分析，研究送风速度对碰撞射流供热特性的影响。

1 实验模型与测点布置

1.1 实验方案

为了研究碰撞射流的供热特性，本实验针对送风管靠墙设置的情况进行研究，通过对不同送风速度大小（1.5m/s和2.2m/s）的工况进行实验。将实验结果进行对比分析，得出送风速度大小对碰撞射流供热特性的影响。

为了测试不同送风口高度对供暖房间内热环境的影响，本实验通过两组对比工况进行实验分析。两个工况送风口高度均取0.2m，工况1和工况2的送风速度分别取1.5m/s和2.2m/s。

1.2 实验模型

本实验是在东华大学环境学院的暖通空调实验房间内进行的，该房间内布置人工气候室作为实验室模拟实际房间进行实验，由于实验室建于房间内部，不考虑热辐射作用。实验室的尺寸为：3.6m×3.0m× 2.6m（长×宽×高），墙体及顶面和底面材料均由保温材料加不锈钢内壁做成，消除或减弱局部传热过多的热桥作用，避免室外气候条件引起墙体内部较大的温度变化，从而影响室内的空气温度。做碰撞射流实验时，采用软性铝箔风管外加橡塑保温棉。实验室主要由自动控制系统、空气处理机组、数据采集系统和被控环境实验舱四部分组成。用奥地利EE10型号温度传感器（测量范围：-5℃～+55℃，精度：±0.3℃）、意大利DeltaOHM系列的HD103T型号风速仪（测量范围：0～5m/s，测量精度：±0.2m/s）等组成的测量元件测量数据，传输给数据采集模块。在实验室外通过电脑控制、检测实验室内部环境，以避免人员或外部环境对室内环境造成干扰，使实验更准确地达到所需工况并稳定运行。实验室结构见图1。碰撞射流通风实验的送风口为图1左侧半径为0.2m的管道口，排风口为门上部0.57m×0.07m的排风口。

图1 实验室结构布局

1.3 测试内容及测点布置

数据采集系统需要测量的数据：室内测点的温度、风速以及实验室地面上选取点的温度。

4根测杆共28个点测室内温度和风速变化，地面上的热电偶测量贴附地面的气流温度分布。各测点位置见图2。

图2 测杆及热电偶布置

在实验室均匀地布置四个测杆测量工作区的温度、风速，测杆上测点编号从上到下依次为1号、2号、3号、4号、5号、6号和7号，测点到地面的高度依次为2.4m、2.1m、1.7m、1.4m、1.0m、0.65m、0.35m。地面上以碰撞点（风管正下方中心处）为圆心，风口半径为半径的圆，与墙边界线的切点O作为原点，以墙边为起始边，分别沿30°、45°、90°方向布置热电偶（测试范围：-50～350℃，精度：0.01℃），热电偶距原点距离为y，y/d= 1、3、5、7、9（d为圆直径200mm）。

2 实验结果与分析

2.1 室内温度和气流速度随高度的分布

为了研究不同送风速度下室温随高度的分布情况，将各工况的4根测杆在稳定时的温度分布用曲线图表示。图3是两个工况的温度分布情况。

图3 两种工况下空气温度沿高度的分布

图3中显示了工况1和工况2的4根测杆在稳定后的温度分布曲线图。由图3可知，工况1和工况2类似，随着高度的增加，所有测点的温度逐渐上升，且各测杆温度分布曲线形状基本一致，4号测杆温度随高度变化与其他三根测杆相反，随高度增加，温度整体呈下降趋势。4根测杆温度随高度的变化曲线的交叉点基本集中在中间段1～2.1m之间，该高度之间的室内温度最均匀。

在房间下部高度在0.35～0.65m的区域内，4号测杆的温度最高，2号测杆次之，因为这两根测杆离送风口最近，所以下部温度较高，3号测杆温度最低，1号测杆较3号测杆温度高一点。在2.1m～2.4m的高度区域内，1号测杆温度最高，2号测杆次之，4号测杆温度最低，3号测杆温度处在中间水平，因为与室外相通的排风口离3号测杆和4号测杆较近。3号测杆整体温度处在较低水平，因为其位置远离送风口，靠近排风口。

分别计算出这两个工况下的4根测杆最高处测点与最低处测点的垂直温差，得到如图4所示的对比结果。从图4可以看出，送风速度为2.2m/s时，室内温度垂直温差比送风速度为1.5m/s时相对较小。

图4 两工况下各测杆垂直温差比较

为了研究送风速度不同时，室内风速分布特征，取v=1.5m/s和v=2.2m/s两种工况，最稳定时间段测杆上各点风速大小分布情况来进行对比分析（图5）。

图5 两种工况各测杆测点的风速分布

由图5（a）可知，4根测杆上的测点风速随高度变化分布曲线呈波动状，整体趋势是随高度的增加而速度增大。3号测杆上各点的速度随高度变化相对比较稳定，在房间下部平面上，2号测杆和4号测杆的风速较大，因为靠近出风口，2号测杆上的风速最大，4号测杆可能由于管道线路等遮挡的原因，风速有所削减。在1m和1.4m之间的高度上风速最平均，且风速比较低。风速小于0.5m/s以下，人没有太明显的感觉。

在风速分布图上用虚线画出了工作区内风速小于0.5m/s的点的情况。所要考察的工作区内的点，在两条水平射线之间，垂直虚线表示的是风速为0.5m/s的界限。由图5（b）可知，送风速度为2.2m/s时，4号测杆上0.35m和0.65m的测点风速大于0.5m/s，不满足舒适性要求。从风速满足要求的情况来看，送风速度为2.2m/s时，测点风速大于0.5m/s的点明显比送风速度为1.5m/s时的多。

2.2 送风速度对人体热舒适性影响

由于研究人体热舒适，所以只针对工作区（2.0m以下空间）的测点进行研究。有效温度差与室内风速之间有下列关系：

式中：△ET为有效温度差；ti，tn为工作区某点的空气温度和给定室内设计温度；vn为工作区某点空气流速。

根据该公式计算出h=0.2m，送风速度分别为v= 1.5m/s和v=2.2m/s时的工况工作区所有测点有效风感温度，在图6中表示，用虚线将-1.7和+1.1的界限标记出来，得到△ET满足-1.7～+1.1的点的情况。

图6 两个工况下工作区测点的△ET值

图6（a）给出v=1.5m/s时，工作区不满足-1.7<△ET<+1.1的点大多出现在2号测杆和4号测杆，原因可能是由于这两根测杆最接近送风口。1号测杆上出现不舒适点时的送风口高度为0.6m，送风速度为1.5m/s。2号测杆不舒适点基本出现在1.4m以下。4号测杆不舒适点基本出现在1m以下。v=2.2m/s时的工作区不满足-1.7<△ET<+1.1的点与送风速度为1.5m/s时类似。

3 结束语

本文在不同的送风速度工况下，对室内速度场、温度场进行实验对比分析，得出送风速度大小对碰撞射流的供热特性影响有以下结论：

1）送风速度越大，室内温度分布越均匀，有效风感温度越能满足-1.7<△ET<+1.1的条件；

2）送风速度越大，室内垂直温差越小，越有利于将热风送达人员空间。

[1]王红梅,王大鑫,郭阳.碰撞射流通风的特性及节能分析[J].低温建筑技术,2012,(7):137-138

[2]邢阳.基于碰撞射流通风的室内空气品质数值模拟[D].重庆:重庆大学,2012

[3]Large-eddy simulation of flow and heat transfer in an impinging slot jet[J].International Journal of Heat and Fluid Flow,2001,22 (5):500-508

[4]王晓婷,钟珂.定风量系统下碰撞射流通风的供热效果分析[J].制冷空调与电力机械,2011,(2):81-84

[5]T Karimipanah,H B Awbi.Theoretical and experimental investig -ation of impinging jetventilation and comparison with wall displacement ventilation[J].Building and Environment,2002,37(12): 1329-1342

[6]董雷.碰撞射流通风方式在办公类建筑中应用的探讨[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006

Expe rim e nta l Re s e a rc h on the Cha ra c te ris tic of Im pinging J e t Ve ntila tion Sys te m of He a ting unde r Diffe re nt Air Ve loc ity

BI Nan-ni,ZHONG Ke,CHEN Shuai
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

To experiment by setting the comparative experiments under different air velocity,the characteristics of impinging jet ventilation system of heating were experimentally studied.The experimental results show that in the normally allowable range,the higher the air velocity,the more uniform temperature distribution,and the more the effective air temperature to meet the conditions that 1.7<△ET<+1.1,the more help to improve the utilization of hot air.It provides a good theoretical basis for impinging jet ventilation in wide range of applications.

impinging jet ventilation,air velocity,heating characteristics

1003-0344（2015）05-027-4

2014-3-27

毕南妮（1988～），女，硕士研究生；上海市松江区人民北路2999号东华大学4号学院楼5135（201620）；E-mail:bnnzss@163.com