不同送風(fēng)速度下碰撞射流供熱特性的實(shí)驗(yàn)研究

畢南妮 鐘珂 陳帥

東華大學(xué)環(huán)境工程與科學(xué)學(xué)院

不同送風(fēng)速度下碰撞射流供熱特性的實(shí)驗(yàn)研究

畢南妮 鐘珂 陳帥

東華大學(xué)環(huán)境工程與科學(xué)學(xué)院

本文利用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)碰撞射流通風(fēng)供熱系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析，通過設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)碰撞射流通風(fēng)方式下不同的送風(fēng)速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在通常允許的范圍內(nèi)，送風(fēng)速度越高，室內(nèi)溫度分布越均勻，有效風(fēng)感溫度越滿足1.7<△ET<+1.1，越有利于提高熱風(fēng)利用率，為碰撞射流通風(fēng)廣泛應(yīng)用提供良好的理論基礎(chǔ)。

碰撞射流通風(fēng) 送風(fēng)速度 供熱特性 溫度分布 熱舒適性

0 引言

碰撞射流通風(fēng)方式在20世紀(jì)90年代末起源于瑞典，近十年來陸續(xù)有人開始研究碰撞射流的基本特性，并且已開始應(yīng)用于學(xué)校、辦公室、工業(yè)建筑等[1～3]。國內(nèi)目前對(duì)碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)的研究比較少，但已有研究成果顯示碰撞射流與現(xiàn)有的混合通風(fēng)以及置換通風(fēng)比較，有一定的優(yōu)越性[3～4]。

Karimipanah等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[5]，采用碰撞射流通風(fēng)時(shí)，噴口的安裝高度在0.3m與1.5m之間，送風(fēng)速度在1.4m/s與3.0m/s之間時(shí)，室內(nèi)的氣流組織比較好[6]。本文通過設(shè)置不同送風(fēng)速度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)碰撞射流氣流速度和溫度分布、吹風(fēng)引起的不舒適性等情況進(jìn)行對(duì)比分析，研究送風(fēng)速度對(duì)碰撞射流供熱特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測(cè)點(diǎn)布置

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了研究碰撞射流的供熱特性，本實(shí)驗(yàn)針對(duì)送風(fēng)管靠墻設(shè)置的情況進(jìn)行研究，通過對(duì)不同送風(fēng)速度大小（1.5m/s和2.2m/s）的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出送風(fēng)速度大小對(duì)碰撞射流供熱特性的影響。

為了測(cè)試不同送風(fēng)口高度對(duì)供暖房間內(nèi)熱環(huán)境的影響，本實(shí)驗(yàn)通過兩組對(duì)比工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。兩個(gè)工況送風(fēng)口高度均取0.2m，工況1和工況2的送風(fēng)速度分別取1.5m/s和2.2m/s。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本實(shí)驗(yàn)是在東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院的暖通空調(diào)實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)進(jìn)行的，該房間內(nèi)布置人工氣候室作為實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際房間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)室建于房間內(nèi)部，不考慮熱輻射作用。實(shí)驗(yàn)室的尺寸為：3.6m×3.0m× 2.6m（長×寬×高），墻體及頂面和底面材料均由保溫材料加不銹鋼內(nèi)壁做成，消除或減弱局部傳熱過多的熱橋作用，避免室外氣候條件引起墻體內(nèi)部較大的溫度變化，從而影響室內(nèi)的空氣溫度。做碰撞射流實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用軟性鋁箔風(fēng)管外加橡塑保溫棉。實(shí)驗(yàn)室主要由自動(dòng)控制系統(tǒng)、空氣處理機(jī)組、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和被控環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙四部分組成。用奧地利EE10型號(hào)溫度傳感器（測(cè)量范圍：-5℃～+55℃，精度：±0.3℃）、意大利DeltaOHM系列的HD103T型號(hào)風(fēng)速儀（測(cè)量范圍：0～5m/s，測(cè)量精度：±0.2m/s）等組成的測(cè)量元件測(cè)量數(shù)據(jù)，傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊。在實(shí)驗(yàn)室外通過電腦控制、檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部環(huán)境，以避免人員或外部環(huán)境對(duì)室內(nèi)環(huán)境造成干擾，使實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確地達(dá)到所需工況并穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)見圖1。碰撞射流通風(fēng)實(shí)驗(yàn)的送風(fēng)口為圖1左側(cè)半徑為0.2m的管道口，排風(fēng)口為門上部0.57m×0.07m的排風(fēng)口。

圖1 實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)布局

1.3 測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要測(cè)量的數(shù)據(jù)：室內(nèi)測(cè)點(diǎn)的溫度、風(fēng)速以及實(shí)驗(yàn)室地面上選取點(diǎn)的溫度。

4根測(cè)桿共28個(gè)點(diǎn)測(cè)室內(nèi)溫度和風(fēng)速變化，地面上的熱電偶測(cè)量貼附地面的氣流溫度分布。各測(cè)點(diǎn)位置見圖2。

圖2 測(cè)桿及熱電偶布置

在實(shí)驗(yàn)室均勻地布置四個(gè)測(cè)桿測(cè)量工作區(qū)的溫度、風(fēng)速，測(cè)桿上測(cè)點(diǎn)編號(hào)從上到下依次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)和7號(hào)，測(cè)點(diǎn)到地面的高度依次為2.4m、2.1m、1.7m、1.4m、1.0m、0.65m、0.35m。地面上以碰撞點(diǎn)（風(fēng)管正下方中心處）為圓心，風(fēng)口半徑為半徑的圓，與墻邊界線的切點(diǎn)O作為原點(diǎn)，以墻邊為起始邊，分別沿30°、45°、90°方向布置熱電偶（測(cè)試范圍：-50～350℃，精度：0.01℃），熱電偶距原點(diǎn)距離為y，y/d= 1、3、5、7、9（d為圓直徑200mm）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)溫度和氣流速度隨高度的分布

為了研究不同送風(fēng)速度下室溫隨高度的分布情況，將各工況的4根測(cè)桿在穩(wěn)定時(shí)的溫度分布用曲線圖表示。圖3是兩個(gè)工況的溫度分布情況。

圖3 兩種工況下空氣溫度沿高度的分布

圖3中顯示了工況1和工況2的4根測(cè)桿在穩(wěn)定后的溫度分布曲線圖。由圖3可知，工況1和工況2類似，隨著高度的增加，所有測(cè)點(diǎn)的溫度逐漸上升，且各測(cè)桿溫度分布曲線形狀基本一致，4號(hào)測(cè)桿溫度隨高度變化與其他三根測(cè)桿相反，隨高度增加，溫度整體呈下降趨勢(shì)。4根測(cè)桿溫度隨高度的變化曲線的交叉點(diǎn)基本集中在中間段1～2.1m之間，該高度之間的室內(nèi)溫度最均勻。

在房間下部高度在0.35～0.65m的區(qū)域內(nèi)，4號(hào)測(cè)桿的溫度最高，2號(hào)測(cè)桿次之，因?yàn)檫@兩根測(cè)桿離送風(fēng)口最近，所以下部溫度較高，3號(hào)測(cè)桿溫度最低，1號(hào)測(cè)桿較3號(hào)測(cè)桿溫度高一點(diǎn)。在2.1m～2.4m的高度區(qū)域內(nèi)，1號(hào)測(cè)桿溫度最高，2號(hào)測(cè)桿次之，4號(hào)測(cè)桿溫度最低，3號(hào)測(cè)桿溫度處在中間水平，因?yàn)榕c室外相通的排風(fēng)口離3號(hào)測(cè)桿和4號(hào)測(cè)桿較近。3號(hào)測(cè)桿整體溫度處在較低水平，因?yàn)槠湮恢眠h(yuǎn)離送風(fēng)口，靠近排風(fēng)口。

分別計(jì)算出這兩個(gè)工況下的4根測(cè)桿最高處測(cè)點(diǎn)與最低處測(cè)點(diǎn)的垂直溫差，得到如圖4所示的對(duì)比結(jié)果。從圖4可以看出，送風(fēng)速度為2.2m/s時(shí)，室內(nèi)溫度垂直溫差比送風(fēng)速度為1.5m/s時(shí)相對(duì)較小。

圖4 兩工況下各測(cè)桿垂直溫差比較

為了研究送風(fēng)速度不同時(shí)，室內(nèi)風(fēng)速分布特征，取v=1.5m/s和v=2.2m/s兩種工況，最穩(wěn)定時(shí)間段測(cè)桿上各點(diǎn)風(fēng)速大小分布情況來進(jìn)行對(duì)比分析（圖5）。

圖5 兩種工況各測(cè)桿測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速分布

由圖5（a）可知，4根測(cè)桿上的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速隨高度變化分布曲線呈波動(dòng)狀，整體趨勢(shì)是隨高度的增加而速度增大。3號(hào)測(cè)桿上各點(diǎn)的速度隨高度變化相對(duì)比較穩(wěn)定，在房間下部平面上，2號(hào)測(cè)桿和4號(hào)測(cè)桿的風(fēng)速較大，因?yàn)榭拷鲲L(fēng)口，2號(hào)測(cè)桿上的風(fēng)速最大，4號(hào)測(cè)桿可能由于管道線路等遮擋的原因，風(fēng)速有所削減。在1m和1.4m之間的高度上風(fēng)速最平均，且風(fēng)速比較低。風(fēng)速小于0.5m/s以下，人沒有太明顯的感覺。

在風(fēng)速分布圖上用虛線畫出了工作區(qū)內(nèi)風(fēng)速小于0.5m/s的點(diǎn)的情況。所要考察的工作區(qū)內(nèi)的點(diǎn)，在兩條水平射線之間，垂直虛線表示的是風(fēng)速為0.5m/s的界限。由圖5（b）可知，送風(fēng)速度為2.2m/s時(shí)，4號(hào)測(cè)桿上0.35m和0.65m的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速大于0.5m/s，不滿足舒適性要求。從風(fēng)速滿足要求的情況來看，送風(fēng)速度為2.2m/s時(shí)，測(cè)點(diǎn)風(fēng)速大于0.5m/s的點(diǎn)明顯比送風(fēng)速度為1.5m/s時(shí)的多。

2.2 送風(fēng)速度對(duì)人體熱舒適性影響

由于研究人體熱舒適，所以只針對(duì)工作區(qū)（2.0m以下空間）的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行研究。有效溫度差與室內(nèi)風(fēng)速之間有下列關(guān)系：

式中：△ET為有效溫度差；ti，tn為工作區(qū)某點(diǎn)的空氣溫度和給定室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度；vn為工作區(qū)某點(diǎn)空氣流速。

根據(jù)該公式計(jì)算出h=0.2m，送風(fēng)速度分別為v= 1.5m/s和v=2.2m/s時(shí)的工況工作區(qū)所有測(cè)點(diǎn)有效風(fēng)感溫度，在圖6中表示，用虛線將-1.7和+1.1的界限標(biāo)記出來，得到△ET滿足-1.7～+1.1的點(diǎn)的情況。

圖6 兩個(gè)工況下工作區(qū)測(cè)點(diǎn)的△ET值

圖6（a）給出v=1.5m/s時(shí)，工作區(qū)不滿足-1.7<△ET<+1.1的點(diǎn)大多出現(xiàn)在2號(hào)測(cè)桿和4號(hào)測(cè)桿，原因可能是由于這兩根測(cè)桿最接近送風(fēng)口。1號(hào)測(cè)桿上出現(xiàn)不舒適點(diǎn)時(shí)的送風(fēng)口高度為0.6m，送風(fēng)速度為1.5m/s。2號(hào)測(cè)桿不舒適點(diǎn)基本出現(xiàn)在1.4m以下。4號(hào)測(cè)桿不舒適點(diǎn)基本出現(xiàn)在1m以下。v=2.2m/s時(shí)的工作區(qū)不滿足-1.7<△ET<+1.1的點(diǎn)與送風(fēng)速度為1.5m/s時(shí)類似。

3 結(jié)束語

本文在不同的送風(fēng)速度工況下，對(duì)室內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，得出送風(fēng)速度大小對(duì)碰撞射流的供熱特性影響有以下結(jié)論：

1）送風(fēng)速度越大，室內(nèi)溫度分布越均勻，有效風(fēng)感溫度越能滿足-1.7<△ET<+1.1的條件；

2）送風(fēng)速度越大，室內(nèi)垂直溫差越小，越有利于將熱風(fēng)送達(dá)人員空間。

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Expe rim e nta l Re s e a rc h on the Cha ra c te ris tic of Im pinging J e t Ve ntila tion Sys te m of He a ting unde r Diffe re nt Air Ve loc ity

BI Nan-ni,ZHONG Ke,CHEN Shuai
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

To experiment by setting the comparative experiments under different air velocity,the characteristics of impinging jet ventilation system of heating were experimentally studied.The experimental results show that in the normally allowable range,the higher the air velocity,the more uniform temperature distribution,and the more the effective air temperature to meet the conditions that 1.7<△ET<+1.1,the more help to improve the utilization of hot air.It provides a good theoretical basis for impinging jet ventilation in wide range of applications.

impinging jet ventilation,air velocity,heating characteristics

1003-0344（2015）05-027-4

2014-3-27

畢南妮（1988～），女，碩士研究生；上海市松江區(qū)人民北路2999號(hào)東華大學(xué)4號(hào)學(xué)院樓5135（201620）；E-mail:bnnzss@163.com