高大空间中碰撞射流热风供暖特征

贾剑波， 亢燕铭， 左　滨， 钟　珂

(东华大学 环境科学与工程学院， 上海 201620)



高大空间中碰撞射流热风供暖特征

贾剑波， 亢燕铭， 左滨， 钟珂

(东华大学 环境科学与工程学院， 上海 201620)

摘要：碰撞射流通风气流以较高速度将热风直接输送到房间下部空间，避免了常规供暖时热空气难以到达人员空间的缺点. 以大面积侧窗的高大空间为研究对象，利用数值模拟方法，研究碰撞射流用于高大空间供暖时的热环境特征. 结果表明，尽管沿冷表面下沉的冷空气对热射流的运动轨迹有明显影响，但直接到达地面的热射流仍能够克服冷空气的不利作用，消除大空间供暖房间下部温度偏低的缺点. 同时研究也表明，碰撞射流热风供暖房间中脚踝部吹风感超出人体舒适范围的风险很大，需要以减小吹风感为目标对送风参数进行优化.

关键词：碰撞射流通风； 高大空间； 热风供暖； 冷表面； 吹风感

随着人们对建筑通透性要求的提高，许多公共建筑的侧墙被大面积玻璃窗替代.由于玻璃传热系数大，窗户内表面和附近空气温度偏低.在负浮力作用下，大量冷空气沿窗户冷表面下沉，最终在地面附近形成“冷空气湖”，不仅使人员空间温度低于房间上部温度，还因浮力作用阻碍了热风向人员空间的输送.文献[1]对顶部送风和上侧送风的热风供暖房间室内的风速和温度分布进行了实测，结果表明，虽然增加送风速度可以缓解沿玻璃窗下沉的冷空气导致的室内温度梯度过大的问题，但会增大人体吹风感的风险.文献[2]通过改变送、回风口高度，研究了沿冷表面下沉的冷空气对室内温度分布形成的不利影响，结果表明，在上送式热风供暖房间很难彻底解决室内温度下低上高的分布特征.文献[3]在热风供暖高大空间中对室内温度分布的实测结果表明，垂直高度上的最大温差接近13 ℃.尽管高大空间中，以满足房间下部的人员舒适要求为目标进行供暖系统控制，上部空气温度分布对人员舒适没有影响，但是房间上部温度过高将造成供暖能耗的浪费.

置换通风和地板送风等下送风方式可以将热风直接送入人员空间，但由于送风速度过低，在热浮力作用下，容易造成风口送出的热气流短路，没有在人员空间扩散开就直接从回风口排出，使远离送风口处气温偏低，难以满足房间下部人员空间的供暖要求，因此，下送风方式很少用于高大空间热风供暖.碰撞射流通风是新型的通风方式，送风气流以较高速度从垂直送风口撞击地面后扩散开.碰撞射流通风供冷时与置换通风类似，具有空气品质好和节能的优点[4-6]，同时还克服了置换通风不适合供暖的缺点，因此，碰撞射流通风方式被认为同时具有置换通风和混合通风的优点[4-6].但目前关于碰撞射流通风性能的研究大都集中在供冷和等温通风方面[4-7]，关于碰撞射流通风用于供暖的研究极少.

为此，本文将在采用实验验证数值计算方法的基础上，对具有大面积侧窗的高大空间，利用数值模拟方法对室内气流和温度分布进行研究，以分析碰撞射流用于高大空间供暖时的热环境特征.

1数学计算模型

1.1计算模型的确定

本文以两个不同高度(H=6 m和H=18 m)的高大空间为物理模型进行研究，模拟建筑为框架结构，柱子横截面尺寸为0.6 m × 0.6 m，柱距9 m，如图1所示.建筑外墙上设大面积落地窗，每扇宽度为3.3 m，窗间墙宽度为1.2 m.采用碰撞射流热风供暖，送风管围在立柱周围，宽为0.15 m，距离地面高度h分别为0.3， 0.6和0.9 m，回风口尺寸为0.45 m×0.45 m，高大空间计算区域与送、回风口布置如图2所示.每个柱距内空调送、回风口布置相同，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作为研究对象，其平面分布见图1中阴影部分.

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

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

由于侧墙热损失造成混合通风供暖房间温度垂直分布很不均匀，因此，本文侧重于研究侧墙作为主要热损失面时，碰撞射流供暖房间内的流场和温度场分布.在模拟计算中假设地板和屋顶为绝热表面，而人、灯和电脑等室内热源都对房间供热有利，但对房间内气流和温度的局部分布影响很小[8]，因此，在模拟中将不考虑室内热源的影响.在供暖房间中，门窗缝隙的冷风渗透也是其冬季热负荷的来源之一，但空调房间需要保持室内正压，故模拟计算中不考虑冷风渗透产生的热损失.计算过程中保证不同送风状态时的室内温度均在20 ℃左右，不同计算工况对应的落地窗和窗间墙的热流密度不同，以对应不同的室外气候条件.碰撞射流送风通过送风口垂直向下喷出，由于同时用于夏季供冷，因此送风温差一般不超过4 ℃.本文模拟计算中分别设送风速度v为1和2 m/s，送风温差Δt为2和4 ℃.

1.2数学计算模型

本文研究采用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.数值计算时，对控制方程采用二阶迎风格式进行离散化，并对离散方程采用SIMPLE算法进行求解.由于供热时温差引起的浮升力会影响流场的分布，故对空气密度采用Boussinesq近似，数值模型中所有的墙壁都满足无渗透和无滑移条件.送、回风口边界类型分别定义为velocity-inlet和outflow形式.物理模型采用四面体网格进行划分，对传热的墙体附近以及送、回风口的网格进行加密处理.

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1.3数学计算模型的合理性验证

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.热风采暖实验参照文献[2]在东华大学环境科学与工程学院人工气候实验室进行，对室内的速度场和温度场分布进行实时测量.实验室中共布置4个测量杆，并在每个测量杆上沿高度方向设置7个测量点.

实验过程中采用Humlog20型温度仪进行温度测量，分辨率为0.1 ℃，并采用意大利Delta公司的万向风速仪测量气流速度，测量范围为0.05～5.00 m/s，精度为±3%，分辨率为0.01 m/s.为了保证实验数据的准确性，实验在完全稳定的条件下连续测量5～6 h，直到室内的壁面温度和空气温度的波动范围小于±0.5 ℃，最终实验数据均取自稳定状态下的实测值,实验过程中送风速度为2 m/s，送风温度为30 ℃.

运用数值计算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分析的合理性.图3(a)给出了高大空间垂直方向上1号测量杆的温度实测结果与数值模拟计算结果，图3(b)给出了3号测量杆的气流速度实测值与模拟值.受篇幅限制，2号和4号测量杆的比较结果不再给出.

图3温度和速度实测值与数值模拟结果对比

Fig.3Comparison of the numerical results and experiment data of the temperature and velocity

从图3可以看出，除某些位置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偏差外，整体上数值模拟计算结果与实验测得的结果能够较好地吻合.

文献[9]对于送风口高度h=0.95 m的碰撞射流系统的气流速度进行了测量，从碰撞点开始扩散的3个角度和不同的距离设置12个测速点，测得每个点的平均速度.本文利用数学计算模型模拟了该实验工况，模拟结果与文献[9]实验值的对比如图4所示.由图4可以看出，模拟值与实验值吻合较好.结合图3和4的结果，可以认为本文所采用的数值模拟计算方法是可靠的，可以用于后续的模拟计算.

图4　实验数据与模拟数据的对比

2数值模拟结果与分析

2.1送风参数对室内温度场和气流分布的影响

房间近窗处与地面附近气流速度轨迹如图5所示.由图5可以看到，由于窗户玻璃内表面温度偏低，窗户附近空气通过对流换热被冷却后下沉.在混合通风和碰撞射流通风中，冷空气下沉速度高达0.1～0.4 m/s.在混合通风中，冷空气下沉至地面后扩散到整个地面，能够形成冷空气湖，进而在浮力作用下阻止从房间上部送出的热空气到达底部空间，形成温度呈下低上高的分布特征，如图5(a)所示[1-2].在碰撞射流通风中，下沉到地面的冷空气与沿地面扩散的热射流相遇，并改变热射流的运动轨迹.当碰撞射流送风速度较大时，沿玻璃冷表面下沉的冷空气仅改变了近窗处热射流的运动轨迹，大部分地面被送风热空气覆盖，如图5(b)所示；当碰撞射流送风速度较小时，冷空气沿地面扩散距离增大，地面附近的大部分气流在冷空气的控制之下，两个送风口的热射流沿地面扩散距离都因冷气流而缩短，如图5(c)所示.

(a) 上送上回供暖[2]　(b) 送风速度较大时的碰撞射流供暖　(c) 送风速度较小时的碰撞射流供暖

层高为6 m，送风口高度为0.9 m时，碰撞射流通风中不同送风状态时典型垂直剖面(位置见图2)上温度和气流流线分布图如图6所示.由图6(a)可以看到，送风速度较大时，在沿窗户下沉的冷空气干扰下，送风热射流在近窗处产生局部涡流，涡流中心的温度较低，但热风仍能顺利到达窗户附近，并有效地阻止冷空气在这个位置下沉，部分冷空气在距离地面较高处与热空气混合并上浮.由图6(b)可以看到，当送风速度较小时，沿玻璃冷表面下沉的冷气流与热射流相遇后，在垂直方向上形成涡流，并使下部温度偏低.尽管热射流在离送风口较近处就被迫上浮，但附近涡流加剧了上浮热空气与近地面冷空气的热交换，并使部分热空气与近窗户冷空气混合，提高了窗户附近的空气温度.因此，尽管下沉冷空气对送风射流轨迹有明显影响，但室内温度梯度仍很小.

(a) v=2 m/s, Δt=2 ℃　　　　(b) v=1 m/s, Δt=4 ℃

为了得到近窗处的空气特性，在距离窗户表面0.1 m处均匀设置考察点，每个考察点间隔1.0 m，对层高6和18 m的高大空间，分别设置54和162个点.对所有考察点的温度和垂直方向气流速度进行统计，并规定气流方向向上为正，向下为负，最终得到近窗处冷气流平均速度和平均温度的统计结果如图7所示.由图7(a)可以看到，玻璃窗附近绝大部分区域的气流方向都向下.层高为18 m时的下沉气流速度均小于层高为6 m的情况，这是由于模拟计算中为保证不同层高房间通过玻璃窗的热损失相同，在大层高时玻璃窗表面温度设置较高导致的.由此可以得知，玻璃表面温度对冷空气下沉速度的影响大于玻璃整体热损失的影响.此外，由图7(a)还可以看到，相同的送风速度下，送风温差越大，靠窗处的冷气流下沉速度越大，这同样是因为较大的送风温差对应着较大的热损失和较低的玻璃表面温度，即玻璃窗表面温度越低，下沉冷气流速度越大.

(a) 速度

(b) 温度

由图7(b)可以看到，窗户附近0.1 m处的空气温度呈现出与气流速度基本一致的变化趋势.将所有工况下窗户附近的空气温度与室内平均温度(20 ℃左右)相比，可以看到两者非常接近.这是因为碰撞射流通风通过将热空气直接送入下部区域，有效地提高了房间冷表面附近的空气温度，从而消除了可能导致热风供暖房间下部温度偏低的缺点.

房间层高为6和18 m、送风口高度为0.3 m时不同送风状态下，房间靠窗处和中心位置处温度沿高度的变化曲线如图8所示.由图8可以看到，两种层高房间中心位置的温度沿高度分布非常均匀，近地面温度与顶棚附近空气温差不到1 ℃，离窗户0.1 m处空气在高度方向的最大温差在层高为6 m时约为3 ℃，在层高为18 m时仅为1.5 ℃，但后者在顶棚附近的空气在近窗处温度略低，这可能是层高较大时，热空气上浮动力不足造成的.高大空间供暖的目的是保证近地面人员空间空气达到舒适温度，在满足该要求的情况下，房间上部温度越低，热损失越小.因此，顶棚温度降低这个特征可以使高大空间上部玻璃窗附近室内外温差较小，从而实现节能效果.但这仅仅是一种猜测，在随后的工作中将进行探索.

(a) H=6 m , h=0.3 m

(b) H=18 m , h=0.3 m

2.2热舒适性分析

距离地面0.1 m处基本上被认为是人体脚踝所处的位置，脚踝是人体对冷空气比较敏感的部位之一，而头部是对热空气敏感位置之一，本文定义高大空间中人员头部高度为1.7 m.当头部附近空气温度高于脚踝部空气温度3.0 ℃，即头足温差超过3.0 ℃时，将引起人体不舒适[10].

碰撞射流通风供暖中不同送风工况下高大空间的头足温差如图9所示.由图9可以看到，在本文所模拟的各工况条件下，头足温差，基本上在0.4 ℃以内，表明碰撞射流通风供暖房间不存在因头足温差造成人体的不舒适.相比两种不同层高的头足温差，由图9还可以看到，层高较小时，部分工况下存在头部温度高于脚踝部的情况；层高较大时，所有工况下对应的头足温差均为负值，这一特征符合人体热舒适所要求的理想状态，即足热头凉.由此表明碰撞射流通风对温度垂直分布的改善效果在大层高房间更显著.

图9　不同工况下头足温差Fig.9　Temperature difference between head and 　feet with different conditions

两种层高碰撞射流房间内中心位置处气流速度沿高度的变化如图10所示.由图10可以看到，在各种工况下靠近地面处的气流速度都比较大，部分工况的最大气流速度超过了0.4～0.5 m/s.

尽管在较暖的环境下，吹热风并不导致人体热平衡受到破坏，但速度过高的气流会引起人体产生不舒适的“吹风感”.因此，本文引入局部吹风不满意率(PD)来评价室内的热不舒适性.PD的计算如式(1).

PD=(tc l-t)(v-0.05)0.62(3.14+0.37vTu)(1)

式中：t为工作区考察点温度，℃；v为工作区考察点气流速度，m/s；Tu为湍流强度；tc l为着装人体脚踝表面温度，℃.通常人体表面温度比环境温度高5～7 ℃，因此在计算冬季供暖房间吹风感时，取tc l=26 ℃.

(a) H=6 m, h=0.3 m

(b) H=18 m, h=0.3 m

文献[7]将工作区即人员活动区定为地板以上到1.8 m之间、距出风口1 m以上、距内墙0.3 m.在工作区内PD的最大允许值为20%.

冬季供暖房间内人体脚踝处是服装热阻最小的部位，也是人体热损失最敏感的部位，同时，图10表明，碰撞射流通风房间，近地面气流速度较大，因此，本文对脚踝高度处的吹风感进行分析.在距离地面0.1 m高度处，在整个人员活动区上均匀设置间隔为0.5 m的考察点，共236个，得到各种模拟工况下PD的统计平均结果如图11所示.由图11可以看到，在所有模拟工况下，送风速度越小，PD越小，而送风温度的改变对PD的影响较小，表明在碰撞射流通风供暖房间，产生不舒适吹风感的主要原因是气流速度过高.层高(或窗户玻璃表面温度)增加时，相同送风参数下的PD略有增加.送风速度为1 m/s时，绝大多数工况下的PD值都小于10%；送风速度为2 m/s时，大约有10%的考察点的PD超过了20%的限值.结合2.1节的分析，可以认为碰撞射流通风供暖有效提高了人员空间的温度，相对于上送风供暖方式，碰撞射流通风供暖具有很好的节能效果，但近地面吹风感过大使得其房间的热舒适性较差.

图11　各种工况下脚踝高度处平面PD的统计结果

3结语

大面积玻璃窗的出现加剧了高大空间供暖房间上部温度过高，供暖能量利用率低的现象.碰撞射流送风气流以较高速度将热风直接输送到房间下部空间，避免了混合通风时热风难以到达近地面区域的缺点，但同时也出现了人员空间气流速度过高的风险.本文以大面积侧窗的高大空间为研究对象，利用数值模拟方法研究分析了碰撞射流用于高大空间供暖时的热环境特征，主要结论如下所述.

(1) 沿冷表面下沉的冷空气对碰撞射流供暖房间热射流的运动轨迹有明显影响，送风速度越小，热射流轨迹变化越大.

(2) 尽管热射流在冷空气作用下被迫上浮，但在冷热空气交汇处形成的涡流加剧了上浮热空气与近地面和近窗处冷空气的热交换，使冷空气温度接近平均空气温度，从而使碰撞射流热风供暖房间空气温度沿高度分布非常均匀，消除了大空间供暖房间通常下部温度偏低的缺点.

(3) 碰撞射流通风将热空气直接送入下部空间，形成良好温度分布的同时，也使得近地面气流速度过大，使脚踝处吹风感超出人体舒适范围的风险增大.供暖房间出现吹风感的原因是人员空间气流速度过大，为了减小气流速度，可以减小送风速度或送风面积并增大送风温差，但这可能出现送风惯性不足的问题.为此，本文将在随后的研究中以减小碰撞射流热风供暖房间吹风感为目标，对送风面积和送风参数的优化展开深入研究.

参考文献

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[10] 朱颖心.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.

Characteristics on Large-Height Spaces’ Warm-Air Heating Systems for Impinging Jet Ventilation

JIAJian-bo，KANGYan-ming,ZUOBin,ZHONGKe

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

Abstract:To avoid the disadvantage of the conventional heating that the warm air is difficult to reach the occupied space, a new systems like impinging jet ventilation systems (IJVS) has been developed which is directly put the air with high momentum downwards onto the floor and spreads over a large area. Based on the large-height space containing a large area of the side windows as the research object, numerical simulation has been used to analyze the indoor thermal environment characteristics when IJV is used in the large space heating. The results show that, although the cold air sinking along the cold surface has a significant effect on the trajectory of the hot jet, the hot jet reaching directly to the ground can still overcome the adverse effects of the cold air, and eliminate the shortcomings that the lower temperature of the low space of the large heating room. The research result also indicates that draught sensation of the ankles have a high risk beyond the range of human comfort. It is necessary to optimize the air parameters to reduce draught sensation.

Key words:impinging jet ventilation; large-height space; warm-air heating; cold surface; draught sensation

中图分类号：TU 111.1; TU 834.2

文献标志码：A

作者简介：贾剑波(1989—)，男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为建筑通风与室内空气品质．E-mail:jiajianbo1225@126.com亢燕铭(联系人)，男，教授，E-mail:ymkang@dhu.edu.cn

基金项目：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)

收稿日期：2014-11-05

文章编号：1671-0444(2016)01-0079-07