節能通風系統的性能測試與分析*

黃永麗，董聰，卜鐘鳴，朱行，杜海波，劉萬琦

節能通風系統的性能測試與分析*

黃永麗，董聰*，卜鐘鳴，朱行，杜海波，劉萬琦

（浙江科技學院 機械與能源工程學院，浙江 杭州 310023）

為了改善貧困地區夏季的通風降溫問題，設計了一套簡易的節能通風系統。通過實驗測試和仿真的方法對不同風速以及不同出口孔徑大小條件下的系統降溫效果進行研究分析。給出了實驗過程中不同進口條件下的系統模型，得到了通風裝置的仿真云圖以及通風系統的制冷效率。結果表明：在與實驗條件基本相同的情況下，模擬數據結果與實驗結果接近；在一定風速范圍內，風速越大，系統制冷效果越好；節流出口孔徑越小，系統降溫越明顯。

節能通風系統；仿真云圖；制冷效率；節流

引言

全球經濟快速增長，能源的需求量不斷增大，但是能源的利用率低，同時人類生活水平不斷提高，人們對生活質量的要求越來越高，居民對室內溫度舒適度的要求也越來越高。某些貧困地區常年處于高溫氣候，通常采取自然通風的方式來降低室內溫度，獲得人體舒適感，如何利用有限能源來改善貧苦地區人民通風降溫問題是一項值得研究的課題。

Lin和Chuah[1](Lin and Chuah 2011)研究了煙囪效應下自然通風狀態的降溫效果，并且在臺北三個城市評估了不同面積開口率條件下自然通風的潛力，研究表明三個城市都能夠通過自然通風來降溫，空間范圍大于6 m，面積開口率大于0.9％可以滿足新風量的要求，實現熱舒適性；Lee[2]等提出了一種多點測量方法，該方案利用帶有風扇的PVC管對室外氣溫進行測量，可以用來評估自然通風對住宅的影響，提高測量自然通風效率的準確性；Ma等[3]評述了美國能源部13屆太陽能十項全能比賽中的212座太陽能房屋所采用的暖通空調技術，結果發現大多數隊伍利用夜間輻射冷卻，蒸發冷卻和能量回收通風等能源技術降低了空調系統的電耗；Yin等[4]提出了方柱連接通風模式，通過實驗研究了方柱通風的氣流特性，研究表明此模式下空氣分布可用于通風和換氣；Artmann等[5]在全尺寸試驗室中研究了在混合和置換通風情況下夜間通風中的傳熱，研究表明對于低空氣流量，置換通風比混合通風更有效，對于較高的空氣流量，沿天花板流動的空氣射流具有顯著的效果，并且混合通風變得更有效；楊昌智等[6]通過DeST模擬軟件和理論分析獲得了建筑夜晚降溫的規律，夜間排風溫度變化隨著通風時間變長呈現對數相關的聯系；張祥來[7]通過ANSYS軟件對其進行數值模擬，數值結果與實驗吻合，孔徑越大，壓降越小；壓降隨著孔長增加變大，到一定程度之后壓降變化不明顯。低能耗通風降溫系統是通過流體經過截面變化產生的節流效應為理論依據來進行研究。

1 研究方法

低能耗降溫系統以模擬風為研究對象，圍繞進口風速的大小和節流出口孔徑的面積兩條研究主線，通過理論分析，實驗測試和數值模擬三種研究方案進行具體深入的研究。

1.1 通風系統實驗

圖1 通風系統實驗裝置

實驗主要由亞克力板，若干塑料瓶，散熱風扇，風速儀以及高精度測溫儀搭建而成。多塊亞克力板組裝成一個腔體模擬室內環境，該腔體長寬高相等，體積為1m3；在一面亞克力板上按照一定間距布置小孔，小孔的直徑與瓶口大小相等，塑料瓶的底部與瓶口處截面有較大差距，實驗中塑料瓶作為降溫系統核心部分。選取塑料瓶的一部分，瓶口面朝室內瓶底面朝室外布置，塑料瓶嵌入亞克力板上，塑料瓶的尾部口徑為64mm，與亞克力板接觸處口徑為32mm，塑料瓶按6×6布置；散熱風扇模擬室外的風速情況，在瓶蓋上鉆孔改變出口孔徑，通過風速大小和塑料瓶出口的孔徑大小來研究室內的溫度變化；為了獲得更精確的數據，實驗中采用保溫棉對腔體進行保溫；同時為了使風量集中吹入室內，實驗時特別加裝了保護罩。節能通風系統實驗模型如圖1所示。

2 通風系統仿真

2.1 通風系統數學模型

根據實驗的情況，建立數學模型，忽略裝置厚度，將礦泉水瓶簡化為兩個圓柱和一個圓臺，將整個腔體簡化為正方體數學模型，為了讓進口處速度均勻流入腔體，建模時入口上流增加平穩區，以此模型作為此次數值模擬的研究模型。

2.2 網格處理

網格的質量對仿真計算的重要性不可言喻。為了模擬數據的準確性，分別設置網格的尺寸，室內全局網格大小為40mm，交界面設置為2mm；塑料瓶網格大小設置為2mm，整流段全局網格為40mm，交界面設置為2mm，利用非結構化網格對各個區域進行劃分，整合網格并檢查網格質量，網格質量達到模擬計算標準，最終網格數量有107萬左右。節能通風系統模型整體網格見圖2。

圖2 通風系統整體網格

2.3 求解設置

求解計算時，空氣選為不可壓縮的理想氣體，根據雷諾數判定流動處于湍流，選擇standard模型，模擬計算時忽略重力等因素，進口邊界條件選擇velocity-inlet，出口邊界條件選擇pressure-outlet，交界面處理選擇interface，其余壁面條件選擇默認，壓力-速度耦合方程選擇SIMPLE算法，提高計算收斂，壓力插值采用標準離散格式，其他插值項選擇二階迎風格式，其余項默認。

3 結果分析

3.1 實驗數據討論

圖3為實驗測試狀態下不同進口風速條件下的節能通風系統制冷效果。在測試的過程中，由于風扇本身散熱使數據存在誤差，測得在無塑料瓶的狀態下，保持空氣進口速度相同，獲得了不同風速下風扇產熱變化溫度。在數據處理時，將不同風速下獲得的室內溫度除去風扇自身產熱引起的溫度變化值后得到的溫度作為最終值，從圖3可以看出，多組實驗數據表明，在一定風速范圍內，隨著進口風速的增大，節能通風系統的制冷效率逐漸增強。為了研究系統在運行過程中，房間內的門打開與關閉對系統的影響，在其他條件相同的情況下，進行了實驗并采集了相關數據；圖4顯示，出口孔徑越小，節能通風系統的制冷效率越高，制冷效果越好。

圖3 不同風速下制冷效率變化

圖4 門打開和關閉時的制冷效率

圖3與圖4均表明節能通風系統隨著風速增大降溫效果升高，但系統降溫效果并不明顯，實驗數據顯示降溫系統在測試速度內，制冷溫度在0.05-0.79℃之間，制冷效率范圍為0.23%~3.44%。

并且在實驗數據中房間內的門打開的狀態下，節能通風系統的制冷效率比關閉時低，但依然遵循風速越大制冷效果越好的規律。

3.2 模擬數據討論

圖5 通風系統溫度云圖

在與實驗條件相同的情況下，獲得了三維數值模擬的相關云圖，為了便于觀察選取特殊截面處的平面來進行分析研究。可以從圖5清晰地看到，空氣在經過塑料瓶瓶口時溫度逐步減小，節流出口處溫度降到最低，出口局部區域內有明顯降溫。但由模擬數據可知，在此平面上最高溫度296.6030 K，最低溫度為296.0850K，制冷溫度為0.518K，通風降溫系統冷卻效果并不理想。

4 結論

（1）節能通風系統能夠通過塑料瓶節流過程降低系統的溫度，并且實驗數據與模擬誤差在允許范圍內，該系統操作方案可行。

（2）對比不同進口風速下的節流效應可知，風速越大，空氣經過通風面積突然縮小的裝置存在明顯的溫降效應，塑料瓶的出口處速度達到最大，但對于室內整體環境的溫度影響不大。對于整個腔體來說，降溫區域在塑料瓶出口的局部范圍內，遠離該區域一般沒有明顯降溫的感受。

（3）對比不同孔徑的節流效應可知，出口的截面積越小，在節流出口的溫度值最低，速度達到最大，壓力也相應下降到最小值；室內門關閉比打開時制冷效果明顯。

[1] Lin J T,Chuah Y K.A study on the potential of natural ventilation and cooling for large spaces in subtropical climatic regions[J].Building and Environment,2011,46(1):89-97.

[2] Lee T C, Asawa T, Kawai H, et al. Multipoint measurement method for air temperature in outdoor spaces and application to microclimateand passive cooling studies for a house[J].Building and Environment, 2017,114(MAR.):267-280.

[3] Ma Z J,Ren H S,Lin W Y.A review of heating, ventilation and air conditioning technologies and innovations used in solar-powered net zero energy Solar Decathlon houses[J].Journal of Cleaner Production, 2019,204:118-158.

[4] Yin H,Li A,Liu Z, et al. Experimental study on airflow characteristics of a square column attached ventilation mode[J].Building and Envi -ronment, 2016, 109(nov.):112-120.

[5] Artmann N, Jensen R L, Manz H, et al. Experimental investigation of heat transfer during night-time ventilation[J].Energy & Buildings, 2010,42(3):366-374.

[6] 楊昌智,龍展圖,陳超等.夜間通風降溫特性及優化控制方法研究[J]. 湖南大學學報(自然科學版), 2017,07(v.44;No.283): 204-209.

[7] 張祥來.固定節流閥特性研究[J].天然氣工業,2007,27(005): 63-65.

Performance Test and Analysis of Energy Saving Ventilation System*

Huang Yongli, Dong Cong*, Bu Zhongming, Zhu Xing, Du Haibo, Liu Wanqi

( School of Mechanical and Energy Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Zhejiang Hangzhou 310023 )

In order to improve the ventilation cooling problem in the poor areas in summer, a set of simple energy-saving ventilation system was designed. Through the experimental test and simulation method, the cooling effect of the system with different wind speed and outlet aperture size is studied and analyzed. The system model under different inlet conditions is given, and the simulation cloud picture of the ventilation device and the cooling efficiency of the ventilation system are obtained. The results show that: under the same experimental conditions, the trend of simulation data is consistent with the experimental results; in a certain range of wind speed, the greater the wind speed, the better the cooling effect of the system; the smaller the orifice diameter of throttle outlet, the more obvious the cooling effect of the system.

Energy saving ventilation system; Simulation cloud; Refrigeration efficiency; Throttling

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.028

TH122

A

1671-7988(2021)07-84-03

TH122

A

1671-7988(2021)07-84-03

黃永麗（1995-），女，浙江湖州人，研究生，就讀于浙江科技學院機械與能源工程學院，研究方向為新能源汽車控制技術。

董聰，男，浙江溫州人，副教授，碩士生導師，就職于浙江科技學院機械與能源工程學院，研究方向為換熱器強化傳熱和熱工設備自動控制。

浙江省自然科學基金項目（LQ19E080002）。