冷风侵入对热风供暖房间室内热环境影响的实测研究

房玉恒， 叶 筱， 钟 珂， 亢燕铭

(东华大学 环境科学与工程学院，上海201620)

冷风侵入对热风供暖房间室内热环境影响的实测研究

房玉恒， 叶 筱， 钟 珂， 亢燕铭

(东华大学 环境科学与工程学院，上海201620)

侵入室内的室外冷风不仅会造成室内近地面温度过低，也会使供暖能量利用率明显下降．针对不同冷风侵入量和侵入频率时的热风供暖房间室内热环境进行了试验研究．结果表明：供暖房间时间平均温度不受冷风侵入频率影响，仅空气温度波动幅度随着冷风侵入频率的减小而增大；随着冷风侵入量的增加，室内温度梯度增大，且供暖能量利用率下降；在有明显冷风侵入的场合，送风量相同时，采用较大送风速度是减弱冷风侵入不良影响的关键．

冷风侵入； 热风供暖； 温度梯度； 供暖能量利用率

混合通风作为主要的热风供暖方式，已在公共建筑中得到了广泛应用，如文献[1-9]对混合通风热风供暖效果进行了研究．但大多数研究都是针对无室外冷空气侵入的房间展开的，关于有明显室外空气侵入的空间供暖特征的研究则非常少，而实际中这种空间非常普遍，如超市、商场等．尽管这类建筑多采用正压送风，但外门的频繁开启仍会导致大量室外冷风侵入室内．文献[10]对飞机仓库热风供暖效果的实测研究表明，通过大门侵入室内的室外冷风会显著增加房间的热力分层，造成对热量的需求比在没有热力分层情况下的要多38%．文献[11]研究指出，在一个饲养家禽的单层高大建筑内，从地板到天花板测量的温差可达18 ℃，这就严重降低了供暖能量的利用率．

所以，在有明显室外冷风侵入供暖房间内降低温度梯度，是改善此类房间供暖能耗特征的关键．为此，本文拟在人工气候室内，对有明显室外冷空气侵入的热风供暖房间的室内环境进行实测研究，寻找减小此类房间热力分层现象的途径，以达到相对节能的效果．

1 试验条件与方法

室外冷空气通过开启的外门进入供暖房间，因此，每次开门的持续时间和开门频率便构成了室外冷风的侵入特性．为此，本文在不同的开门时长和开门频率情况下，测量供暖房间室内空气温度分布特征，研究探讨冷风侵入对室内热环境的影响．

1．1 实验室布置情况

试验中人工气候室位于一尺寸为8．0 m×6．5 m×4．2 m(L×W×H)的实验室内，布置情况如图1(a)所示．人工气候室内部尺寸为3．6 m×3．0 m×2．6 m(L×W×H)，其围护结构为内置7 cm厚岩棉板的钢板，围护结构的传热系数为0．9 W/(m2K)．人工气候室有一密闭性良好的门，门中上部有一扇尺寸为0．35 m×0．40 m的双层玻璃窗．门上方设有余压阀，关门期间，气候室内维持8 Pa正压，回风量约为送风量的90%．

人工气候室采用上送上回方式进行热风供暖，送风口为双层百叶风口，位于人工气候室墙壁的上侧，尺寸为0．10 m×0．15 m，通过控制双层百叶角度将气流以与水平夹角为15°斜向下射出，如图1(b)所示．混合通风的回风口设在人工气候室顶棚处，尺寸为0．20 m×0．30 m．

1．2 测点布置与实测仪器

人工气候室内设有4根测杆，如图2(a)所示．每根测杆上有7个测点，每个测点均采用分辨率为0．1 ℃的Humlog -20型温度仪测量温度，采用SwemaAir 300型室内气流专用仪表测量风速，测量范围为0．05～5．00 m/s，精度为±3%．图2(b)给出了7个测点的高度，每根测杆正上方和正下方的位置，分别设有距顶棚或地面为2 cm的热电偶，用于测量空气温度，每个热电偶用带有孔洞的铝箔纸包裹，以防止因辐射引起的温度测量偏差，铝箔纸上的孔洞可有效透过空气，避免镂空的铝箔纸内空气与外面空气隔绝．

(a) 人工气候室平面位置

(b) 送风口布置

(a) 测量杆的平面布置

1．3 试验工况与实测过程

为避免人工气候室外部环境变化对试验结果产生影响，并保持每次开门过程中单位时间冷风侵入量基本相同，在人工气候室门外放置一台电扇模拟室外吹风，维持人工气候室开门时门口处的风速为1．0 m/s．在此条件下，冷风侵入量正比于开门持续的时间(即开门时长to)．此外，考虑到冷风侵入总量相同时，每次开门间隔的时间(即开门周期tt)可能会影响到冷风对室内热环境的干扰作用.因此，试验中对不同开门频率和开门时长的情况进行实测．

表1给出了各试验工况的参数，其中，vs为送风速度，θs为送风温度．工况1～4用于探究在冷风侵入总量相同时，冷风侵入频率(对应于开门频率)对供暖房间热环境的影响作用；工况5～22用于研究冷风侵入频率不变时，冷风侵入量对室内温度分布的影响并探究改善室内热环境的有效途径．

在每次实测过程中，首先调节风机和空气加热设备的功率来实现所需的送风速度和温度．随后，以相同的周期持续开门和关门．当室内气温的时均值和波动范围均不变时，视作达到稳定状态，并保持稳定状态在1 h以上．试验数据均取自稳定状态的实测值．每个工况约需要5～7 h达到稳定．

2 试验结果与分析

2．1 冷风侵入频率对室内温度的影响

靠近门口放置的测杆1受冷风影响最大，故图3给出了测杆1上不同高度测点温度θ随时间的变化曲线．由图3可知，不同高度的测点温度均随着门的开闭产生波动，紧贴地面的测点7处的温度波动幅度最大．由图3还可以看到，冷风侵入总量相同时，随着开门频率减小，室内温度波动频率下降，但波动幅度增大．

图3 不同开门周期时测杆1温度曲线Fig．3 Temperature curves of pole 1 with different door-opening cycles

当不同开门频率时，不同高度测点温度的时间平均值和平均振幅如图4所示．由图4可知，冷风侵入总量相同的情况下，尽管室内温度波动幅度因开门频率不同而有很大差别，但是室内气温的时间平均值几乎完全相同．

图4 vs=2．5 m/s时室内气温平均值及振幅分布曲线Fig．4 Averaged air temperatures for different heights and amplitude distributions at vs=2．5 m/s

由于不同冷风侵入频率对应的室内温度时均值及其分布规律完全一致，本文在随后的试验研究中，将针对开门周期固定(冷风侵入频率不变)为300 s时(即工况5～22)的情况进行实测分析．

2．2 冷风侵入量对室内温度的影响

冷风侵入量增大不仅会导致热风供暖房间气温下降，还可能影响到室内温度分布特征．在3种送风状态时，不同开门时长下的室内温度沿高度的分布曲线如图5所示．由图5可知，所有送风状态下，除了靠近送风口的测杆4，其余测杆处的温度均表现出明显的上高下低的分布特征．随着冷风侵入量(开门时长)的增加，不仅室内气温不断降低，室内温度分布梯度也明显增大．

对比图5(a)、5(b)和5(c)可知，相同冷风侵入量(开门时长)时，送风状态的惯性力越大(即送风速度大而送风温度小)，供暖房间的温度梯度越小.这是因为较大的送风惯性，增大了送风诱导比，促进了下部气流被卷吸和上部气流下行的效果(即混合效果)，有利于克服热风受到的浮力作用．

(a) vs=1．5 m/s， θs=(40．2±0．7)℃

(b) vs=2．5 m/s， θs=(35．7±0．6)℃

(c) vs=3．5 m/s， θs=(34．3±0．5)℃

当开门间隔时间为300 s，在不同送风速度和送风温度条件下，图6给出了不同开门时长时的室内温度时均值．由图6可知，在送风状态和冷风侵入频率不变时，供暖房间室内平均温度随着冷风侵入量(开门时长)的增加而降低，但气温下降幅度逐渐减小．

图6 不同开门时长时的室内平均温度Fig．6 Averaged indoor temperature for different door-opening hours

图7给出了不同开门时长和送风状态时测杆上最高测点与最低测点的平均温差Δθ．

图7 不同开门时长时室内上下温差Fig．7 Indoor temperature difference between upper and lower part zones for different door-opening hours

由图7可知：送风状态为vs=1．5 m/s，θs=(40．2±0．7)℃时，所有开门时长(即冷风侵入量)情况下，室内上下温差均相同且高达8 ℃以上；当送风状态的惯性力作用提高(即送风速度增大和送风温度减小)后，室内上下温差明显减小，并且随着开门时长减小而下降．可以认为，对于有明显室外冷风侵入的房间，提高送风惯性力作用可以改善供暖能量利用率．

2．3 冷风侵入量对供暖能量利用率的影响

热风供暖系统通常采用送风速度不变的定风量系统，为避免因冷风侵入量(开门时长)增加而导致室内温度不满足热舒适要求，需提高送风温度．为此，本文在保证室内平均气温维持在22．0 ℃左右，对不同开门时长情况下的热风供暖房间温度分布情况进行了实测，结果如图8所示．

(a) vs=1．5 m/s

(b) vs=2．5 m/s

由图8(a)可知，当定风量系统设置的送风速度vs=1．5 m/s时，在开门时长增加，即冷风侵入量增大时，尽管提高送风温度可以保持室内平均温度维持在22 ℃，但增加了室内温度梯度，即降低了送风能量的利用率．当设定送风速度vs=2．5 m/s时，随着冷风侵入量的增加，提高送风温度不仅可以保持室内平均温度满足要求，室内温度梯度也无明显增大，尤其在高度0．75 m上方，温度梯度几乎不受开门时长的影响．

通常采用能量利用率η来衡量送风能量的利用程度，η表达式[12]为

(1)

式中：θp为排风温度， ℃；θ2m为供暖房间2 m以下空间的平均温度， ℃．

当不同开门时长时，供暖能量利用率随设定送风速度的变化情况如图9所示．

(a) 短开门时长

(b) 长开门时长

由图9可知，供暖能量利用率随着设定送风速度的增加明显增大，表明越大的送风速度抵御冷风侵入不良影响的能力越强．另外，基础冷风量较小(见图9(a))时，随着开门时长增加引起冷风侵入量增大，能量利用率逐渐下降，送风速度越大，能量利用率下降幅度越小．当基础冷风量较大(见图9(b))时，在不同送风速度条件下，能量利用率均不受开门时长变化的影响．

3 结 语

本文针对不同冷风侵入情况时热风供暖房间室内热环境进行了试验研究，得到以下主要结论．

(1) 开门周期(即冷风侵入频率)虽然改变了室内温度变化的波动幅度，但对温度时间平均值没有影响.

(2) 供暖房间室内温度梯度随冷风侵入量的增加而增大．通过提高送风温度来抵御冷风侵入量的增加，尽管可以维持室内平均温度不变，但会加剧室内温度梯度.

(3) 房间基础冷风量较小时，冷风侵入量变化对室内热环境和供暖能量利用率的不利影响很明显，但基础冷风量较大时，冷风侵入量变化的影响相对较弱.

(4) 在有明显冷风侵入的供暖空间，采用较大的送风速度是有效抵御冷风侵入和提高供暖能量利用率的关键．

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[12] 朱颖心．建筑环境学[M]．北京:中国建筑工业出社，2009．

(责任编辑：于冬燕)

Experimental Study on the Influence of Cold Air Infiltration on the Thermal Environment in a Warm Air Heating Room

FANGYuheng，YEXiao，ZHONGKe，KANGYanming

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

In a room with significant cold air incursion through the doors， the invading cold air not only causes lower temperature near the floor， but also reduces the heating energy utilization rate evidently．Experiments are carried out to investigate the effect of the amount of the invading cold air and the invading frequency on the indoor thermal environment in a warm air heating room． The results indicate that the invading frequency has weak effect on the time averaged temperature of the heating room and only affects the amplitude of the indoor air temperature fluctuation， i． e． the amplitude of the indoor air temperature fluctuation increases with the decrease of cold air invading frequency． As the amount of the incursion air increases， the indoor temperature gradient becomes larger and the heating energy utilization rate is reduced． Under the situation with significant cold air infiltration， high supply velocity is the key to reduce the negative effect of cold air incursion when the supply air volume keeps constant．

cold air incursion； heating by warm air； temperature gradient； heating energy utilization rate

1671-0444(2017)01-0109-06

2015-12-23

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)

房玉恒(1991—)，男，江苏淮安人，硕士研究生，研究方向为建筑环境与节能. E-mail：fangyh314@163.com 钟 珂(联系人)，女，教授，E-mail：zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831．3

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