供暖模式下碰撞射流通风性能及优化研究

发布时间：2020-04-23 00:20

【摘要】：合理的通风方式是空调系统提供良好室内热舒适、空气质量和降低空调能耗的前提和保证。根据气流形态特征,目前常用的通风方式大致分为置换通风(DV)和混合通风(MV)两类形式。置换通风虽然可同时实现节能和提供良好室内空气质量的目标,但由于送风速度过低,故不能用于冬季供暖。混合通风既可以供冷也可以供暖,但有通风效率低、能耗高的缺点。作为一种替代方案,碰撞射流通风(IJV)的送风气流以较高的速度从近地面处垂直向下送出,撞击地面后,气流速度改变方向,并以空气薄层的形式沿地板表面大范围扩散。因此,从送风原理上讲,IJV供冷时具有DV的优点。同时,由于送风速度较大,使得供暖时的送风热气流首先在房间下部人员活动区分布,并能够与室内空气自下而上地混合。所以,IJV既可以克服DV不能用于供暖的缺点,也能避免MV难以将热风直接有效地输送至房间下部的缺陷,即IJV具有同时实现节能、提高室内热舒适和改善室内空气质量目标的潜力。但迄今为止,已有的关于IJV的大多数研究都是在供冷或等温送风的情况下展开的,而关于IJV在供暖模式下运行时通风性能的研究则很少,并缺乏必要的理论和性能优化研究,因而限制了它在实际中的推广应用。本文对IJV用于房间供暖时的通风性能(如能耗特征和室内空气质量等)进行了详细的研究和分析,以便为IJV的使用提供必要的理论和设计依据。本文采用实测和数值模拟的方法对IJV的通风性能进行了研究。在人工气候室内对IJV的供暖模式做了系统实验,并用典型工况的实测数据验证了所采用的数值方法的可靠性。在此基础上,分别对IJV用于供暖和供冷时的室内流场和温度场进行了详细的数值模拟,对比和分析了热射流与冷射流流动形态的区别,并研究了不同因素对IJV送风热气流流动形态的影响。结果表明,由于热浮力的作用,IJV供暖时的送风气流在沿地板扩散一定的距离后将脱离地面上浮,因此存在有限的热风送风距离,这与供冷时的送风冷气流的流动形态完全不同。除送风口形状和房间层高外,IJV的送风温差、送风口高度、送风速度和送风口面积均对热风的送风距离有明显影响。当IJV在供暖模式下运行时,如果热浮力作用过强,将会出现热风的送风距离大幅缩短的现象,故可能会在距离送风口较远的区域出现供暖空白区,导致IJV的供暖能量利用率下降、室内热舒适性变差。所以,准确预测送风距离对IJV的供暖设计有重要的实际指导作用。鉴于此,针对不同的设计变量(送风速度、送风温差、送风口高度和送风口面积)组合,对IJV供暖房间内的流场和温度场进行了数值模拟,并利用回归分析法建立了热风送风距离的预测模型。通过对这一预测模型分析发现,IJV的热风送风距离存在极大值,对于任何送风参数(送风速度和送风温差)和送风口特征(送风口高度和送风口面积),送风距离都不可能超过12 m。同时发现,对于特定的送风距离,送风口高度和送风口面积必须被限制在一定的范围内,并且送风量也必须大于相应的临界值,否则,将无法通过调节送风参数达到所需的送风距离。混合通风是目前最常用的热风供暖方式。然而,MV的送风热气流通常自房间上部送入室内,由于热浮力的作用,热量很难有效进入下部人员活动区,故房间内出现明显的下低上高的温度分布特征。为了满足人员活动空间的热舒适要求,上部空间的气温会远高于供暖设计温度,故导致室内空气平均温度过高,供暖能耗增大。在高大空间建筑中,由于热浮力而引起的这一效应尤其显著,但显然无法从根本上解决MV的高能耗问题。与此相反,IJV将送风热气流直接送入人员活动空间。为了评价IJV取代MV的可能性,分别对IJV和MV用于高大空间供暖时的室内流场和温度场进行了数值模拟,并分析了这两种类型供暖房间内热环境和能耗特征的区别。结果表明,在人员活动空间达到相同的热舒适条件下,MV房间中的上下温差可高达8?C,而IJV中的上下温差仅不到1?C。对于层高为10 m的高大空间建筑,IJV比MV至少节约20%的供暖能耗,并且随着房间层高的增大,这一节能率将进一步增大。由于IJV为下送风方式,故相对于通常采用的上送风的MV,IJV在改善人员活动区空气质量方面亦具有明显的优势。为考察IJV供暖房间内空气质量的具体特征,分别对主动式和被动式污染物(分别以人体呼出的CO2和人员行走引起的再悬浮2.5?m颗粒物为代表)在IJV和MV供暖房间内的扩散进行了模拟和对比分析。结果发现,IJV中两类污染物浓度都呈均匀分布特征,而在MV中,CO2主要分布在房间中间高度区域,而2.5?m颗粒物则集中分布在远离外墙的区域,这使得IJV的排污效率远高于MV的,并且人员呼吸区内污染物的平均浓度明显较低。此外,对IJV和MV供暖房间内平均空气龄分布进行的数值模拟结果表明,IJV中呼吸区内的平均空气龄比MV的小37%到45%。高大空间在进行热风供暖时,形成高能耗的主要原因是室内空气的热力分层现象严重,而其诱因之一是室外冷空气进入室内后下沉并积聚在地板附近。在人员频繁出入的很多公共空间(如航站楼、候车室和商业建筑门厅等),大量冷空气通过开启的外门进入供暖房间,造成室内下部空间的气温明显低于上部空间,于是导致供暖能耗增大。根据已有的研究结果,利用IJV的高速下送风特征有望改善这种状态。为证实这一点,在人工气候室内,分别在不同开门频率和开门时长下,对IJV和MV供暖房间内的气流速度和温度分布进行了大量实测,讨论了有冷风侵入条件下IJV和MV供暖房间内热环境和能耗的区别。结果显示,在相同的开门时长下,开门频率对室内温度的时间平均值基本没有影响。虽然IJV和MV供暖房间内的热力分层现象均随开门时长的增大而变严重,但IJV供暖房间内的上下温差始终不到MV的60%,故前者的供暖能耗远低于后者。此外,通过开启的外门而进入供暖房间的冷空气,会造成近门处局部区域的热环境变差,当采用MV进行热风供暖时,几乎无法通过调节送风参数来改善这种状况,但对于IJV,可以通过改变送风参数有效抵御冷风侵入对室内热环境所带来的不利影响。
【图文】：

碰撞射流,回风口

图 1-1 碰撞射流通风的送、回风口布置[17]Fig. 1-1 Arrangements of the supply and exhaust devices in IJV[17]根据已有的关于碰撞射流通风的研究结果[3,16,18]，由于高速送入的气流在撞击地板而改变运动方向后，仍具有很高的水平动量，因此气流沿地板的蔓延范围明显大于置换通风的。这样看来，即使送风射流为热风，在流动转为水平运动后，较高的射流剩余动量能够抵抗热浮力的作用，所以，热射流仍可以在地板表面扩散相当一段距离。这一特征表明，碰撞射流通风同时具备了置换通风和混合通风的优点，并在某种程度上克服了两者的缺点。当碰撞射流通风在夏季供冷工况下运行时，冷气流从位于近地面处的送风口送入室内，随后沿地面迅速扩散，当通过室内热源时，受局部热羽流的抬升作用，离开地面上升到房间上部回风区，气流形态如图 1-2 所示。它的气流运动特征与置换通风类似，室内空气温度分布也与置换通风基本一样，呈下低上高的分布特征[11,19]。因此，碰撞射流通风在供冷时可同时实现节能和提供良好室内空气质量的目标[16,18]。

供冷,气流流动,房间,碰撞射流

图 1-1 碰撞射流通风的送、回风口布置[17]-1 Arrangements of the supply and exhaust devices in关于碰撞射流通风的研究结果[3,16,18]，由于高速动方向后，仍具有很高的水平动量，因此气流沿风的。这样看来，，即使送风射流为热风，在流动动量能够抵抗热浮力的作用，所以，热射流仍可。这一特征表明，碰撞射流通风同时具备了置换种程度上克服了两者的缺点。通风在夏季供冷工况下运行时，冷气流从位于近沿地面迅速扩散，当通过室内热源时，受局部热房间上部回风区，气流形态如图 1-2 所示。它的室内空气温度分布也与置换通风基本一样，呈下碰撞射流通风在供冷时可同时实现节能和提供良
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU832

【参考文献】