熱源表面溫度對熱壓通風效果的影響研究

王 松 鐘 珂 丁淑紅

東華大學環境科學與工程學院

熱源表面溫度對熱壓通風效果的影響研究

王 松 鐘 珂 丁淑紅

東華大學環境科學與工程學院

在房間內外初始溫度相當和室內熱源總散熱量一定的情況下，通過實驗的方法研究了熱壓自然通風房間內熱源表面溫度對室內污染物濃度分布及溫度分布的影響，指出熱源表面溫度大小對室內溫度場的分布規律的影響不大，熱源表面溫度越大，房間自然通風效率越高，自然通風效果越好，且室內污染物在熱壓自然通風條件下分層現象明顯。

熱源溫度 熱壓自然通風 濃度分布 溫度分布 實驗研究

0 引言

近年來由于人們對節能和室內空氣品質的關注，自然通風技術引起了越來越多研究者的興趣。許多實驗和CFD模擬對風壓和熱壓這兩種不同驅動力的自然通風氣流進行了深入的研究[1～2]。

室內熱源對熱壓自然通風氣流產生著舉足輕重的影響。實際生活中的熱源形式主要是面源和體源，而在一般有關熱壓作用的自然通風的研究中，研究者為了獲得通風氣流的普遍性規律和特點，基本采用虛擬的集中熱源來簡化對問題的描述。

盡管已有文獻對熱源溫度、熱源位置等因素對自然通風影響，以及與熱壓與風壓自然通風作用的影響進行了數值模擬分析及理論研究[3～5]，但對于總散熱強度一定時，熱源表面溫度對自然通風效果的影響未做深入的實驗研究。為此，本文對熱壓自然通風房間內污染物濃度和溫度分布進行實測，分析熱源溫度對室內污染物濃度分布和對室內溫度分布的影響，為熱壓自然通風系統的設計提供參考實驗依據。

1 物理模型及實驗介紹

1.1 實測環境

本研究所模擬的自然通風房間有效空間尺寸為3.6m×3m×2.6m。房間北面右側有尺寸為950mm× 1800mm的門，距房間地面高2.1m處設有尺寸為587mm×140mm的排風口，該風口在門沿正上方，同時門正下方設有尺寸為900mm×72mm的進風口緊貼房間地面。實驗時自然通風房間內設有一方形集中熱源，熱源模型是200W熾熱燈內置于尺寸為500mm× 292mm×270mm的方形不銹鋼網孔箱正中心，整個熱源放置于自然通風房間中心位置。實驗物理模型如圖1所示。

圖1 實驗物理模型

由于熱源處于房間地面中心處，故以熱源模型為中心，在其周圍布置4根測桿，而每根測桿上有7個測點。在實驗開始前，向室內通入一定量的CO2示蹤氣體，利用室內CO2濃度隨時間的衰減情況來研究室內污染物的清除效率。人工氣候室布置的平面圖以及測桿的立面圖分別如圖2所示。

圖2 人工氣候室

1.2 實驗方法和儀器

1.2.1 實驗方法

本研究針對4種表面溫度的熱源進行實測。通過在方形網孔不銹鋼外罩上用金屬鋁箔紙覆蓋不銹鋼外罩上的圓孔。改變覆蓋的孔數來得到不同的熱源表面溫度。

實驗中盡量使不銹鋼熱罩表面上的遮擋孔分布均勻，設置四種處理后的遮擋率不同的熱源，如圖3所示。

圖3 熱源設計模型

表1 熱源參數概況

1.2.2 實驗儀器

本實驗中熱源位于氣候室內地面中心，熱源模型是用不同遮擋率熱罩罩著的功率為P=200W的熱燈。

實驗中采用的 CO2和溫度測量儀器為ELEKTRONIK，型號：EE80-2CT6/T04，溫度測量范圍0℃~50℃，分辨率為0.001℃；CO2濃度測量范圍0~ 2000ppm，分辨率為0.001ppm。

2 實測結果與分析

2.1 CO2濃度垂直分布特征

定義無量綱濃度Θ為室內測點濃度值和進口濃度平均值之差與初始濃度最大濃度值和進口濃度平均值之差的比值，可以表示為：

式中：C(t)為t時刻室內的CO2濃度；C0為氣候室下部風口處CO2濃度的平均值；Comax為0時刻（起始時刻）的CO2濃度，也是CO2的最大濃度根據CO2的實測結果。

圖4 不同高度無量綱CO2濃度變化

圖4表示的是實驗進程30min和240min時不同熱源表面溫度垂直方向上無量綱CO2濃度的變化。由圖4可知，在30min時刻高度方向CO2濃度先急劇增加CO2濃度梯度較大，然后趨于平緩CO2濃度梯度很小，房間下部CO2濃度較低，上部CO2濃度明顯高于下部，室內垂直方向上出現明顯的CO2濃度分層現象。形成分層的原因是由于室外的新鮮冷空氣在進入到房間后不斷地被熱羽流加熱的過程中，同時也將室內原有的污濁空氣不斷地卷吸向上并通過上部排風口排出，因而當氣流達到穩定即熱力分層形成之后，該分層界面上的氣流是混合的污濁空氣，而界面下的氣流則包含室外空氣補充進入的新鮮空氣，所以室內在這個界面上的濃度高，界面下的濃度低，于是濃度分層現象便出現了。由圖還可知道，240min時刻，室內CO2濃度較低，室內CO2在自然通風下被排出，接近室外CO2濃度，證明污染物基本在自然通風下被清除。

圖5表示的是不同熱源表面溫度垂直方向上平均CO2濃度的變化，由圖可以看到，在實驗進程30min時，熱源表面溫度越高，同高度無量綱CO2濃度越低，也就是說，熱源溫度越高無量綱CO2濃度越低，這是因為當熱源溫度較大時，由較大的熱源表面溫度與室外空氣溫度之差所引起的熱羽流量較大，從而導致了房間的進風量較大，因而在較大風量的通風換氣作用下，CO2被清除的越多。在240min時刻，高度方向CO2濃度趨于平緩，1.6m以上CO2濃度略高于1.6m之下，這說明在自然通風充分作用后室內仍然存在CO2濃度分層的現象。也就進一步說明了室內存在集中熱源的時候，在自然通風情況下室內始終保持著CO2濃度分層。

圖5 不同表面溫度熱源垂直方向上平均CO2濃度

2.2 CO2濃度衰減速率的比較

定義無量綱時間τ50為從實驗開始到氣候室內無量綱二氧化碳濃度Θ=0.5時，CO2衰減所持續的時間，可以得到如圖6的變化關系。

圖6 CO2濃度衰減的無量綱時間

圖6表示室內四根側桿平均無量綱CO2濃度值降到0.5時所持續的時間。由圖6可以很明顯地看出，當熱源表面溫度越高，清除相同無量綱CO2所用時間越小，房間自然通風效率越高，也就是說自然通風清除房間污染物的效果越好。這也補充說明了當熱源溫度較大時，由較大的熱源表面溫度與室外空氣溫度之差所引起的熱羽流量較大，從而導致了房間的進風量較大，因而在較大風量的通風換氣作用下，CO2被清除的越多越快，圖5得出的熱源表面溫度越高，污染物清除越多，而且越快。

2.3 室內溫度垂直分布特征

從實驗開始時刻分別取10min、20min、30min、60min、120min、180min、240min、300min時四根測桿位于不同測量高度的各點平均溫度繪出室內垂直溫度的分布變化（圖7）。

圖7 垂直方向溫度分布

圖7表示的是四根測桿 10min、20min、30min、60min、120min、180min、240min、300min時房間垂直方向溫度變化。由圖7可以看出豎直方向上溫度分層現象明顯，即房間上部溫度較高，下部溫度較低。圖7中每個時間點上房間內垂直方向溫度曲線均是在垂直高度1m處出現分層現象，在1m以下垂直方向上溫度梯度較大，即溫度隨高度的變化較為劇烈；高度1m以上垂直溫度梯度較小且溫度比1m以下高出許多。同一高度，隨著時間進程加長，溫度逐漸升高，但隨時間的變化同一高度的溫度變化率逐漸減小，最終氣候室內的溫度會趨于緩和穩定。圖7中的180min、240min和300min時線密集度較10min、20min和30min大，說明溫度隨時間的變化率越來越小，且上部溫度在1.0m以上近乎于一條垂直的直線，上部溫度都基本穩定。

3 結論

本課題通過研究在自然通風房間內外初始溫差相當的情況下以CO2為示蹤氣體作為室內污染物濃度的變化來研究熱源表面溫度大小對自然通風效果的影響，以及室內溫度分布規律及變化探究，得出以下結論：

1）熱壓自然通風作用下，室內污染物的濃度出現明顯的分層現象，上層濃度高于下層，且下層濃度梯度明顯高于上層，分層現象持續整個自然通風過程。

2）熱源表面溫度越高，自然通風量越大，自然通風效率越高。

3）室內溫度梯度隨著高度逐漸降低，在1m以上溫度梯度明顯小于1.0m以下。室內垂直溫差逐漸增大。熱源表面溫度對室內溫度分布規律影響不大。

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Influence of Heat Source Surface Temperature on Thermal Ventilation Effect

WANG Song,ZHONG Ke,DING Shu-hong
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

This paper analyses the influence of the heat source surface temperature on indoor pollutant concentrations and temperature distributions in the room which use thermal natural ventilation.Experimental method were used while the initial temperature were kept the same both indoor and outside,and the total release of the indoor heat source was also under the same control.Results indicate that surface temperature of the heat source has little impact on the indoor temperature field.The natural ventilation efficiency will be better at higher temperature of the heat surface,and stratification of indoor pollutant concentrations is obvious under thermal natural ventilation.

heat source temperature,thermal natural ventilation,concentration distribution,temperature distribution, experiment research

1003-0344（2015）04-018-4

2014-3-21

王松（1988～），男，碩士研究生；上海市松江區人民北路2999號東華大學4號學院樓5139室（201620）；E-mail:jermyws0616@sina.cn