主動式冷梁誘導特性研究

翁文兵 黃旭 朱佳璐

（上海理工大學環境與建筑學院 上海 200093）

主動式冷梁誘導特性研究

翁文兵 黃旭 朱佳璐

（上海理工大學環境與建筑學院 上海 200093）

針對主動式冷梁誘導性能實驗中存在的風量測量問題，設計了一套新型主動式冷梁誘導性能測試實驗臺，基于此實驗臺研究不同一次風量對主動式冷梁誘導性能的影響。結果表明：一次風量小于80 m3/h時，冷梁誘導比隨一次風量的增加而增加，當一次風量達到80 m3/h以后，誘導比基本趨于3．17。冷梁靜壓箱壓力與一次風量之間存在二次方的關系，在冷梁4 mm噴嘴下，靜壓箱壓力隨一次風變化的擬合曲線為y＝0．0225x2＋0．0101x。建立主動式冷梁模型，針對一次風量對誘導性能的影響進行數值模擬，并基于設計的實驗臺對模擬結果進行驗證，得到冷梁誘導比、靜壓箱壓力模擬結果和實驗結果誤差最高分別達10．5%和8．8%，模擬整體結果和趨勢與實際測量吻合良好，說明該模型具有較高的可靠性。

主動式冷梁；風量測量；誘導比；靜壓箱；數值模擬

在倡導節約能源的今天，主動式冷梁作為全球15個有利于建筑節能的技術之一得到廣泛的運用［1－5］。國內外關于主動式冷梁的研究有許多：同濟大學的張智力等［6］研究了噴射型誘導風口誘導比的影響因素，認為噴嘴幾何尺寸對誘導比的影響較大，一次風影響較小。利茲大學的M．Ruponen等［7－8］研究了一種新型冷梁誘導比測量方法，通過實驗研究發現送風口形狀對誘導比幾乎沒有影響，對誘導比影響最重要的因素是噴嘴和送風口的面積比率。天津大學的孫斌輝等［9－10］采用實驗測試與計算機數值模擬相結合的方法對主動式冷梁誘導比性能進行研究，對主動式冷梁結構設計提出了建議。以上對主動式冷梁誘導性能研究中，冷梁二次風量的測量主要采用兩種方法：第一種將一組溫度探頭設置在換熱器的進出口位置，記錄二次風通過換熱器的溫差，結合冷梁供冷量求得二次風量大??；第二種通過儀器直接測量。這兩種方法存在以下問題：1）冷梁供冷量通過測量冷梁冷水進出溫差以及冷水流量來求得，但冷梁在運行過程中存在一定的輻射量，故供冷量測量不精確；2）實驗涉及冷梁水系統運行情況的研究，較為復雜；3）直接測量風速得到二次風量，實驗儀器須有較高的精確度，且測量結果不穩定。

針對以上主動式冷梁二次風量測量存在的問題，本文設計一套主動式冷梁誘導性能測試實驗臺，并基于此實驗臺研究了不同一次風量對主動式冷梁誘導性能的影響，同時基于此實驗臺對Fluent數值模擬結果進行驗證。

1 主動式冷梁實驗系統

1.1 實驗原理

實驗系統分為三個部分：一次風側風量測量裝置、主動式冷梁主體、二次風側風量測量裝置。通過一次風側風量測量裝置向主動式冷梁主體內送風，一次風進入冷梁靜壓箱內，測量一次風量大小與靜壓箱內壓力大小。靜壓箱內一次風通過冷梁噴嘴流出，并誘導二次風進入冷梁，使回風面板處呈負壓。通過二次風側風量測量裝置向冷梁送風，平衡回風面板處負壓，測量此時二次風量的大小。實驗系統原理如圖1所示。

圖1 主動式冷梁誘導性能測試實驗系統Fig．1 The active chilled beam induced performance test experiment system

誘導比是評價主動式冷梁誘導性能的一個重要指標，誘導比的大小決定了主動式冷梁送風系統中一次風能否與室內二次風進行充分混合，以滿足空調系統的設計送風溫差及送風量要求，主動式冷梁誘導比的計算公式為：

式中：Q為冷梁送風量，m3/h；Q1為冷梁一次風側風量，m3/h；Q2為冷梁二次風側風量，m3/h。

要得到主動式冷梁的誘導比，需要得到一次風量、二次風量和送風量中的兩個參數值。對于冷梁送風量，為保證送風能貼附天花板流動，達到貼附射流的效果，冷梁一般會采用有一定角度的出風口，不規則角度的送風風量很難測得，因此本文選擇測量冷梁一次風量與二次風量。

1）一次風側風量測量。在主動式冷梁的一次風側設計一套送風系統，由送風機將新風送入冷梁靜壓箱內，送風機為變頻離心風機，可以調節風機的風量大小。在風管設置噴嘴，噴嘴的前后設有取壓口，在實驗過程中測量噴嘴前后壓差，即可知通過的一次風量。為了使進入噴嘴的風量均勻，在噴嘴入口段設有整流段，裝置結構如圖2所示。

圖2 一次風側風量測量裝置Fig．2 The primary air flow measuring device

2）二次風側風量測量。主動式冷梁二次風量的測量主要有溫度探頭結合冷梁供冷量測量和儀器直接測量兩種方法，這兩種方法均存在測量不精確，結果不穩定的問題，因此本文提出一種新型風量測試方法，適用于低風速下通過不規則面板的風量測量。該方法基于煙霧流向對壓力變化的反應相對于儀器更為敏感的原理進行設計。

二次風側風量測量裝置主要由風罩、發煙裝置、壓差傳感器、噴嘴、變頻引風機組成。在冷梁的二次風側，用風罩將整個回風面板罩住，在風罩的內部設置用于均流的孔板，在孔板上方開一個直徑為5 mm的小孔。發煙裝置由四通管、氣管、熏香組成，四通管通過氣管與風罩小孔相連，熏香放置在四通管中心。變頻引風機通過噴嘴連接風罩，通過變頻引風機將室內回風引進并送入風罩中，壓差傳感器安置在噴嘴的兩側，可測量通過噴嘴的風量。通過發煙裝置發煙，觀察四通管內煙霧的流向。當煙霧的流向為豎直上升時，視為風罩內外壓差為零，此時通過噴嘴的風量即為二次風側風量。二次風側風量測量裝置結構如圖3所示。

實驗過程中，使四通管內煙霧流向豎直向上，控制回風罩內的風壓與外界氣壓保持一致，則通過二次風側變頻風機的風量即為二次風量，可通過噴嘴前后壓差傳感器測量得出。噴嘴的直徑有25 mm、40 mm、50 mm、70 mm 4種規格，可以根據二次風量的大小來決定使用噴嘴直徑的大小。

圖3 二次風側風量測量裝置Fig．3 The secondary air volume measuring device

3）靜壓箱壓力測量。為研究主動式冷梁誘導性能，還需對冷梁靜壓箱內壓力變化進行研究。對于靜壓箱內壓力的測量，可直接在靜壓箱上布置測點，通過壓力測量儀進行測量。在冷梁的靜壓箱上，距離靜壓箱一側100 mm處開個小孔，將壓力傳感器通過小孔布置在靜壓箱內，同時密封小孔，通過壓力測量儀讀取靜壓箱內壓力。

1.2 實驗測量裝置

1）主動式冷梁主體。主動式冷梁主體選用雙出風型主動式冷梁，冷梁規格為1 800 mm×590 mm×250 mm，冷梁靜壓箱噴嘴大小固定。一次風管直徑120 mm。內翅片換熱器規格為1 630 mm×350 mm×45 mm，翅片之間的間距為4 mm，在翅片的一側有進回水管。在冷梁靜壓箱的兩側都有噴嘴，且噴嘴的數量為81×2個，噴嘴直徑為4 mm。

2）測量工具。在本實驗系統中，壓力測量利用Testo 512壓力測量儀進行測量，該儀器是一款帶有溫度補償功能的精密型壓力測量儀，測試范圍為0～2 kPa，利用該儀器可測量流動流體的正壓、負壓和差壓。實驗過程中，可以同時顯示出壓力值和風速，讀取方便。

1.3 實驗過程

主動式冷梁誘導性能測試步驟如下：1）檢查實驗電源及實驗儀器，包括一次側調速風機、電位器、二次側變頻風機、冷梁樣機以及測試儀器能否正常使用。2）打開一次側調速風機，通過調節電位器電阻至最小值，待運行一段時間穩定后，用壓差計測量一次風側噴嘴的前后壓差并記錄。3）通過觀察煙霧流動狀態，調節二次側變頻風機的頻率至煙霧呈豎直向上升起的狀態。記錄此時的二次風側噴嘴的前后壓差以及靜壓箱壓力。4）調大電位器的電阻，重復步驟2和步驟3，進行多組數據的測量記錄。5）實驗測量結束后及時切斷電源，熄滅發煙裝置，整理實驗測試裝置及實驗儀器。

2 主動式冷梁誘導性能數值模擬

為研究一次風量對主動式冷梁誘導性能的影響，本文根據主動式冷梁實際結構尺寸，利用Gambit建模軟件建立主動式冷梁模型，用數值模擬軟件Fluent對其進行數值模擬分析［11－13］，并基于設計的主動式冷梁誘導性能測試系統對數值模擬結果進行驗證。

由于主動式冷梁的幾何結構比較復雜，在不影響研究主動式冷梁誘導性能以及精確性前提下，對模型作如下假設和簡化：

1）送、回風不等溫，但是溫度對射流形態及射流發展的影響程度不大，故模型中忽略溫度的影響。

2）在冷梁內部，由于換熱器內翅片對二次風量大小影響可以忽略，且翅片數目較多，對其進行網格劃分會影響模型整體網格的質量，同時，回風面板亦有眾多小孔結構，不利于網格的劃分，因此實際建立模型時，將換熱器和回風面板均省略，只將其簡化為二次風壓力入口。

對主動式冷梁幾何模型進行非結構性網格劃分，噴嘴采用Hex/Wedge單元與Cooper相結合的方式進行體網格劃分，采用適應性較強的TGrid網格對其他部分進行整體劃分。模型采用不可壓縮流體的穩態模型，湍流計算采用K?ε模型，一次風入口設置為速度進口，按照給定的一次風風量設置入口截面上的平均風速v。二次風入口設置為壓力入口，其值為2 Pa。出風口定義為壓力出口，出口靜壓為0 Pa。采用SIMPLE算法對壓力和速度進行耦合，離散格式為二階迎風格式。

3 結果與分析

3.1 一次、二次風量實驗測量結果

實驗采集了一次風量在60～120 m3/h變化時的12組數據，如圖4所示。根據測試的結果計算不同一次風量條件下對應的誘導比，如圖5所示。

由圖4及圖5可以看出，當一次風量在70～80 m3/h變化時，二次風量隨一次風量的增加而增加，冷梁誘導比隨一次風量的增加而增加。當一次風量大于80 m3/h時，二次風量隨一次風量增加而增加，但此時冷梁誘導比不再隨一次風量增加而增加，基本趨于一定值，在3.17附近上下浮動。由此可得：主動式冷梁的誘導比與一次風量并無關系，當一次風量較小時，冷梁誘導比隨著一次風量的增加有所增加，當一次風量增加到一定值以后，誘導比維持在一定區間內，基本趨于一定值。

圖5 誘導比隨一次風量變化Fig．5 The induction ratio curve with the primary air volume

3.2 靜壓箱壓力實驗測量結果

主動式冷梁內部的風速較大，射流處于阻力平方區，從靜壓箱至送風出口管段的管網特性是恒定的，其阻抗為定值。因此，冷梁靜壓箱內一次風的靜壓pS與一次風量Q1應該符合以下關系式［14］：

式中：S1為冷梁靜壓箱至送風口的管路阻抗，kg/m7。

實驗測試中，控制一次風側變頻風機送風量在60～120 m3/h變化，測量對應一次風量時靜壓箱內壓力大小，共計采集12組數據，將靜壓箱內壓力測量結果與一次風量測量結果繪制在二維折線圖中，并選用二次曲線對結果進行曲線擬合，如圖6所示。

由圖可知，靜壓箱壓力隨一次風量的增加而增加，與一次風量之間存在二次方的關系，擬合曲線為y＝ 0.022 5x2＋ 0.010 1x，擬合曲線的可決系數為0.999 5，說明回歸曲線的擬合程度良好。

3.3 實驗裝置測量誤差分析

1）一次風側測量誤差

一次風側風量的測量由式（4）計算：

圖6 靜壓箱壓力隨一次風量變化Fig．6 The pressure curve of the cold box with the primary air volume

式中：C為噴嘴的流量系數；d為噴嘴直徑，m；Δp為噴嘴兩側壓差，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3。

由式（4）可知一次側風量測量誤差主要由噴嘴兩側壓差測量決定［15］，本文選用Testo 512壓力測量儀測量一次風側噴嘴兩側壓差，該壓力測量儀測量精度為0.5級，量程為0～2 kPa，則由最大相對誤差公式［16］：

式中：δ為儀表的精確度等級；A0為儀表量程；A為實測時儀表讀數。

一次風側噴嘴直徑為40 mm，取測量最大壓差為500 Pa，則噴嘴兩側壓差測量最大相對誤差為2%。

由間接測量誤差傳遞公式可知：

式中：yqv為風量測量隨機誤差，m3/h；qv為為風量測量值，m3/h；xΔp為壓差測量隨機誤差，Pa。

則一次風側風量測量最大相對誤差為1%，滿足設計要求。

2）二次風側測量誤差

二次風側風量測量誤差主要由噴嘴兩側壓差測量不準以及煙霧裝置觀測不準引起。

二次風側噴嘴兩側壓差測量與一次風側噴嘴兩側壓差測量一致，噴嘴直徑為70 mm，取測量最大壓差為400 Pa，由式（5）可知二次風側噴嘴壓差最大相對誤差為2.5%，最大絕對誤差為10 Pa，則由式（6）可求得二次風側噴嘴測量最大絕對誤差e1＝4.451 m3/h。

為使回風面板處為零壓，需要使發煙裝置煙霧流向豎直向上，而實驗測試過程中，煙霧流向有些許飄動，導致測量誤差。對于這一部分誤差，由式（7）計算：

式中：v為連通管內風速，m/s；A為連通管截面積，m2。

取連通管內風速為0.02 m/s，連通管直徑為2 cm，則可求得煙霧飄動誤差e2＝0.023 m3/h。

隨機誤差的合成公式為［17］：

式中：ei為各項獨立的隨機誤差。

對e1和e2兩部分誤差進行合成，因e2較e1數值非常小，最終取值可忽略e2影響，則二次風側風量測量最大相對誤差為1.25%，滿足設計要求。

3.4 數值模擬結果與實驗驗證結果對比

數值模擬過程中，控制一次風量在60 ～120 m3/h變化，模擬一定一次風量條件下二次風量值、誘導比值、靜壓箱壓力值，共計11組數據。同時實驗測試對應一次風量條件下二次風量值、誘導比值、靜壓箱壓力值，將數值模擬結果與實驗測試結果列于下表1。

表1 主動式冷梁測試模擬結果與實驗驗證結果Tab．1 The simulation results and experimental verification results of active chilled beam

由表1可知，對于同一主動式冷梁，其誘導比模擬計算值與實驗測試值最小相對誤差為1.61%，最大相對誤差為10.5%。靜壓箱壓力模擬計算值與實驗測試值最小相對誤差為5.33%，最大相對誤差為8.8%，誤差均在可接受范圍之內。

將實驗結果與Fluent數值模擬結果繪制在二維折線圖中，圖7為主動式冷梁二次風量隨一次風量變化的實驗值與模擬值對比，圖8所示為主動式冷梁誘導比隨一次風量變化的實驗值與模擬值對比。圖9為主動式冷梁靜壓箱壓力隨一次風量變化的實驗值與模擬值對比。

從圖7～圖9中可以看出，主動式冷梁二次風量、誘導比和靜壓箱壓力的實驗測試結果與數值模擬計算結果基本一致，且模擬結果與實驗結果的誘導比均在理論計算范圍內。從圖中可看出，數值模擬結果相對實驗測試結果較小，這是因為在建立模型時，冷梁盤管和回風面板兩者阻力值在低風速下均很小，總阻力低于2 Pa，故將兩者阻力影響簡化為冷梁二次風進口處的固定阻力值，模擬中設置固定阻力值為2 Pa，因而導致模擬計算結果相對比實測值較小。

圖7 二次風量實測結果與模擬結果對比Fig．7 The comparison between experimental results and simulation results for the secondary air

4 結論

圖8 誘導比模擬結果與實測結果對比Fig．8 The comparison between experimental results and simulation results for the induction ratio

圖9 靜壓箱壓力實測結果與模擬結果對比Fig．9 The comparison between experimental results and simulation results for the pressure of cold box

本文針對主動式冷梁誘導性能實驗中存在的風量測量問題，設計一套主動式冷梁誘導性能測試實驗臺，研究了不同一次風量對主動式冷梁誘導性能的影響，并基于實驗臺驗證了主動式冷梁數值模擬結果，得出以下結論：

1）當一次風量在70～80 m3/h區間內變化時，主動式冷梁二次風量、誘導比隨一次風量的增加而增加。當一次風量大于80 m3/h時，冷梁誘導比不再隨一次風量增加而增加，基本趨于一定值，在3.17附近上下浮動。

2）冷梁靜壓箱壓力與一次風量之間存在二次方的關系，在冷梁4 mm噴嘴下，靜壓箱壓力隨一次風變化的擬合曲線為y＝0.022 5x2＋0.010 1x。

3）數值模擬結果與實驗測試結果整體趨勢吻合良好，冷梁誘導比數值模擬結果和實驗測試值的誤差最高在10.5%，冷梁靜壓箱壓力實驗測試結果與數值模擬結果最大誤差為8.8%，說明建立的主動式冷梁模型具有較高的可靠性。

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Research on the Induction Characteristics of Active Chilled Beam

Weng Wenbing Huang Xu Zhu Jialu
（School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，Chi?na）

To solve the problem of air flowrate measurement in an active chilled?beam system，a test rig of active chilled?beam was de?signed，and the influences of different primary air flowrate on the induced performance of an active chilled beam were investigated．The re?sults show that the induction ratio of the chilled beam increases with the increasing primary air volume when the primary air volume is less than 80 m3/h．The induction ratio tended to 3．17 when the primary air volume later reached 80 m3/h．There is a quadratic relationship between the pressure of the cold plenum and the primary air flow．Under the 4 mm nozzle of the chilled beam，the fitted curve of the static pressure with the primary air isy＝0．0225x2＋ 0．0101x．The active chilled?beam model was then set up，the effect of the primary air volume on the induced performance was simulated numerically，and the simulation results were verified based on the test results．The rela?tive errors between the experimental results and the numerical results reached 10．5%and 8．8%for the induction ratio and the pressure of cold plenum，respectively．The overall results and the trend of the simulation are in good agreement with the measured values，which indi?cates that the simulation has high reliability．

active chilled beam；air flow measurement；induction ratio；plenum chamber；numerical simulation

Huang Xu，male，master degree candidate，School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technolo?gy，＋86 15800906189，E?mail：1803230227＠ qq．com．Research fields：HV＆AC control technology，air?conditioning system energy?saving technology．

TB61＋1；TU831．4；TK39

A

0253－4339（2017）06－0060－07

10.3969 /j.issn.0253 － 4339.2017.06.060

2016年12月20日

黃旭，男，碩士研究生，上海理工大學環境與建筑學院，15800906189，E?mail：1803230227＠ qq．com。 研究方向：暖通空調自動控制技術，空調系統節能技術。