透明围护结构位置分布对高大空间热风供暖能耗的影响

陆 超, 叶 筱, 亢燕铭, 钟 珂

(东华大学 环境科学与工程学院, 上海201620)

透明围护结构位置分布对高大空间热风供暖能耗的影响

陆 超, 叶 筱, 亢燕铭, 钟 珂

(东华大学 环境科学与工程学院, 上海201620)

利用数值模拟方法探究了玻璃总面积不变时, 玻璃位置对高大空间热风供暖效果及能耗的影响. 结果表明: 侧墙上玻璃面积的增大 (即屋顶上玻璃面积的减小) 会增大室内垂直温度梯度, 减小能量利用率; 通过增大送风速度保证人员空间温度舒适时, 随着侧墙上玻璃面积的增大, 供暖能耗大幅上升.

高大空间; 玻璃总面积; 侧墙上玻璃面积; 能量利用率; 能耗

冬季需要供暖的高大空间中, 由于浮力的作用, 热空气往往会上浮, 使热量在空间上部积累, 导致下部人员空间的气温较低, 故热风供暖时的能耗问题一直是暖通空调领域关注的重点[1-4]. 近年来, 城市建筑中透明围护结构 (玻璃窗) 的面积比逐渐增大, 进一步加剧了高大空间热风供暖时室内空间上部热空气积累与下部人员空间热量需求之间的矛盾[3].

当建筑侧墙上存在传热系数较大的透明围护结构时, 由于内表面温度较低, 使其附近空气降温下沉并在下部堆积, 从而导致高大空间室内上下温差过大的现象[5-6]. 文献[1]对机场建筑采暖季节的室内温度分布进行了实测, 发现地板与天花板之间存在高达8 ℃的温差, 热力分层严重, 与无热力分层的情况相比, 供暖负荷可增加38%左右. 文献[2]对高大厂房的气流组织进行了试验研究, 得到了可供高大厂房供暖设计计算参考的一些试验结果, 但未考虑透明围护结构对室内热环境的影响. 在目前建筑的透明围护结构面积比明显增大的情况下, 显然需要了解玻璃位置对高大空间热风供暖效果的影响. 文献[3]曾对含有大面积玻璃窗的高大空间建筑进行过数值研究, 结果表明, 对于高大空间, 位于侧墙上的大面积玻璃窗会增大室内上下部区域的温差, 而位于屋顶的大面积玻璃窗则能够减小室内垂直方向温度梯度.

为此, 本文采用数值模拟的方法, 在玻璃窗总面积不变的前提下, 首先在送风参数不变时, 对室内温度分布进行模拟和分析, 并对不同情况下的供暖能量利用系数做出分析; 然后, 在保证人员所在空间热舒适时, 对室内温度分布进行研究, 并对不同情况下的供热量进行分析, 以研究透明围护结构在屋顶和侧墙上分布比例的不同对供暖房间热环境和能耗的影响.

1 数值模型

1.1 物理模型

图1给出了本文拟研究空间的平面图. 为便于获得明确结果, 设背景建筑空间为单层, 层高为9.9 m. 相邻两柱间的送、回风口布置相同. 考虑到图中空间和流场的对称性, 本文以水平方向中间位置单元为研究对象, 以减少数值模拟所需的空间和时间成本. 图1中涂灰部分示出了研究区域. 考虑到实际情况, 设高大空间内的气流组织方式为上送上回形式, 送、回风口均设置在紧贴侧墙的风管上, 送、回风口尺寸均为0.6 m×0.15 m, 风管截面尺寸为0.9 m×0.9 m, 风管中心高度为6 m, 送风口设置在风管垂直端面上, 其中心高度与风管一致, 回风口则设置在风管底部水平端面上, 其中心距侧墙0.45 m, 送、回风口均位于两个柱子正中央, 如图2所示.

图1 研究空间平面图Fig.1 Plan view of the space for study

图2 研究空间计算域结构与送、回风口布置Fig.2 Computational domain of the space and locations of the inlet and outlet

为获得简单清晰的模拟结果, 考虑拟研究高大空间的玻璃总面积占围护结构总面积的50%, 透明围护结构在屋顶和侧墙上的分配比例不同的情况下, 模拟室内的温度分布和能耗特征. 模拟时, 分别对侧墙上玻璃面积 (Awall) 占总玻璃面积 (Atotal) 的比例β(即β=Awall/Atotal) 分别为0/3、1/3、2/3和3/3等工况进行研究. 图2给出了所研究空间的几何形状、送回风口位置和典型平面, 图中编号1～6为可能设置玻璃 (透明围护结构, 每一块的面积均为18 m2) 的位置, 具体分布情况如表1所示.

表1 不同工况不同围护结构分布情况

房间冬季供暖时, 虽然室内热源可以在一定程度上抵消一部分热负荷, 但对室内的流场和温度场影响甚微[7], 故在模拟时, 将忽略室内热源的作用. 由于透明围护结构传热系数远大于实体围护结构, 内表面温度相对较低, 因此, 模拟时, 本文将实体围护结构内壁温度设为tw=17 ℃, 玻璃窗内壁温度设为tg=9 ℃, 此外, 考虑到土壤的温度延迟效应[2], 模拟时将地面设为绝热条件. 送风角度设为水平向下30°, 送风速度设为us=3 m/s, 送风温度设为ts=28 ℃. 由于送风时室内维持微正压, 故模拟时不考虑冷风渗透的影响. 另外冬季最不利工况是阴天, 因此模拟时认为无太阳辐射.

1.2 数学模型

数值模拟时, 假设送风状态已经稳定, 室内空气物性参数为常数, 气流流动为三维连续不可压缩流[4]. 采用隔离法求解控制方程, 并采用SIMPLE算法控制压力和速度的耦合. 关于方程的离散化, 采用二阶迎风格式, 以便获得较为精确的解.

考虑到室内上下区域温差在10 ℃左右, 按照通常的方法, 采用Boussinesq近似[8]简化对浮力项的处理. 此外, 固体壁面满足无渗透和无滑移条件, 采用velocity-inlet和outflow条件分别处理送、回风口数值条件. 模型采用非结构化四面体网格进行划分, 并由送、回风口和传热壁面向模型空间内部做网格加密.

1.3 数学模型的合理性验证

为验证数学模型的合理性, 在人工气候室内, 进行了热风供暖房间内部空气温度和速度的试验测定. 试验所采用的人工气候室内部尺寸为3.6 m×3.0 m×2.6 m (长×宽×高), 气候室内设置了尺寸均为0.35 m×0.25 m (长×宽) 的双层百叶送、回风口, 送风速度为2 m/s, 而送风温度为30 ℃, 采用与随后将模拟的高大空间热风供暖相同的气流组织形式, 即上送上回的送风方式. 实测时, 在人工气候室中适当位置设置4根竖直测杆 (每根测杆包含纵向排列的7个测点), 以记录房间高度方向不同位置处温度与气流速度的平均值. 详细实测方法见文献[9]的描述.

验证试验中, 测杆上沿z方向 (高度方向) 固定点处气温测量采用Humlog-20型 (奥地利E+E公司) 测温仪, 分辨率为0.1 ℃; 气流速度测量采用HD103T.0型 (意大利Delta公司) 万向风速仪, 量程为0.05～5.00 m/s, 测量精度为±3%, 分辨率为0.01 m/s. 试验过程中, 待室内温度场和流场稳定后 (持续送风5～6 h), 方才读取测量值, 数据自动读取和存储, 与气候室的自动控制与监测系统同步.

另一方面, 根据气候室的几何和气流参数, 对验证工况进行了数值模拟, 通过将模拟结果和试验数据进行比较和分析, 验证本文所用CFD (computational fluid dynamics) 模型对高大空间数值模拟的适用性. 图3给出了1、3号测杆实测结果与模拟结果的比较结果, 2、4号测杆的对比结果类似, 故不再给出.

由图3可以看出, 对气候室内的温度和速度场的数值模拟结果与实测结果吻合较好, 仅在某些位置的模拟结果与试验数据存在一定偏差. 这主要是由于试验过程中门的开启以及冷风渗透等造成的. 同时, 因气流速度较低, 故测量会有一定误差. 对比模拟与实测得到的温度和速度数据, 数值模型本身的误差相对较小, 因此, 总体上可认为本文使用的数值模拟方法可用于随后将要进行的模拟研究.

图3 垂直温度和速度实测值与数值模拟值的对比 (1、3号测杆)Fig.3 Comparison of the numerical results and experimental data of the vertical temperature and velocity distributions (poles 1 and 3)

2 数值结果与分析

2.1 送风参数不变时玻璃位置对室内温度场的影响

为了探究玻璃位置对高大空间室内温度场的影响, 当送风温度ts=28 ℃, 送风速度us=3 m/s, 玻璃总面积相同 (占外围护结构总面积的50%) 时, 玻璃位于不同位置时, 穿过送、回风口中心的剖面(x=3 m) 上的气流流线与温度分布的模拟结果如图4所示.

(a) β=0/3 (b) β=1/3

(c) β=2/3 (d) β=3/3图4 相同送风参数时过送、回风口中心平面上的流线与温度模拟结果Fig.4 Numerical results of the streamlines and temperature distributions on the plane of inlet and outlet center with the same air supply parameters

由图4可以看出, 热风送出以后, 由于温度高于周围空气温度, 并且送风射流末端速度衰减较快, 送风气流最终在热浮力作用下尾部向上弯曲, 在房间上部形成气流涡旋. 比较图4(a) ～ 4(d)可知, 尽管玻璃总面积相等, 即围护结构平均传热系数相同, 但是大部分玻璃面积位于屋顶时 (如图4(a)和4(b)所示) 的室内气温分布较均匀, 而玻璃面积大部分集中在侧墙上 (如图4(c)和4(d)所示) 时, 室内上下温差很大.随着侧墙上的玻璃面积增加, 人员工作区 (2 m以下空间) 的气温越来越低. 造成这种现象的原因： 玻璃面积位于垂直表面和水平表面时, 其附近被冷却的空气的流动状态不同, 进而影响到室内空气的混合程度.

图5给出了与图4工况对应的沿房间进深方向典型平面上 (y=3 m) 的二次流流线与室内气流速度的模拟结果.

(a) β=0/3 (b) β=1/3

(c) β=2/3 (d) β=3/3图5 相同送风参数下室内典型平面上的二次流流线与速度模拟结果Fig.5 Numerical results of the second flow streamlines and velocity distributions on the typical planes with same air supply conditions

由图5可知, 全部玻璃面积均集中在屋顶 (即作为天窗) 时, 二次流形成的涡流范围遍及整个房间高度, 房间上部与下部的气流速度均较高且相近. 随着屋顶上玻璃面积的减少, 侧墙上玻璃面积的增大, 二次流逐渐形成上下两个独立的流动形态, 气流速度分布越来越不均匀, 下部气流速度明显减小, 并且其流线独立于上部涡流之外, 这种流动形态大大阻碍了上部热空气与下部冷空气的有效混合, 进而导致随着侧墙上玻璃面积的增加, 图4所示的室内热分层现象加剧.

当玻璃位于不同位置时, 不同送风温度条件下房间中心位置处温度的垂直分布曲线如图6所示.

(a) ts=28 ℃ (b) ts=32 ℃图6 不同送风温度时房间中心位置温度垂直分布Fig.6 Vertical temperature profiles at the center of the room with different air supply temperature

从图6中可以观察到, 两种送风温度下, 各工况均在4 m左右高度出现温度最大值, 该高度即送风射流开始向上弯曲的位置, 在此高度以上空间的温度分布很均匀, 其以下空间出现明显的温度梯度.

玻璃位置不影响室内温度分层界面高度, 但对室内上下温差有显著影响. 从图6中还可以看到, 随着侧墙上的玻璃面积占比增大, 下部空间温度梯度逐渐增大且平均温度下降, 而上部空间整体温度上升且温度分布始终较均匀. 这是因为侧墙上玻璃面积的增加会加剧冷空气在下部空间的堆积, 而屋顶上玻璃面积的减少会削弱室内空气的混合程度, 造成送风热量难以进入下部空间, 大部分送风热空气聚集在上部空间进行局部混合.

比较图6(a)和6(b)可知, 送风温度提高后, 由于送风气流受到的热浮力增强, 上部温度进一步升高, 而下部温度梯度进一步增大, 室内热分层现象加剧, 上下温差最大可达6 ℃.

上述分析结果表明, 随着侧墙上的玻璃面积占比增大, 送风气流到达人员空间的难度逐渐增大. 供暖能量利用率可以反映热风能量的利用情况, 其表达式为:

(1)

式中:η为供暖能量利用率;ts为送风温度, ℃;tp为全空间平均温度, ℃;t2m为2 m以下空间平均温度, ℃. 进入2 m以下空间的热量越多, 则t2m越大, 进而η越大, 表明能量利用效果越好.

当送风温度不同、玻璃面积占外围护结构总面积50%时, 玻璃位置分布不同时的供暖能量利用率如图7所示. 由图7可以看到, 随着侧墙上玻璃面积的增大 (即同时屋顶上玻璃面积的减小), 供暖能量利用率逐步降低, 透明围护结构集中在屋顶时的能量利用率比集中在侧墙时高22%.图7中的结果还表明, 对于本文讨论的工况, 送风温度较低 (28 ℃) 时, 热浮力作用相对较弱, 故总体而言, 能量利用率相对较高.

图7 不同送风温度时房间供暖能量利用率与玻璃位置的关系Fig.7 Relationship between heating energy-using coefficient and glass position for different air supply temperature

2.2 玻璃位置分布对室内供暖能耗的影响

为了研究玻璃位置对高大空间室内供暖能耗的影响, 必须在保证人员空间温度满足舒适要求 (t2m=(20±0.5) ℃) 的前提下, 对不同工况供热量进行比较. 前文研究结果表明, 通过提高送风温度来保证人员空间达到温度舒适要求，这并非良策, 故本节采用改变送风速度的方式, 以保证人员空间温度达到舒适要求.

当送风温度为28 ℃, 玻璃位于不同位置, 2 m高度以下的人员空间平均温度为 (20±0.5) ℃时, 穿过送、回风口中心剖面 (x=3 m) 上的气流流线与温度分布的模拟结果如图8所示.

从图8中可以观察到, 随着侧墙上玻璃面积的增大, 为保证人员空间平均温度达到设计要求, 送风速度增大, 进而送风射流弯曲的程度较轻, 出现了送风射流与对称送风射流 (图8中为对称面) 相撞的现象, 并将部分热空气挤压进入下部空间. 尽管随着送风惯性力增强, 热射流开始上浮的位置高度逐步下降, 但是在沿侧墙上玻璃冷表面下沉的冷空气作用下, 室内上下温差反而增大.

(a) β=0/3, us=3 m/s (b) β=1/3, us=3 m/s

(c) β=2/3, us=3.6 m/s (d) β=3/3, us=4.2 m/s图8 过送、回风口中心平面上的流线与温度模拟结果Fig.8 Numerical results of the streamlines and temperature distributions on the plane of inlet and outlet center

送风速度的增大必然导致能耗的增加, 而能耗主要由风机能耗和制热能耗组成. 风机能耗的表达式为

(2)

式中:Efan为风机能耗, W;G为送风体积流量, m3/s; Δp为风机的全压降, Pa;ηfan为风机总效率, 其中包含机械效率 (一般为85%);m为送风质量流量, kg/s;ρ为空气密度, kg/m3.其中Δp的表达式为

(3)

式中: 系数K取决于风管特性. 因而风机能耗的表达式可化为

(4)

式中:us为送风速度, m/s;S为风口面积, m2;θ为送风角度.

制热能耗的表达式为

Eheat=usSρc(ts-tc)cosθ

(5)

式中:Eheat为制热能耗, W;c为空气定压比热容, J/(kg· ℃);ts为送风温度, ℃;tc为新回风混合温度, ℃. 本文送风系统的新风比取15%[10], 设室外温度为0 ℃.

以室内温度分布最均匀的工况 (即透明围护结构全部集中在屋顶、us=3 m/s) 为基准能耗, 计算随着侧墙上的玻璃面积占比增大而造成的送风量和供暖能耗的增长率, 其表达式为

(6)

式中:εi为送风量或供暖能耗的增长率;E为送风量或能耗, W;i=1, 2, 3, 依次表示送风量, 制热能耗和风机能耗;j=0, 1, 2, 3, 依次表示侧墙上的玻璃面积占比为0/3, 1/3, 2/3, 3/3等4个工况.

根据式(6)和模拟数据计算可得到风机能耗和制热能耗随着侧窗面积增大的增加率, 结果如图9所示.

图9 不同工况送风量以及供暖能耗的比较Fig.9 Comparison of supply air volume and heating energy consumpution for different conditions

由图9可知, 随着侧墙上的玻璃面积占比由0/3 提高到3/3 (同时屋顶上的玻璃面积减小) 时, 尽管送风量增大了40%, 但由于回风温度增加, 使得制热能耗的增加率小于送风量增加率, 约为25%， 但风机能耗增加率非常大, 高达174%.

3 结 语

高大空间冬季室内采用分层热风供暖时, 将固定面积的玻璃以不同的比例分配到屋顶和侧墙上, 会对室内热环境和能耗产生影响. 本文采用数值模拟的方法, 对含有大面积透明围护结构的典型高大空间室内温度场和供热量进行研究, 讨论了送风参数不变时透明围护结构在侧墙和屋顶的分配比例对室内温度场和能耗的影响, 得到下述主要结论:

(1) 送风参数和透明围护结构总面积一定时, 随着玻璃面积逐渐由屋顶向侧墙迁移, 沿侧墙上玻璃冷表面下沉的冷空气使得人员空间温度显著下降, 供暖能量利用系数也随之下降， 此时提高送风温度对提升人员空间温度的作用很有限.

(2) 通过改变送风速度来保证人员空间温度满足设计要求时, 所需的送风速度随着侧墙上的玻璃面积占比增加而增大, 最终使得制热能耗小幅增加, 而风机能耗大幅增加. 在本文计算条件下, 全部玻璃布置在侧墙时相比布置在天窗时, 制热能耗增加率为25%, 风机能耗增加率将可达174%.

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(责任编辑：刘园园)

Effects of the Location and Distribution of Transparent Envelope on Energy Consumption of Room Heating in Large-Height Spaces

LUChao,YEXiao,KANGYanming,ZHONGKe

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

Numerical simulations are employed to explore the influences of the position of glass on room heating and energy consumption in a large-height space with a constant total glass area. The results show that when the area of the glass set on the side wall is increased (i.e., the area of glass set on the roof is decreased), the vertical temperature gradient will increase as well and the energy-using coefficient will drop; when the thermal comfort in the occupied zone is ensured by increasing the air supply velocity, the heating energy consumption increases substantially with increasing the area of glass on the side wall.

large-height space; total area of glass; area of glass set on the side wall; energy-using coefficient; energy consumption

1671-0444 (2017)02-0260-06

2016-04-05

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)

陆 超(1992—)，男，浙江绍兴人，硕士研究生，研究方向为绿色能源利用技术与建筑节能.E-mail: 2141213@mail.dhu.edu.cn 钟 珂(联系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831.3

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