王時(shí)雨 亢燕銘

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

熱風(fēng)供暖房間吊扇對(duì)溫度垂直分布的影響

王時(shí)雨 亢燕銘

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

冬季熱風(fēng)供暖房間由于空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)的不合理以及熱空氣的上浮，工作區(qū)溫度往往達(dá)不到要求。為提高熱舒適，一個(gè)有效措施是開啟辦公室吊扇來驅(qū)使貼附在房間頂棚位置的熱空氣向下運(yùn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)上海某辦公室，研究了不同工況吊扇開啟前后室內(nèi)垂直方向不同高度測點(diǎn)溫度的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：吊扇開啟后工作區(qū)溫度明顯升高，室內(nèi)溫度梯度減小，熱量利用率大幅提升，節(jié)能效果顯著。

熱風(fēng)供暖熱舒適吊扇溫度梯度節(jié)能效果

0 引言

風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通常只考慮夏季供冷，然后校核冬季供熱，粗略的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致冬季送風(fēng)參數(shù)的不合理。同時(shí)，熱風(fēng)供暖房間由于熱空氣的上浮導(dǎo)致垂直方向溫度梯度過大，室內(nèi)人員靜坐工作時(shí)會(huì)有冷感，對(duì)熱舒適和熱量利用率造成不良的影響[1～2]。集中供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)不當(dāng)造成的能量浪費(fèi)有時(shí)高達(dá)總供熱量的20%～30%[3]。文獻(xiàn)[4]中利用空氣循環(huán)將房間上部熱空氣轉(zhuǎn)移到工作區(qū)，但是重新改造空調(diào)系統(tǒng)工程量很大并且難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[5]研究了高大空間建筑中分層空調(diào)的應(yīng)用，但不能對(duì)常見辦公室供暖提供有效的參考。為提高熱舒適，很多人會(huì)打開辦公室吊扇來驅(qū)使貼附在房間頂棚位置的熱空氣向下運(yùn)動(dòng)。吊扇開啟后形成機(jī)械通風(fēng)，穩(wěn)定且便于控制，有利于提高熱舒適和空氣品質(zhì)[6]。

本文研究了華東地區(qū)某辦公室在不同送風(fēng)速度下吊扇開啟前后垂直方向溫度梯度的變化以及對(duì)熱舒適的影響，并針對(duì)其中一種工況定量分析了溫度變化值和達(dá)到的節(jié)能效果，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)布置和工況介紹

實(shí)驗(yàn)實(shí)測了華東地區(qū)某高校辦公室冬季集中供暖時(shí)的室內(nèi)熱環(huán)境，送風(fēng)方式是風(fēng)機(jī)盤管側(cè)送風(fēng)，空調(diào)機(jī)組為直燃式溴化鋰機(jī)組。此辦公室位于頂樓，東、西兩側(cè)隔壁房間均為供暖房間，南墻外側(cè)是內(nèi)走道，北墻為外墻，窗墻比約為82%。房間尺寸為5.4m×3.6m× 4.0m（長×寬×高）。

本實(shí)驗(yàn)在房間中心位置同一垂直線上均勻布置6個(gè)測點(diǎn)，布點(diǎn)高度分別為0.0m、0.8m、1.6m、2.4m、3.2m、4.0m，每個(gè)測點(diǎn)均有一臺(tái)溫濕度CO2測量儀。另外送、回風(fēng)口也各布置一臺(tái)溫濕度CO2測量儀，儀器型號(hào)為Humlog20，溫度分辨率0.1℃，采樣時(shí)間間隔為30s，記錄數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為1min。

實(shí)驗(yàn)對(duì)辦公室的四種工況進(jìn)行了測量，四種工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況特性參數(shù)

表1中所示四種工況房間初始溫度可以認(rèn)為都是20℃，此初始溫度在辦公室建筑室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)范圍內(nèi)，符合常見集中供暖辦公室的作息規(guī)律和溫度變化規(guī)律[7]。

2 實(shí)測溫度隨時(shí)間變化

表1列出的四種工況下溫度隨時(shí)間變化曲線如圖1至圖4所示。

圖1 A工況空氣溫度實(shí)測結(jié)果

圖2 B工況空氣溫度實(shí)測結(jié)果

圖3 C工況空氣溫度實(shí)測結(jié)果

圖4 D工況空氣溫度實(shí)測結(jié)果

如圖1至圖4所示，待室內(nèi)熱環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定后打開吊扇，可以明顯觀測到房間上半部空間非工作區(qū)的溫度急劇下降。與此同時(shí)，房間下半部空間工作區(qū)的溫度會(huì)明顯提高，地面處測點(diǎn)的溫度甚至升高超過7℃。吊扇開啟后不同高度測點(diǎn)溫度逐漸趨于一致，說明垂直方向溫度梯度減小，開啟吊扇的效果顯著。當(dāng)?shù)跎汝P(guān)閉后，不同高度測點(diǎn)之間的溫度差值重新增加，直至中央空調(diào)停止供暖。因送風(fēng)速度和吊扇開啟時(shí)間不同，四種工況的溫度實(shí)測結(jié)果存在一定差異。

3 室內(nèi)熱環(huán)境和節(jié)能效應(yīng)分析

3.1混合階段和非混合階段的室內(nèi)熱環(huán)境

定義開啟吊扇期間為混合階段，不開啟吊扇期間為非混合階段。同時(shí)規(guī)定房間2m以上高度空間為非工作區(qū)，2m以下高度空間為工作區(qū)。在非混合階段，近似認(rèn)為溫度達(dá)到峰值溫度的90%時(shí)為穩(wěn)定期。以D工況為例，分別計(jì)算D工況混合階段和非混合階段穩(wěn)定期工作區(qū)和非工作區(qū)的平均溫度、工作區(qū)和非工作區(qū)的溫差以及頭足溫差。頭部高度設(shè)為1.8m，腳部高度設(shè)為0.1m，則頭足高度差為1.7m。將混合階段的溫度、溫差除以非混合階段的溫度、溫差得到相對(duì)溫度值，可以便于分析溫度的相對(duì)變化。實(shí)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果如圖5所示。

從圖5可看出，非混合階段工作區(qū)溫度過低，不足17℃，不滿足文獻(xiàn)[8]規(guī)定的舒適性空調(diào)冬季室內(nèi)計(jì)算參數(shù)，并且頭足溫差超過3℃，超出了室內(nèi)人員對(duì)熱舒適要求的最大允許限值[9]。混合階段非工作區(qū)和工作區(qū)的溫差顯著減小，說明有更多的熱量到達(dá)工作區(qū)，熱量利用率提高。同時(shí)混合階段工作區(qū)的溫度明顯升高，頭足溫差不足1℃，說明溫度分布更加均勻合理，室內(nèi)熱環(huán)境也更加舒適。吊扇開啟后人員工作區(qū)的平均風(fēng)速為0.18m/s，滿足文獻(xiàn)[8]中對(duì)冬季采暖建筑活動(dòng)區(qū)風(fēng)速的要求，室內(nèi)工作人員沒有出現(xiàn)明顯的不適現(xiàn)象。

圖5 兩個(gè)階段穩(wěn)定期溫度對(duì)比

3.2混合階段和非混合階段非工作區(qū)的能量浪費(fèi)

大型公共建筑中空調(diào)能耗占用建筑總能耗的40%～60%[10]，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力是巨大的，因此有必要分析能使辦公室建筑達(dá)到節(jié)能的措施及其具體的節(jié)能效應(yīng)。供熱時(shí)理想的室內(nèi)熱環(huán)境應(yīng)該是非工作區(qū)溫度t1和工作區(qū)溫度t2相同，但工程實(shí)際中由于熱空氣的上浮以及空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，非工作區(qū)溫度t1會(huì)比工作區(qū)溫度t2高很多，而t1對(duì)工作人員的熱舒適并無影響，因此會(huì)造成大量的能量浪費(fèi)。本實(shí)驗(yàn)中北墻窗墻比較大，是產(chǎn)生室內(nèi)熱負(fù)荷的主要原因，若忽略鄰室傳熱只考慮北墻散熱，可以通過式（1）來計(jì)算混合階段和非混合階段非工作區(qū)實(shí)際增加的能量消耗Qex。

式中：K是北墻傳熱系數(shù)，本研究中取4.7W/(m2·K)；F1是非工作區(qū)北墻的面積，實(shí)際測得為7.2m2。所得結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，與混合階段相比，非混合階段會(huì)額外損失很多熱量，非混合階段比混合階段多消耗的熱量為210W，即使混合階段吊扇的功率是80W，無論從節(jié)能還是熱舒適角度來分析，開啟吊扇是極為有效的。

圖6 混合階段和非混合階段能耗分析

4 結(jié)論

本文對(duì)上海地區(qū)某辦公室吊扇開啟前后室內(nèi)垂直方向不同高度測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化進(jìn)行了實(shí)測，分析得出以下結(jié)論：

1）吊扇未開啟時(shí)的非混合階段工作區(qū)溫度過低，并且頭足溫差較大，難以達(dá)到熱舒適，同時(shí)非工作區(qū)溫度過高，不符合節(jié)能要求；

2）吊扇開啟后的混合階段非工作區(qū)和工作區(qū)溫差顯著減小，工作區(qū)溫度明顯升高，頭足溫差不足1℃，熱環(huán)境更加合理、舒適；

3）與非混合階段相比，混合階段的節(jié)能效果顯著，可以在此基礎(chǔ)上降低送風(fēng)溫度以提高空調(diào)機(jī)組效率并節(jié)省更多能量。

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The Influe nc e of Ce iling Fa ns on Ve rtic a l Te m pe ra ture Dis tribution in Hot Air He a ting Room s

WANG Shi-yu,KANG Yan-ming
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

Because of the unsuitable parameters of air conditioning system and floating of hot air,the temperature of occupied space usually cannot meet the requirement in a hot air heating room.An effective method to improve thermal comfort is opening the ceiling fans,so that roof-attachment hot air can be driven downward.The present experiment discussed the variation of vertical temperature under different operation conditions,which was measured in an actual office in Shanghai.Experimental results showed that the temperature in occupied space rose obviously and temperature gradient reduced.It meant that coefficient of utilization promoted greatly and energy-saving effect was significant.

hot air heating,thermal comfort,ceiling fan,temperature gradient,energy-saving effect

1003-0344（2014）06-019-3

2013-8-21

王時(shí)雨（1992～），男，碩士研究生；上海市松江區(qū)人民北路2999號(hào)東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院5135室（201620）；021-67792554；

E-mail:napolun1992@sina.com

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.40975093）