竖壁贴附通风供热模式水平贴附射程及热环境特性CFD模拟

西安建筑科技大学 韩 腾珠海格力电器股份有限公司 熊建国 邓 晶西安建筑科技大学 邓红娜 李安桂

0 引言

目前我国家用舒适性空调冬季供热常采用混合送风方式，但热气流自房间上部送入室内，热风往往由于热浮力的作用易聚集在房间上部，房间内出现明显的下低上高的温度分布特征，导致室内空气平均温度过高产生较大能耗，通风效率低，同时卫生条件较差[1]。置换通风在竖直方向上利用热力分层使室内通风效率提高，空气品质得到改善，但其送风速度一般低于0.5 m/s，承担室内负荷有限，送风直吹人体易造成吹风感，布置下送风管占用工作区有效空间，不适用于冬季供热工况[2]。

竖壁贴附射流送风模式提出十几年了，经过多年的理论研究、设计与工程实践[3-6]，证实该送风模式既能克服置换通风不易布置和承担室内负荷能力低的缺点，又克服了混合通风能量利用效率低、卫生条件差的不足[7]。

但迄今为止，已有的关于竖壁贴附通风的大多数研究都是在供冷或等温送风工况下进行的。冬季送热风时，由于热浮力的作用，竖壁贴附通风供热时的送风气流在沿地板扩散一定距离后容易脱离地面上浮，这与供冷时送风冷气流的流动形态完全不同。现阶段，供热模式下运行时关于竖壁贴附通风性能的研究很少，而且缺乏必要的理论和性能优化研究。为此本文在采用实验验证数值计算方法的基础上，将竖壁贴附送风技术应用于某风管机，探索竖壁贴附供热模式下水平贴附射程达到设计要求的条件，并在此基础上，对竖壁贴附通风用于供热时的室内热环境特性进行了研究。

1 数值计算模型的建立及参数设定

1.1 房间模型的建立

以某人工热舒适实验室为原型，按1∶1建模，将得到的简化的空调房间作为研究对象，模型见图1，房间内部几何尺寸为6.19 m(x)×3.44 m(y)×2.8 m(z)。由于采用的空调机型为低静压风管机，工程安装时，送回风管不宜过长，以免静压不足，导致风量偏小，所以送回风口同侧布置，风管机吊顶安装。竖壁贴附射流送风口紧贴墙布置，尺寸为0.05 m×0.64 m，风管机的另一侧为排风口，尺寸为0.2 m×0.7 m，在模型房间内沿高度方向，均匀布置了5条竖直线用于数据的监测分析，起点位置分别为：监测线a(3.1 m，1.7 m)、线b(1 m，2.4 m)、线c(1 m，1 m)、线d(5 m，1 m)、线e(5 m，2.4 m)，在每条线上从距地面0.1 m高处开始每间隔0.1 m布置1个测点，用以比较分析。

图1 房间模型图

1.2 计算模型的离散与求解

计算区域离散化包括空间域上连续计算区域的网格划分和对瞬态问题的时间域离散，网格的划分采用Gambit 2.3.16软件，对研究模型区域采用结构化网格划分。物理模型网格划分如图2所示，经网格独立性验证后，网格数目确定为948 150个。由于在送风口、回风口、壁面贴附区、偏转区、空气湖区存在比较大的速度和温度梯度，为了使计算结果准确，对这些位置的网格都进行了局部加密。送风口、回风口、竖向壁面贴附区、射流冲击偏转区、横向壁面贴附区网格步长分别为0.01、0.01、0.02、0.02、0.04 m。

本文计算采用的K-εSST模型是一个自适应湍流模型，对于高雷诺数和低雷诺数都是适用的。它采用增强壁面函数，是一种双层模型，对于低雷诺数，壁面黏性子层和过渡层采用NS方程离散求解，与核心区域求解方式一样，这时要求网格很细，量纲一化的壁面距离Y+一般小于5；对于高雷诺数，则采用壁面函数来求解黏性子层与过渡层中的流动物理量分布，要求粗网格，自动启用壁面函数模型。增强的壁面函数对于Y+>30的有很好的作用，对于Y+=5～30的也能求解，在Y+<30时，可以不用壁面函数。一般Y+=30～100，Y+过小，壁面函数作用不大，Y+过大，壁面处精度不够，30～100是壁面函数的敏感区。本文中Re>104，近壁区对整体流动影响并不大，Y+取50。

图2 数值计算物理模型网格划分

本文研究采用三维连续不可压缩流体，认为流体的属性不变。数值计算采用有限体积法(FMV)对物理模型进行离散，采用Fluent17.0软件对雷诺平均纳维斯托克斯(RANS)方程进行数值求解。求解器选用基于压力的隐式格式，对流项离散格式采用二阶迎风格式，压力速度耦合方式采用SIMPLE算法，密度随温度变化采用Boussinesq假设。计算采用非稳态求解，每次迭代时间步长为3 s，每个步长迭代20次，迭代步数600步，即认为房间30 min温度达到稳定状态。收敛判定标准为计算模型进出口流量不平衡率小于0.2%，压力p、动量ui、湍动能K、湍动能耗散率ε项残差均小于10-4，能量E项残差小于10-6。

1.3 边界条件的设置

本文研究所采用的送风参数是基于特定风管机实际风量运行条件、结合竖壁下送风口面积计算得到的，冬季有低风(3.00 m/s)、中风(3.56 m/s)、高风(4.14 m/s)、超高风(5.24 m/s)4挡送风工况，送风口面积为0.032 m2，冬季制热送风温度介于36～45 ℃之间，冬季室内设计温度为20 ℃；模拟中用不同热流密度反映室外不同的气象参数条件，热流密度设置与人工热舒适实验室保持一致，设置在房间外围护结构的6个内表面上。计算采取非稳态算法是为了研究室内热环境由非稳态到稳态的变化过程，当房间平均温度不再变化达到稳态时，可认为计算完成。入口边界条件：速度入口；出口边界条件：自由出流；壁面边界条件：屋顶、地面、墙壁采用静止壁面，无滑移边界条件；初始条件：时间τ=0，流体温度tf等于房间设计温度tn。其他边界条件设置见表1。

表1 数值模拟边界条件

1.4 湍流模型的实验验证

剪应力输运K-ε湍流模型能够有效预测竖壁贴附射流通风模式的流场分布[8]。此外，Edge等人对比了多种湍流模型，发现标准K-ε模型能更准确地预测逆压梯度下的边界层分离流动，更适用于动态模拟[9]。因此，本文选择标准K-ε模型用于模拟计算。为了验证标准K-ε湍流模型数值计算用于冬季供热的可行性和有效性，在某热舒适实验室进行了热风供暖实验，实测了本文设置参数下超高风速挡送风时，竖向壁面贴附区距壁0.01 m处送风主体与壁面分离转为水平后，地面贴附区距地面0.01 m高处的速度分布，结果如图3所示。图中u0为送风速度，u(z*)为距送风口竖直距离为z*处的轴线速度，u(x)为距贴附冲击角落水平距离为x处的轴线速度。

由图3可知，数值模拟计算结果与实测结果吻合较好，竖向量纲一速度两者最大偏差为12.4%，水平量纲一速度两者最大偏差为10.6%。因此，可以认为本文所采用的数值模拟计算方法是可靠的，可以用于后续模拟计算。

2 热风水平贴附射程影响因素分析

2.1 送风速度对水平贴附射程的影响

选取送风温度36 ℃，送风速度分别为3.00、3.56、4.14、5.24 m/s 4种工况来研究送风速度对竖壁贴附供暖模式下水平贴附射程的影响。图4、5分别显示了不同送风速度下房间中轴面(y=1.72 m)处的速度和温度场。

在不同送风速度下，送风热气流主体在竖壁的“扶持效应”下均能沿竖壁向下贴附流动，与地面撞击后方向改变，沿地面向前扩散流动，但在水平方向贴附一定距离后，惯性力减弱，受热气流浮力效应作用将脱离地面上浮，热气流开始脱离地面上浮的位置与送风口中心之间的距离即为热风的水平贴附射程。若送风参数不合理，必然存在有限的热风送风距离，房间易在水平方向出现供暖冷热不均现象。

图3 量纲一速度模拟计算值与实验值的对比

由图4、5可知：当送风速度大于3.56 m/s时，在工作区能够形成类似于置换通风的空气湖状速度分布；同时随着送风速度的增大，空气湖内对应位置的风速、速度梯度也会增大，送风速度的增大会影响空气湖内对应位置处的温度数值，但所呈现出来的温度梯度的分布规律基本不变。

送风速度为3.00 m/s时，热风沿水平方向贴附至2 m处；速度增大至3.56 m/s时，热风水平方向贴附距离为3.5 m；送风速度为4.14 m/s时，热风可贴附至4.2 m处；速度在这一范围内增大时，水平方向贴附距离增加十分明显；送风速度为5.24 m/s时，热风沿水平方向贴附至4.5 m处，增幅变小，但此时送风主体与室内空气混合更加充分，房间速度、温度参数更加均匀，说明惯性力是影响竖壁贴附射流热风供暖室内热环境的重要因素。

2.2 送风温度对水平贴附射程的影响

分别选取送风速度为3.00、3.56 m/s，送风温度为36、40、45 ℃ 6种工况来研究送风温度对竖壁贴附供暖模式下水平贴附射程的影响。图6、7分别为不同送风速度、送风温度下房间中轴面处(y=1.72 m)的温度场分布云图。

图6 送风速度为3.00 m/s时不同送风温度下房间高度方向温度场分布云图

送风速度为3.56 m/s时，送风温度36 ℃，水平贴附射程可达到3.8 m；随着送风温度升高至40、45 ℃，热风浮升力增大，水平贴附射程有所缩短，分别为3.5 m和3.0 m。可见，在冬季供热送风温度范围内，相比于送风速度，送风温度的变化虽能引起空气湖水平贴附射程的改变，但房间整体温度场对送风温度的变化并不是很敏感。说明在一般舒适性空调送风参数范围内，竖壁贴附通风模式为惯性力主导下的送风，热浮升力影响次之。

2.3 热风水平贴附射程理论分析

冬季供热工况属于非等温射流，送风温度高于环境温度，由于此时浮升力竖直向上，而送风射流是向下流动，浮升力对射流的流动起阻碍作用，在浮升力与惯性力不平衡的条件下，射流轨迹及射程强烈受两者的共同作用。非等温射流的判据为阿基米德数Ar，其综合反映了浮升力与惯性力两方面的作用。Ar将送风速度与温度结合在一起，在空调中，除了房间几何形状外，这是2个影响贴附效果的重要参数。鉴于本文涉及的非等温竖壁贴附射流送风模式的射流具有扁平射流和冲击射流的特点，表征空气流动惯性力与热浮升力相对大小的量纲一参数为

(1)

式中β为体积膨胀系数(β=1/Tf)，K-1；g为自由落体加速度，m/s2；b为条缝型风口的宽度，取0.05 m；T0为送风温度，K；Tf为房间平均温度，K。

对送风温度分别为36、40、45 ℃，送风速度分别为3.00、3.56、4.14、5.24 m/s的12种模拟工况数据进行整合，得到不同工况下水平贴附射程随Ar的变化规律，如图8所示。由于模拟工况下室内是完全静止的，但实际中存在人员活动带来的扰动、自然对流换热扩散效果等因素，会使得室内温度分布更加均匀。水平贴附射程大于房间长度方向的80%，即Ar<0.001 5则认为水平贴附射程达到送风要求。

图8 12种模拟工况下水平贴附射程随Ar的变化

Yu等人对非等温条缝型顶棚贴附射流进行了研究，发现当Ar<0.004时，空气的流动同等温射流情况一致，主要是惯性力主导射流的流型发展；当Ar>0.018时，射流贴附射程明显开始发生变化，射流主要受浮升力的作用[10]。

3 热环境特性研究

选取送风温度为45 ℃，送风速度分别为3.00、4.14、5.24 m/s 3种典型工况，分析室内热环境特性。在模型房间内沿高度方向设立了a、b、c、d、e 5条竖直线用于数据的监测分析。由于监测点上速度具有一定的脉动，为了清楚反映房间不同位置测点速度大致的变化规律，沿房间长度方向各取一条监测线(a、c、e)，用以分析竖直方向速度变化规律和吹风感的影响。

3.1 速度场分析

图9显示了3种不同送风速度下监测线上的速度梯度。由图9可以看出：送风速度为3.00 m/s时，3条监测线上的测点速度均小于0.25 m/s，因为此时热浮升力大于射流惯性力，射流冲入深度小于房间高度，热射流未到达地面就反向开始浮升，送风气流并没有依靠惯性力沿着房间长度方向延伸，而是依靠自然对流实现均匀混合；送风速度为4.14、5.24 m/s时，由于热射流可实现有效的水平贴附，3条监测线速度变化规律大致相似；距地面0.5 m高度以下速度梯度较大，1 m以上速度值趋于稳定，这主要是因为0.5 m以下处于空气湖区和室内气流的交界处，0.5 m以上进入气流相对稳定的工作区，2.2 m以上由于回风口的诱导效应，测点速度又有所增大。

图9 竖向速度梯度

由图9还可以看出，送风速度为4.14、5.24 m/s的2种工况，0.5～0.7 m高度以下工作区局部送风速度大于0.3 m/s，可能造成人员脚踝处的吹风感。但实际办公、住宅房间存在不同属性的障碍物，包括人员的流动，都会使送风主体速度方向和大小得到改变，同时建筑设计时，人员位置会远离房间中轴面上距离送风口较近处，也能有效减小吹风感的影响。

3.2 温度场分析

图10显示了3种不同送风速度下监测线上的温度梯度。由图10可以看出：送风速度为3.00 m/s时，热风不能在水平方向实现有效的贴附，整个房间温度依靠自然对流实现均匀混合；5条监测线上的温度均呈现递增规律，热分层现象在整个房间都很明显，0.5 m高度以下温度偏低，容易造成冷感，竖壁贴附供热送风模式在此工况下不能有效利用。

图10 竖向温度梯度

送风速度为4.14、5.24 m/s时，热射流水平贴附射流均可送至4 m处，5条监测线规律类似。由图10可以看出：监测线a、b、c处于空气湖区内，温度梯度主要发生在0.4 m高度以下，在近地面处温度可达28 ℃；随着空气在高度方向脱离水平贴附主体，温度呈现递减规律，0.4 m高度以上温度稳定在24 ℃左右；监测线d、e均在房间长度方向5.19 m处，热风在水平方向贴附并未波及，温度主要通过室内自然对流得到保证，高度方向温度呈现递增规律，温度梯度主要发生在1 m高度以下，0.1 m高度处温度为18 ℃左右，满足室内设计要求；1 m高度以上5条线温度均不再变化，稳定在24 ℃左右。由于竖壁贴附送风本质上是一种实现下送风的置换式通风模式，热气流首先送入工作区，热量能被有效利用，热风不断补偿房间围护结构失热量后，温度有所降低，因此在竖直方向上并不会有明显的热分层现象，不会出现混合通风供热时热风停滞在房间顶部造成的无效能源消耗。

4 结论

1) 竖壁贴附冬季供热工况下，浮升力对射流的流动起阻碍作用，设计不合理必然存在有限的热风送风距离，致使房间在水平方向出现供暖冷热不均的现象。因此在不同房间尺寸下，有必要合理地设计送风参数，以保证热气流沿地面水平贴附射程能够达到要求。

2) 竖壁贴附冬季供热非等温射流的判据为阿基米德数Ar，其综合反映了浮升力与惯性力两方面因素对射流轨迹及射程强烈的作用。但是在舒适性空调冬季送风参数范围内，竖壁贴附通风模式为惯性力主导下的送风，热浮升力影响次之，水平贴附射程大于房间长度方向的80%，即Ar<0.001 5则认为水平贴附射程达到送风要求。

3) 在热射流可实现远距离水平贴附的工况下，由于送风速度较大，房间中轴面附近距地面 0.5 m高度以下工作区局部气流速度大于0.3 m/s，可能造成人员脚踝处的吹风感。但实际办公、住宅房间有不同属性的障碍物及人员的流动，相应地会使吹风感减弱。同时建筑设计时，人员位置会远离房间中轴面送风口，也能有效减小吹风感的影响。

4) 由于竖壁贴附送风本质上是一种实现下送风的置换式通风模式，热气流首先送入工作区，热量能被有效利用，热风不断补偿房间围护结构失热量，在房间竖直方向上并不会有明显的热分层现象，不会出现混合通风供热时热风停滞在房间顶部而造成无效能源消耗的问题。