王時雨 亢燕銘

大玻璃窗供暖房間溫度特征的實驗研究

王時雨 亢燕銘

東華大學環(huán)境科學與工程學院

玻璃窗面積過大會造成空調房間空氣局部負荷偏大，而空調系統(tǒng)設計中不會對此進行專門計算，對大玻璃窗影響的低估會導致人體熱舒適不易保證。本文針對冬冷夏熱地區(qū)某實際辦公室，對玻璃窗面積較大的房間冬季供暖期的室內熱環(huán)境進行了實測。結果表明：玻璃窗是保溫薄弱環(huán)節(jié)，熱橋效應會造成供暖房間溫度水平分布不均勻，近窗處溫度明顯低于室內平均溫度。對于已存在的空調系統(tǒng)，提高送風速度可減小溫度分布的不均勻性。

玻璃窗冬冷夏熱地區(qū)熱橋效應溫度梯度

夏熱冬冷地區(qū)冬季采暖通常使用熱風集中供暖系統(tǒng)，風機盤管系統(tǒng)因其便于各房間獨立溫度調節(jié)、避免交叉污染、占用建筑空間小以及輸送能耗低等優(yōu)點而被廣泛應用[1]。該氣候區(qū)夏季供冷時間長，冬季供暖時間短，空調系統(tǒng)的設計一般以滿足夏季供冷要求為主，往往忽視冬季供暖效果。同時夏熱冬冷地區(qū)建筑窗墻比相對北方地區(qū)較大[2，3]，而外窗等熱橋構件因熱流通量太大會在附近形成冷空氣[4]。受其冷氣流的影響，冬季供暖效果更不易保證。

空氣溫度被公認為是影響熱舒適的主要因素[5，6]。水平方向溫度分布不均勻不僅嚴重影響人體熱舒適和供熱時能量利用率[7]，也會因為熱橋效應增加供熱能耗。文獻[8]研究了房間尺寸等因素對熱風供暖氣流組織的影響和提高室內工作區(qū)溫度的方法。

本文實測分析了華東地區(qū)某高校辦公樓的室內熱環(huán)境，為改善具有大面積玻璃窗房間的熱環(huán)境提供一定參考。

1實驗條件與測點布置

本文將在某辦公室風機盤管側送風情況下，對風機盤管空調系統(tǒng)熱風供暖特性進行實測研究。測量了送風參數(shù)改變時室內空氣溫度水平分布特征，分析不同送風速度下玻璃窗對室內熱環(huán)境的影響。

1.1實驗室布置情況

實驗對象為上海地區(qū)某高校辦公樓中某一辦公室，辦公室尺寸為5.4m×3.6m×3.8m（L×W×H）。該辦公室為頂樓北向房間，西面隔壁房間供暖，東面隔壁房間不供暖；北墻為外墻，含有大面積玻璃門窗；北面設有陽臺，南墻為內走道墻。

在辦公室內水平方向不同測點布置溫濕度二氧化碳測量儀，需要在不同的工作狀況下測定送、回風口的風速、溫度、濕度，并記錄室外環(huán)境氣溫變化。供暖期間風機盤管功率保持恒定，使用硬紙板調整送風口面積從而改變送風風速。實驗準備階段已將送風口百葉調至水平，同時適當調整回風口面積來控制各工況的通風阻力基本恒定。室內有一人長期辦公，室內人員間歇性活動并正常出入辦公室。

剛開啟風機盤管時室內空氣溫度并不穩(wěn)定，溫度受墻壁表面尤其是落地窗（北窗）表面輻射影響很大。為了環(huán)境對實驗的干擾，實測工況的持續(xù)時間為辦公樓的供暖時間，實驗開始前開啟吊扇并關閉門窗，使室內空氣溫度趨于均勻并保持在10℃左右時開始記錄數(shù)據。中央空調供暖停止前開啟吊扇，室內空氣均勻混合后可以獲得室內平均氣溫。

1.2測點布置與實測儀器

本實驗在辦公室內共布置6個測點，1～4號測點是測水平方向至窗戶不同距離處的溫度值，布點高度為0.8m，即人員正常靜坐工作時的高度；5號測點測送風溫度，6號測點測回風溫度。每個測點均使用一個溫濕度二氧化碳測量儀Humlog20，溫度分辨率為0.1℃，采樣時間間隔為1min。具體布點示意圖如下：

圖1實驗布點位置示意圖（中心縱剖面）

每個測點基本都布置在辦公室寬度方向（東西方向）的中軸線上，因此可用垂直剖面圖代替立體圖。

2實測結果與分析

本文實測了表1所示四種工況。A、B、C三種工況下遮擋送回風口的程度相同，通風阻力基本不變，送風量接近，僅D工況中，因為送風面積小，送風射流遮擋而產生較大的阻力，送風量顯著減小。

表1實測工況的主要參數(shù)

2.1室內空氣溫度的實測結果

圖2（a）和圖2（b）分別是工況A和D下室內空氣溫度的實測結果。圖中，L是測點至窗戶的距離，m。

圖2室內空氣溫度的實測結果

從圖2中可以看出水平方向不同位置的四個測點溫度存在差異，近窗（L=0.0m）處溫度隨時間變化規(guī)律與其它測點不一致，且近窗處溫度明顯低于其它位置，說明玻璃窗對室內熱環(huán)境有顯著的影響。同時還可以看出，送風速度越大，溫度達到相對穩(wěn)定所需時間越短。

2.2室內溫度的水平分布特征

對比水平方向四個測點的溫度可以分析出陽臺玻璃窗和人員進出對水平方向溫度分布的影響。本實驗中不同工況時溫度最小值均出現(xiàn)在靠窗測點處，為方便比較將各測點溫度無量綱化處理，即各測點溫度同除以相同工況下靠窗測點溫度值。設圖2中時間坐標軸數(shù)值為1h時是供暖初期，數(shù)值為7h時是供暖穩(wěn)定期。上述四種工況下供暖初期和供暖穩(wěn)定期水平測點無量綱溫度的分析結果如圖3（a）和圖3（b）所示。

圖3 水平測點的無量綱溫度

從圖3可以看出，隨著送風速度的增加，無量綱溫度變化曲線較為平緩，說明送風溫度增大時水平方向溫度分布更加均勻，表明有更多的熱量到達近窗處，近窗處的平衡溫度就越高，熱舒適性也越好。此外還可以看出，送風速度較小時，玻璃窗熱橋效應形成的冷氣流對室內熱環(huán)境的影響明顯大于人員出入引起冷空氣滲透的影響；隨著送風速度的增加，玻璃窗冷氣流的不良影響顯著減小，并且戶門的開啟對室內熱環(huán)境的干擾也隨之減弱。

2.3室內空氣溫度升溫速率分析

對比分析至窗戶不同距離測點的溫度隨時間變化規(guī)律，定義空氣溫度隨時間的變化速率k為：

式中：Δt是每Δτ時間間隔的溫度變化，℃；Δτ是取點時間間隔，本文取30min。圖4（a）和圖4（b）是兩個工況水平方向四個測點溫度變化速率k的規(guī)律曲線。

從圖4（a）可以看出，在供暖初期，近窗（L=0.0m）處溫度上升速率小于遠窗處，但隨著時間延長，近窗處溫度上升速率接近并超過了遠窗處。在供暖接近穩(wěn)定階段，近窗處溫度上升速率明顯大于遠窗處。當送風速度較大時，由圖4（b）可以看到，所有測點溫度上升速率差別不大，隨時間變化趨勢也大致相同。對比圖4（a）和圖4（b），可以認為，送風速度越大，同一時刻不同測點間溫度變化速率差異程度越小。圖4中，個別時刻有溫度下降現(xiàn)象，這是由于人員進出而產生干擾，以及陽臺門窗開啟導致冷空氣滲透。

圖4水平測點溫度變化速率

3結論

本文以冬冷夏熱地區(qū)某實際辦公室為研究對象，通過實驗方法對玻璃窗面積較大的房間冬季供暖期的室內熱環(huán)境進行實測，分析實測結果得出以下結論：

1）外窗面積過大會導致室內水平方向溫度分布很不均勻，近窗處的氣溫明顯低于遠窗處；

2）戶門的開啟會對室內熱環(huán)境產生干擾，但其影響小于外窗，其影響程度隨著送風速度的增加而減弱；

3）送風速度越大，室內溫度達到相對穩(wěn)定所需時間越短，水平方向溫度分布越均勻。玻璃窗形成的冷氣流的不良影響顯著減小，同時熱舒適性也越好。

[1]陸亞俊,馬最良,鄒振華.暖通空調[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006

[2]民用建筑節(jié)能設計標準(采暖居住居住部分)(JGJ 26-95)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1996

[3]夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準(JGJ134-2001)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001

[4]巴格斯羅夫斯基B H.建筑熱物理學[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1988

[5]P O Fanger.Thermal Comfort[M].New York:McGraw Hill,1972

[6]D A McIntyre.Indoor Climate[M].London:Applied Science Pub -lishers LTD,1980

[7]朱穎心.建筑環(huán)境學[M].北京:中國建筑工業(yè)出社,2009

[8]Mostafa Rahimi,Kaveh Tajbakhsh.Reducing temperature stratification using heated air recirculation for respectively thermal energy saving[J].Energy and Buildings,2011,43(10):2656-2661

Expe rim e nta l Study on La w of Te m pe ra ture in He a ting Room s w ith La rge Window s

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

Oversized glass windows can largen local load of air-conditioning rooms,which is not specially calculated in the design of air-conditioning systems.Underestimating the impact of glass windows results that human thermal comfort cannot easily met.The present paper tested the indoor thermal environment during heating period of an actual office with large windows,which was located in cold-winter and hot-summer zones.Results indicate that the window is the weakness of heat insulation and its thermal bridge effect can cause the horizontally inhomogeneous distribution of temperature and temperature near the window is obviously lower than the average temperature in a heating room.In existing air-conditioning systems,raising supply air velocity can reduce the inhomogeneity.

glass windows,cold-winter and hot-summer zone,thermal bridge effect,temperature gradient

1003-0344（2014）05-016-3

2013-7-30

王時雨（1992～），男，碩士研究生；上海市松江區(qū)人民北路2999號東華大學環(huán)境科學與工程學院5135室（201620）；021-67792554；

E-mail:napolun1992@sina.com

國家自然科學基金資助項目（40975093）