豎壁貼附通風與混合通風供熱方式室內熱環境及通風性能實測比較

西安建筑科技大學 韓 騰 鄧紅娜 李安桂

空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 珠海格力電器股份有限公司 劉 華△ 杜 輝

0 引言

過去20余年來，我國的建筑能耗呈急劇上升趨勢。2016年建筑運行的總商品能耗(標準煤)為9.06億t，約占全國能源消費總量的20%[1]，而暖通空調能耗又占建筑能耗的30%～50%[2]。在滿足建筑環境要求的基礎上實現建筑節能，已成為建筑可持續發展的重要課題，而不合理的氣流組織形式是造成空調能耗偏高的原因之一。

冬季送熱風時，傳統混合式空調系統將熱氣流自房間上部送入室內，熱風由于熱浮升力的作用易聚集在房間上部，房間內出現明顯的下低上高的溫度分布特征。為了滿足人員工作區的熱舒適要求，上部空間的氣溫會遠高于供暖設計溫度，導致室內空氣平均溫度過高，產生巨大無效能耗。

李安桂團隊基于20余年來持續不斷研究提出了基于“擴展康達效應”的豎壁貼附通風理論及設計方法[3-7]，豎壁貼附通風是一種既可用于夏季供冷，又可用于冬季供熱的理想空調方案，其基本機理是送風氣流在豎壁的“扶持”效應下被下送到工作區，減少了與周圍空氣的摻混，撞擊地面改變運動方向后，仍具有很高的水平動量。因此只要送風參數設計合理，即使送風射流為熱風，在流動轉為水平運動后，較高的射流剩余動量能夠克服熱浮升力的作用，仍可以在地板表面擴散相當一段距離，使熱風有效送入工作區，如圖1所示。

圖1 不同送風方式下冬季供熱室內溫度分布示意圖

已有的關于豎壁貼附的研究多是針對射流運動的流動特點，關于其貼附通風設備性能的研究還遠未完善，即便是已有的研究，也都多限于供冷、供熱或等溫送風的情況，這無疑是限制這一通風方式推廣應用的主要原因。為此，本文將豎壁貼附送風技術應用于某特定風管機，對豎壁貼附通風與混合通風2種供熱模式下室內熱環境分布和通風性能進行詳細的對比實驗研究，以便為豎壁貼附技術的設備開發提供理論支撐和設計依據。

1 實驗條件與方法

在人工熱舒適實驗室內，將特定風管機應用于傳統混合通風和豎壁貼附通風2種模式，測量不同送風擋位下的室內空氣溫度分布和通風性能特征。

1.1 實驗室布置情況

空調熱舒適實驗室位于一個尺寸為9.8 m×8.3 m×4.3 m(長×寬×高)的室外套間內，室內套間的尺寸為7.0 m×5.2 m×2.7 m(長×寬×高)，具體位置如圖2a所示。室內與室外套間之間的圍護結構(包括屋頂、地面及側墻)均為保溫庫板。室外房間的溫度通過環境艙空調器可以穩定控制，室內房間初始溫度通過打開房間內門窗與室外房間換熱來控制。實驗中，通過圍護結構縫隙的冷風滲透忽略不計，室內無熱源，認為熱負荷全部來自圍護結構的熱損失。風管機安裝在支架上，安裝高度可以調整，位置可以移動，房間內無家具，氣流貼附的壁面材質為油漆光滑壁面，粗糙度厚度Ks=0。

圖2 熱舒適實驗室位置及送、回風口布置

實驗中，送風口高度設為2.3 m，風管機安裝在房間寬度方向的中軸面位置，豎壁貼附射流送風口緊貼墻布置，送風口尺寸為0.05 m×0.64 m，風管機的另一側為回風口，尺寸為0.2 m×0.7 m，如圖2b所示；混合通風時將風管機方向調轉，去掉導流彎頭，送風口尺寸為0.122 m×0.585 m。

1.2 測點布置與實驗儀器

空調熱舒適實驗室設置有多排可移動測桿，每根測桿的不同高度處分別固定著7個測溫熱電偶。圖3顯示了測桿的平面位置和測點的高度。

圖3 測桿平面位置和測點高度示意圖

水平長度x方向：從距離墻壁1 m處的工作區域開始布置測點，間隔為0.7 m，共布置A～F 6排測點，實驗中將C排測點移動到房間中軸線x=3.5 m處。

水平寬度y方向：從距離墻壁0.5 m處的區域開始布置測點，間隔為0.7 m，共布置7排(1～7)測溫點。

豎直z方向：第1個測點離地0.1 m，模擬人體腳踝位置，每隔0.3 m布置1個測點，共7個測點，涵蓋了90%以上的人體活動區域。

空氣溫度的測量采用鎳鉻-康銅WRE-230熱電偶，響應時間1 s，分辨率為0.01 ℃，從風管機開始運行到實驗結束，每間隔1 min，所有熱電偶記錄1次數據。

1.3 實驗工況與實測過程

實驗中室外房間溫度通過房間內的環境艙空調器穩定維持在7 ℃，室內房間初始溫度通過打開房間內門窗與室外房間換熱實現7 ℃的初始值；供暖房間的負荷隨室外溫度的變化而變化，故所有工況室外溫度恒定為7 ℃，室內熱負荷均相同。

供熱初期，室內空氣溫度不穩定，熱環境受初始狀態影響很大，不足以說明不同送風方式的供暖特征，為此每個實驗工況連續測量3 h，3 h內各個工況室內溫度均達到穩定，實驗數據均取自穩定狀態的實測值。

不同工況實驗參數設置如表1所示，實驗所采用的風管機風量為定值，超高擋604.2 m3/h、中擋410.3 m3/h，不同實驗工況下，由于貼附送風口和混合通風送風口尺寸的差異，送風速度其實不同，且此處風速值由風量除以面積計算得到。在2種氣流組織對比實驗中，因為外加在房間的室外熱負荷是相等的(所有工況室外溫度恒定為7 ℃，室內設計溫度20 ℃)，所以實驗人員控制風管機送風量為定值，而非送風速度。

表1 不同工況送風參數

實驗中，因為測點處風速大都小于0.3 m/s，人員的進入帶來的擾動不可忽略，因此并未對測點處的風速進行測量，但實驗人員手持風速儀對送風口處的風速進行了測量，與計算值比較吻合。

由于風管機為定頻機，回風口感溫包檢測到室內溫度達到設計值，風管機便會停機，室內溫度達到第1個穩定狀態，待室內溫度低于設計值，風管機再次啟動，如此往復多個周期。實驗中實時記錄了各種工況3 h內風管機送回風溫度和耗功的變化，如圖4所示。

2 實驗結果分析

2.1 豎向溫度分布特性

由圖4a可以看出，工況1下室內溫度分別在77、114、154 min時達到穩定。選取房間溫度最不利測桿A-1，記錄了3個停機時刻下測桿處豎向溫度梯度，如圖5a所示，房間內上下溫度梯度可達8 ℃，且開機后時間越久，房間內溫度受初始溫度分布影響越小。故此后所有工況均選取實驗3 h內最后一次停機時的室內穩定狀態點研究室內溫度分布特性和通風性能。

圖5 工況1(超高擋(604.2 m3/h)混合通風)下室內豎向溫度分布

同時選擇室內A-1、A-7、C-4、F-1、F-7 4個角落測桿和中心位置測桿數據，反映房間豎向溫度分布，可以認為這些測桿處溫度達到設計要求，房間內90%的空間溫度是滿足設計要求的。由圖5b可知，在距地面0.1～1.9 m范圍內存在8 ℃的溫差，人員坐姿呼吸區1.1 m處溫度雖滿足要求，但0.8 m以上溫度均過高，熱空氣的浮升力效應是造成巨大無效能耗的主要原因。

由圖4c可以看出，工況3下室內溫度分別在78、106、136、166 min時達到穩定。房間溫度最不利測桿A-1在4個穩定時刻豎向溫度梯度如圖6a所示，166 min最后穩定狀態下房間豎向溫度分布如圖6b所示，在距地面0.1～1.1 m范圍內最大存在2 ℃的豎向溫度梯度，1.1 m以上溫度近似不變，工作區維持在21 ℃。采用豎壁貼附通風送風形式，室內溫度場分布均勻，不存在高度方向冷熱不均的現象，熱風能被有效下送至工作區。

由圖4b可以看出，工況2下室內在136 min時達到穩定。與工況1相比，送風量和送風速度降低，在室內熱負荷不變的情況下，送風溫度有所升高以維持室內熱平衡。此時熱氣流波及范圍減小，室內高度方向溫度梯度開始分段，如圖7b所示。房間1.0 m以下存在2 ℃溫差，1.0～1.9 m存在8 ℃溫差，且1.0 m以上實測溫度均高于設計值20 ℃。相較而言，送風速度低、送風溫度高，熱空氣更不易流動擴散，從而造成的熱分層現象引起的無效能耗更嚴重。因此，冬季供熱建議使用大風量、小溫差送風以滿足熱負荷需要。

圖6 工況3(超高擋(604.2 m3/h)豎壁貼附通風)下室內豎向溫度分布

圖7 工況2(中擋(410.3 m3/h)混合通風)下室內豎向溫度分布

由圖4d可以看出，工況4下室內溫度多次達到穩定。選取其中4個穩定狀態，最不利測桿A-1在4個穩定時刻豎向溫度梯度如圖8a所示，同樣啟停周期循環次數越多，房間內溫度受初始溫度分布影響越小，163 min穩定狀態下房間豎向溫度分布如圖8b所示，在距地面0.1～1.1 m范圍內最大存在3 ℃的豎向溫度梯度，1.1 m以上溫度近似不變，工作區溫度維持在19 ℃。同樣室內溫度場分布均勻，熱風能被有效下送至工作區。但與工況2相比，室內1 m以下溫度梯度相對較為明顯，同樣在豎壁貼附送風模式下，建議采用大風速、小溫差送風。

圖8 工況4(中擋(410.3 m3/h)豎壁貼附通風)下室內豎向溫度分布

2.2 水平向溫度分布特性

4種實驗工況下，工作區水平面(z=1.6 m)上的三維溫度分布如圖9所示。由圖9a、b可以看出：混合通風供暖時，距地面1.6 m高平面上最高溫度為28.56 ℃，最低溫度為22.52 ℃，存在6 ℃左右的不均勻溫差，且溫度梯度變化明顯，沿著送風氣流方向，送風口正對的一側墻壁附近熱量積聚，因而溫度最高；相較而言，超高擋大風速運行時，熱量在慣性力作用下更易擴散，該平面熱量分布更加均勻。

圖9 工作區水平面(z=1.6 m)三維溫度分布

由圖9c、d可以看出：豎壁貼附通風供暖時，z=1.6 m平面上不均勻溫差只有2 ℃，且溫度梯度變化均勻，熱風覆蓋范圍廣；因熱氣流沿著豎直墻壁下送到地面并形成貼附效果，靠近下送風口一側溫度最高；但豎壁貼附中擋風量運行時，該平面溫度分布對送風速度的變化并不十分敏感。因此，在滿足豎壁貼附供暖送風可及性條件下，風速不宜過大，避免人體吹風感。

2.3 熱浮升力不利影響控制參數

水平及豎向溫度分布的不均勻性主要是由送風熱浮升力造成的。冬季送風溫度過高，且與之匹配的送風速度偏小，慣性力大于熱浮升力，熱風不能進入工作區。因此，在避免吹風感的前提下，采用大風速、小溫差送風方式可以有效控制熱浮升力對室內熱舒適造成的不利影響。

冬季供熱工況屬于非等溫射流，送風溫度高于環境溫度，熱浮升力對射流的流動起阻礙作用，非等溫射流的判據為阿基米德數Ar。表征慣性力大小的量綱一特征數為雷諾數Re，表征熱浮升力強弱的量綱一特征數為格拉曉夫數Gr，Gr與Re2的比值即阿基米德數Ar，其表達式為[8]

(1)

式中g為自由落體加速度，m/s2；ΔT為送風溫差，K；Tn為室內平均溫度，K；l為送風口特征尺寸，m；ν為空氣的運動黏度，m2/s；u為送風速度，m/s。

Ar將送風口特征尺寸、送風速度、送風溫度三者結合在一起，綜合反映了熱浮升力與慣性力兩方面的作用。通過控制與送風參數對應的Ar的合理范圍，定量地適當增大慣性力、減小熱浮升力，即可有效避免由于熱浮升力對室內造成的熱舒適不利影響。

3 通風性能評價指標分析

3.1 能量利用系數

能量利用系數η可以反映送風能量的利用程度，其表達式為[9]

(2)

式中ts為送風平均溫度，℃；tp為排風平均溫度，在實驗中也是風管機平均回風溫度，℃；t1.7為供暖房間距地面1.7 m以下空間的平均溫度，℃。

1.7 m以下空間的能量越多，該空間的平均溫度越高，η越大，能量利用越充分。2種送風方式下供暖房間能量利用系數見表2。

表2 2種送風方式下供暖房間能量利用系數

由表2可以看出：對于2種送風方式，若減小風量或提高送風溫度，均會使熱風能量利用系數降低，但豎壁貼附通風供熱方式能量利用系數降低的幅度明顯小于混合通風供熱方式；在相同的風量工況設置下，豎壁貼附通風供熱房間的能量利用系數均大于混合通風，可以認為采用豎壁貼附通風供熱比混合通風更節能；但同時差異并不是十分明顯，原因是房間層高只有2.7 m，相對高大空間并不易實現溫度大跨距分層，4種工況1.7 m以下平均溫度差異并不大，但混合通風1.7 m以下豎向溫度梯度卻高達7 ℃，而豎壁貼附通風1.7 m以下豎向溫度梯度小于2 ℃，這個指標并不能反映這一問題。

3.2 頭腳溫差

頭腳溫差是影響人體熱舒適的一個重要指標，為了滿足人員工作區的熱舒適要求，《實用供熱空調設計手冊》要求，坐姿頭腳溫差Δt1.1～0.1≤2 ℃，站姿頭腳溫差Δt1.7～0.1≤3 ℃[10]。本文實測中，高度測點包含腳踝高度0.1 m測點、坐姿頭部高度1.0 m測點和站姿頭部高度1.6 m測點。圖10顯示了4種工況所對應的坐姿、站姿頭腳溫差。

圖10 不同送風工況下供熱房間頭腳溫差

可見在相同送風量和負荷下，混合通風形式供熱豎直方向溫度梯度過大，豎壁貼附通風供熱形成的室內氣流組織流場站姿、坐姿頭腳溫差更容易滿足設計要求。從圖10可以發現，豎壁貼附通風形式供熱時，依然存在部分數值并未嚴格滿足規范設計要求，這是因為實驗是在室內完全處于靜止狀態下進行的。現實中，冷風滲入、冷風侵透及室內人員活動等因素會促使室內空氣的流通和擾動。本實驗旨在比較2種送風方式在供熱模式下的差異，相較而言，豎壁貼附送風供熱更容易達到室內的熱舒適要求。

3.3 溫度不均勻系數

溫度不均勻系數Kt是通過計算工作區溫度的分布均勻程度來評價氣流組織形式優劣的指標[11]，其定義式為

(3)

圖11顯示了不同工況下房間工作區穩定狀態所有測點的溫度不均勻系數。相比混合通風，豎壁貼附通風供熱溫度不均勻系數更小，溫度分布更加均勻，冷熱分層不明顯。同一種送風形式下，超高擋大風速工況下溫度不均勻系數更小一些，房間熱舒適效果更好。

圖11 不同送風工況下供暖房間溫度不均勻系數

4 結論

1) 節能方面，熱空氣的熱浮升力效應是造成空調房間冬季供熱產生巨大無效能耗的主要原因。采用豎壁貼附送風形式，室內豎向溫度梯度造成的上熱下冷現象得到改善，能量利用系數顯著提高，以中擋風速為例，能量利用系數可提高26.9%，有利于降低供暖能耗。

2) 應用適應性方面，2種送風方式下，低風速、高風溫送風，熱空氣更不易流動擴散，從而形成的熱分層現象和無效能耗問題更嚴重。因此，冬季供熱建議采用大風量、小溫差送風以滿足熱負荷需要，但在滿足送風可及性要求條件下，豎壁貼附通風室內溫度分布對送風參數變化的敏感度較小，適應性強。

3) 熱舒適方面，相同送風量和負荷下，豎壁貼附通風形成的室內氣流組織流場溫度分布更均勻，人體頭腳溫差和溫度不均勻系數更小，冷熱分層不明顯，熱舒適效果更好。可見，采用豎壁貼附通風供熱可以有效克服熱浮升力對室內溫度分布的不利影響。