低温送风室内气流组织的实验研究

张瑞，柳建华，张良

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

低温送风室内气流组织的实验研究

张瑞*，柳建华，张良

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

低温送风在空气调节系统的节能和提高体感舒适度上有着独特的优势。但同时，送风温度偏低也带来了冷风下坠、温度场不均匀、热舒适性下降的隐患。本文针对低温送风中存在的这些问题，首先确立了低温送风的气流组织评价标准，并设计了包含制冷系统、冰蓄冷系统和测量系统在内的一整套低温送风实验系统，最后对不同的送风温度下实验结果进行定性和定量的分析，从而得到了相应的解决方法和结论。

低温送风；气流组织；热舒适性；射流；阿基米德数

0　引言

低温送风空调系统相对于常规空调系统，送风温度由15 ℃～18 ℃降至4 ℃～13 ℃，因而送风温差增大，带来了技术上极大的优越性：1）送风量减少，从而显著减少了水泵、风机等流体机械设备的费用与能耗；2）通过冰蓄冷系统为低温送风系统提供冷冻水，弥补了冰蓄冷系统初投资大的缺点；3）由于送风温度与湿度相对较低，室内空气能够保持低湿度，提高了人体体感舒适性［1-2］。其基本原理为，利用从冰蓄冷系统获得的1 ℃～4 ℃冷冻水通过空调机组的表冷器获得 4 ℃～13 ℃的一次风，经高诱导比的末端送风装置或特制低温送风口进入空调房间。但是，由于低温送风空调系统的送风温度较低，当气流组织不合理时，低温送风极易发生冷风过快下坠、室内流动不畅的现象，进而影响室内温度场与速度场的均匀性［3］，因而需要研究满足人体体感舒适性要求的低温送风形式。

本文在确定低温送风气流组织评价标准的基础上，通过实验分析了在不同低温送风温度（13 ℃、11 ℃、9 ℃和7 ℃）下对室内温度场和速度场的影响，为低温送风的进一步研究与设计提供了参考。

1　低温送风气流组织评价标准

对于低温送风的室内气流组织，其主要目的为保证室内工作区中空气的温度、速度和湿度能够满足规范对舒适性空调的一般要求，更重要的是为室内人员提供良好舒适的热环境，因而低温送风气流组织的评价标准是：工作区域温度梯度、风速、温度和速度不均匀系数、有效风感温度和空气分布特性指标［4］。

1.1工作区域温度梯度

在空调房间内，始终进行着热质交换的过程，故在各方向存在温度差异（温度梯度），特别是垂直方向存在明显的温度分层。按照ISO 7730标准［5］，在工作区域地面上方1.1 m和0.1 m（主要考虑坐时的工作情况）之间的温差不应大于 3 ℃；而美国ASHRAE 55-92标准［6］建议地面上方1.8 m和0.1 m之间的温差不应大于3 ℃（这也考虑了站立工作的情况）。本课题针对低温送风房间，更需要保证温度分布均匀，因而对于垂直方向温度梯度的控制，采用ASHRAE55-92中的控制指标。

1.2工作区域风速

在房间人员工作区域内，气流速度场分布往往直接影响其温、湿度场的分布，因而工作区域内的风速同样是评价低温送风气流组织的一个重要因素。在温度较高的场所，一般可提高风速来改善环境的热舒适性，但大风速同样会带来噪声和吹风感。在标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中［7］规定：舒适性空调冬季室内风速不应大于0.2 m/s，夏季不应大于 0.25 m/s；送风风速又有如下设计规定［8］：人体状态为长时间静坐时，室内风速值不应大于 0.25 m/s。本文中低温送风的实验即针对该工况，因此，风速值不宜大于0.25 m/s。

1.3温度与速度不均匀系数

工作区域温度梯度与风速指示了低温送风所应满足的空气调节基本要求，而温度和速度不均匀系数则从整体上指示了空调房间各个测点间温度、风速不同的程度，反映了气流在房间内均匀性的好坏。

不均匀系数是在室内工作区域内选择n个测点，分别测得各点温度与风速，计算得到温度、风速的算术平均值和均方根偏差后，经过数据处理得出，如公式（1）所示。

式中：

Kt——温度不均匀系数；

Ku——风速不均匀系数；

t——室内各温度测点的算术平均值；

u——室内各风速测点的算术平均值；

δt——室内各温度测点的均方根偏差；

δu——室内各风速测点的均方根偏差。

可以看到，不均匀系数均为无量纲量，且其值越小，则表明气流分布的均匀性越好。

1.4有效风感温度与空气分布特性指标

前述3项指标均能准确反映低温送风气流组织本身的质量，但无法具体反映低温送风对人体舒适性的影响。人在空调房间常见的不舒适体验即吹风感，即假定房间湿度和辐射温度不变时室内空气温度与流速给人体局部带来的不适。本研究引用文献［9-10］规定的有效风感温度（EDT）与空气分布特性指标（ADPI）进行判断。其中EDT用于判断工作区域任何一点的吹风感，而对整个工作区域气流组织舒适性的评价用ADPI判断。

其中，当EDT处于-1.7 ℃～+1.1 ℃，并且风速在0.35 m/s以下的范围时，大多数人感觉是舒适的；当 EDT<-1.7 ℃时有冷吹风感，当 EDT>+1.1 ℃时有热吹风感。而ADPI的定义如下：

式中：

N——对空调房间进行温湿度、风速等参数测量所布置的测点总数；

n——空调房间布置的所有测点中满足人体舒适要求的测点数，即-1.7 ℃

其ADPI值越高，则空调区域内人员对环境温湿度感到满意的人越多，当ADPI≥80%时即可认为空调区域内气流组织是令人满意的。因而，在一般情况下，应使ADPI≥80%。

2　低温送风实验设计

2.1实验装置

实验装置从功能组成上可分为制冷系统、空调系统和测量系统。

制冷系统主要为低温送风系统提供必需的冷冻水，在本研究中应用了通常与低温送风系统结合的冰蓄冷系统。本实验所用冷源为1套双工况制冷机组，主要由2个定频压缩机、1个冷凝器、1个蒸发器（板式换热器）、2套膨胀阀等部件组成，使用R22制冷剂，在空调工况下制冷量为12.8 kW，蓄冷工况下制冷量为6.5 kW。

冰蓄冷系统则主要由蓄冰槽和蓄冰材料组成。本课题中使用文献［11］介绍的开式蓄冷槽，以乙二醇为冷媒下进上回；蓄冷材料采用密封件式蓄冷形式，蓄冷单元为广州贝龙环保有限公司提供的封装式Gryogel冰球，由高密度聚乙烯（HDPE）材料制成，直径约103 mm。

实验装置的空调系统主要包括空气处理系统和空调末端装置。针对低温送风系统的冷冻水，选配了麦克维尔柜式空气处理机组，进水/出水温度4 ℃/14 ℃，额定风量 1,500 m3/h，盘管水流量0.18 L/s，机组全冷量8.0 kW，显冷量7.0 kW，电机功率 0.37 kW。而在空调末端装置上，本文采用耐低温、防结露材料（聚氯乙烯）、贴附诱导性能好较好的方形散流器，在不大幅提高成本的基础上降低了送风温差，一定程度上限制了“冷风下坠”现象的发生。而针对低温送风诱导形式的末端装置，虽然送风温度得以接近于常规送风温度，但由于需要增设额外的诱导设备、风机等，因而并不一定能很好地实现系统整体的节能，本文中暂不做研究。散流器风口结构截面简图如图1所示。

图1　散流器风口结构截面图

实验装置的测量系统的主要测量参数为实验房间的温度、风速、送风量和送风温度。送风温度、冷冻水等温度测点，采用Pt100温度传感器；采用上海拿华电子科技有限公司FS-WV系列风量变送器采集风量，测量房间风速和送风量，其基本原理为通过S型毕托管来测量管道内流体压力进而获取速度、流量的值；室内温度场的测量，使用T型热电偶通过数据采集仪Agilent 34970A进行采集，所有热电偶在实验前均用恒温水浴进行标定；最后，房间风速测量采用HD 103T.0型万向风速仪，所读数据通过连接的SWP-NSR110-1/C2型无纸记录仪进行显示。测点变化范围均在所有选定传感器、变送器的量程范围内，且选定精度满足要求。

2.2实验房间

实验房间为学校某实验室旁的一间标准会议室，其长、宽、高分别为7 m、5.8 m、2.6 m。房间的南墙有两扇窗，尺寸均为2.4 m×2.1 m；北墙外面为走廊，并且门开于北墙上；东墙外面为楼道；西墙与不设空调的实验室相连。室内主要有会议桌、实验人员、电脑、灯光等。送回风形式采用常用的上送上回形式。送风口中心距离西墙1.3 m、距离北墙2.9 m；回风口距离西墙0.23 m，距离北墙0.16 m。

2.3实验原理与内容

本课题实验研究的目的是以冰蓄冷系统为冷源，对实验房间进行低温送风，在不同送风温度下对室内的气流组织和热舒适性进行评价和分析，最终研究得到不同低温送风温度对室内温度场与速度场的影响。

基于以上目的，设置了4组不同送风温度下的实验，分别为13 ℃、11 ℃、9 ℃、7 ℃，所对应的送风量分别为615 m3/h、532 m3/h、469 m3/h、420 m3/h。在室内布置测点，对每一工况下的室内温度测点和风速测点进行测量。平面方向测点均匀布置，俯视图下送风/回风口位置与平面方向测点编号如图2所示。

图2　测点平面布置图

在ISO 7726标准［12］中，推荐室温的测定高度为距地面 0.1 m、0.6 m、1.1 m、1.7 m。而对于不同的建筑、不同的空调系统，在不同时间内实验室温度分布一般是不同的，结合实验房间尺寸长、工作人员集中、送回风口位置偏高的实际情况，修正在垂直方向的测点高度分别为0.1 m、1.1 m、1.8 m、2.2 m。

进而对室内所布置的温度测点和风速测点进行测量，得到各测点测量值后利用已确立的低温送风气流组织评价标准对室内气流组织和热舒适性进行评价。在不同的送风温度条件分别进行了实验，以了解低温送风温度的变化对室内气流组织性能的影响。在实验房间的三维空间内，共有48个均布测点，每一测点高度平面对应12个平面方向均布测点，具体实验内容为，针对每一送风温度的工况（对应送风量），在不同测点高度平面测量得到平面方向各测点的温度值和速度值，记录并分析。实验步骤如下：

1）在蓄冷结束后，在PLC控制面板上将送风温度设定在所需要的温度值；

2）根据负荷计算得出各送风温度下所对应的所需风量值，调整风机频率，从LabView程序面板上读取并记下 10个连续的风量值，然后求出平均值，当该平均值距所需风量值的误差可接受时，固定风机频率，此风量值即为该工况下的送风量值；

3）当送风温度和室内温度稳定以后（本实验稳定时间为30 min）开始测量，测量时数据采集仪通过室内布置各个测点的热电偶采集温度场，微风速仪测量各测点的风速值。

3　实验数据处理与分析

经实验得到不同送风温度下各测点温度、风速值，记录并绘制成二维折线图如图3～图6所示。

图3　送风温度13 ℃下，水平方向不同高度平面测点温度、风速值

从同一送风温度下的各点趋势看，从送风口出风开始较短的距离内，送风速度较高，之后迅速衰减，尤其以测点 5-6-7-8该行表现最为显著；而在高度方向上，越接近于送风口的高度平面上变化越明显。以测点5为例，送风口位置中心与该测点中心在高度方向共线。送风射流以低温进入实验房间，一方面受到天花板限制形成贴附射流，另一方面不断卷吸房间空气进行动量交换，同时受到粘性力、惯性力和浮力的作用［13］；而在射流与房间空气混合过程中，惯性力占主导地位，故总体上同一平面下测点5-6过程中风速仍持续增加；而在混合过程结束后的阶段，惯性力开始减少乃至最终发展成为浮力主导的卷流［14］，因而总体上测点6-7-8过程中风速持续走低，在测点7-8过程中风速更是迅速下降。高度方向上同样发生着射流与房间空气的混合，但由于采用散流器平送，射流贴附作用较大，故高度方向上混合仅对接近送风口的高度平面上送风测点的温度、风速分布产生了较大影响。同时，可以看到，风速的上升对低温送风降低室温的促进十分显著，而当风速下降依靠卷流运动进行换热时，室温的下降变得缓慢甚至回升，换言之，整体温度分布因此也开始不均匀。

另一方面，对比不同送风温度下的趋势，送风温度越低，同一水平面上风速衰减速度越快，测点1-2-3-4、5-6-7-8、9-10-11-12的过程均可说明这一点；同时，随着送风温度的降低，高度方向上的温差开始增大，也即垂直方向温度分层的现象开始变得显著。

为分析该趋势，引入阿基米德准则数［15］：

式中：

g——重力加速度，通常取值9.81 m/s2；

l——特征长度，此处可视为房间高度，m；

ΔT——送风温度值与房间温度值差值，；

V0——送风初速度，m/s；

T——环境温度值，℃。

图4　送风温度11 ℃下，水平方向不同高度平面测点温度、风速值

图5　送风温度9 ℃下，水平方向不同高度平面测点温度、风速值

图6　送风温度7 ℃下，水平方向不同高度平面测点温度、风速值

阿基米德准则数物理意义即浮升力与惯性力之比；由其定义可知，当送风温度越低（即送风温差越大，浮升力方向为负）、送风初速度越小、房间高度越大时，阿基米德数偏大，此时浮升力作用超过惯性力作用，导致射流贴附过早分离，也即“冷风下坠”，必然引起垂直方向的温度分层与水平方向的速度剧烈衰减，进而引起整个房间温度场与速度场的不均匀。另一方面，理论分析也反证了数据趋势的正确性。

针对实验数据的定量处理与分析如下。首先根据已确立的低温送风气流组织评价标准进行计算如表1所示。

表1　低温送风气流组织评价参数值

从数据处理的结果来看，13 ℃、11 ℃、9 ℃送风温度下实验结果较为令人满意，高度方向温差均完全满足 ASHRAE55-92标准建议的地面上方1.8 m和0.1 m之间的温差不应大于3 ℃的要求；而在风速方面，13 ℃送风温度下大于0.25 m/s的风速由于出现在2.2 m高度的非工作区，因而也能接受，故而4组送风温度下风速大小均可认为符合要求。但在 7 ℃送风温度下，高度方向最大温差已高达2.7 ℃，同时对照图 7可看到室内上部温度已明显高于下部，“冷风下坠”现象较其他送风温度下更为明显，此时ADPI值又为75%，小于80%，故虽然高度方向最大温差符合标准但不满足人体舒适度要求。

另外，可以看到，随着送风温度的降低，温度、风速不均匀系数连续趋向于增大，而ADPI值连续减小；故尽管在4组低温送风温度下温度、风速都能满足标准要求，但温度、风速的整体房间分布随送风温度降低不断趋向于不均匀，进而导致房间各点有效风感温度EDT偏离-1.7 ℃～+1.1 ℃的温度区间，最终表现为ADPI值的持续下降，整个房间的热舒适性越来越差。

4　结论

本文在实验房间布置温度、风速测点，设计在13 ℃、11 ℃、9 ℃、7 ℃不同送风温度下的实验，测量各测点温度值与风速值，并利用气流组织评价标准对房间气流组织与热舒适性进行评价和分析，分析不同低温送风温度对房间温度、风速分布的影响。

首先，在低温送风系统中，要达到标准所规定的温度、风速并无较大问题，但达到标准并不一定能很好地满足房间的热舒适性要求，设计指标必须同时满足标准与热舒适性。特别是如本实验中7 ℃送风温度下的房间温度、风速所示，尽管仍在标准规定的温度、风速范围内，但代表气流组织和热舒适性的不均匀系数与ADPI值却不断恶化。

另一方面，由于低温送风温度偏低，极易引起贴附射流的分离，造成“冷风下坠”，使得不均匀系数增大、ADPI值下降。故需要采取措施降低送风温差从源头上减少送风射流受到的浮升力，增加送风射流的贴附长度，确保整个房间的空气质热交换均匀。针对该问题，一方面可以结合成本与具体要求选择合适的低温送风口；另一方面可以选用低温送风诱导形式的末端装置。而从系统节能的角度看，更宜采用前一种低温送风末端的方案。

最后，增大送风量，从而提高送风初速度，也是增大射流动量、延长射流贴附长度的有效措施之一。然而，如本文实验所示，13 ℃、11 ℃、9 ℃和7 ℃送风温度对应的送风量分别为 615 m3/h、532 m3/h、469 m3/h和420 m3/h。可以看出送风温度与送风量间“联动”的关系，送风量必然要伴随着送风温度的上升而上升以确保气流组织的舒适性，同时送风量的下降又需要送风温度相应下降以确保制冷量足够。故在设计低温送风系统时，要同时确保选定合适的送风温度、尽可能高的送风量、与送风口尽可能少的阻力损失，以最优的组合设计保证低温送风下气流组织与热舒适性满足要求。

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Experimental Investigation on Indoor Air Distribution in Low Temperature Air Supply Room

ZHANG Rui*, LIU Jian-hua, ZHANG Liang
（School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China）

Low temperature air supply possesses unique advantages on energy conservation and thermal comfort improvement for the air conditioning system. However, the supply air with low temperature also brings possible defects of cold air draught, asymmetrical temperature field or thermal comfort reduction. Thus, in order to explore and solve the above problems, the evaluation standards on airflow distribution of the low temperature air are first defined, then the corresponding experimental system is designed and introduced, including its refrigeration system, ice storage system and measurement system. Finally, the qualitative and quantitative analysis on experiment results is carried out for different air supply temperatures, and the targeted solving methods and conclusions are acquired and presented.

Low temperature air supply； Airflow organization； Thermal comfort； Jet flow； Archimedes number

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.105

*张瑞（1991-），男，硕士研究生。研究方向：制冷及空调工程。联系地址：上海理工大学能源与动力学院，邮编：200093。联系电话：13524293204。E-mail：zrbruce@126.com。