黃志喜 鐘 珂 陳 帥

東華大學環(huán)境科學與工程學院

送風口高度對碰撞射流氣流特征影響實驗研究

黃志喜 鐘 珂 陳 帥

東華大學環(huán)境科學與工程學院

通過實驗研究了碰撞射流熱風供熱時不同的送風口高度下室內(nèi)空氣溫度、速度和熱舒適參數(shù)分布情況。分析了送風口高度影響作用，結(jié)果表明碰撞射流熱風供熱系統(tǒng)的送風口高度對室內(nèi)熱環(huán)境有顯著影響。

碰撞射流通風送風口高度有效吹風感熱舒適性

0 引言

碰撞射流通風（Impinging Jet Ventilation），作為一種新的通風方式首先在瑞典出現(xiàn)并得到發(fā)展[1]。近年來，國外有些研究學者對這種新型通風方式的室內(nèi)溫濕度分布特征和速度場展開了研究[2]。碰撞射流通風是基于一個高動量氣流直接噴向地板后向四周散開的原理，射流碰撞到地板后雖有一部分動量損失，但是仍具有足夠的動力沿地面散開達到一個很長的距離，使射流沖量能在大范圍內(nèi)擴散，在地板上產(chǎn)生一個很薄的空氣層，因為送風速度較快，氣流還沒來得及出現(xiàn)紊亂就在空氣層下部推積壓力和浮升力的作用下緩慢向上飄起，所以碰撞射流不容易出現(xiàn)紊亂的氣流組織，就像活塞流一樣把室內(nèi)污濁的空氣從房間底部擠壓到房間頂部排出，該送風方式可直接將新鮮空氣送入工作區(qū)，從而提高了工作區(qū)的空氣品質(zhì)和通風效率[3]。碰撞射流通風具有不同于傳統(tǒng)置換通風和混合通風系統(tǒng)的流場特征，有研究表明，碰撞射流通風在室內(nèi)形成的流場和溫濕度場，具有混合通風和置換通風的優(yōu)點，可以應(yīng)用在跨度比較大的建筑，同時它還克服了置換通風冬季不適合用于供熱的缺點[4，5]。

在碰撞射流供熱系統(tǒng)中，送風口的高度可以影響室內(nèi)溫度場和速度場的分布，本文采用實驗的方法研究碰撞射流供熱系統(tǒng)不同的送風口高度對室內(nèi)環(huán)境溫度場和速度場分布的影響，分析碰撞射流送風口高度對室內(nèi)熱舒適性的影響。

1 實驗?zāi)Ｐ团c測點布置

1.1 實驗?zāi)Ｐ?/p>

本文主要研究碰撞射流供熱系統(tǒng)噴管送風口的高度對室內(nèi)環(huán)境熱舒適性的影響，為了不受室外環(huán)境影響，本實驗是在一個人工氣候室（以下簡稱氣候室）中進行的，氣候室是置于一個實驗室內(nèi)，氣候室的墻體與實驗室墻體完全分開，氣候室的尺寸為L×W×H= 3.6m×3.0m×2.6m，氣候室的送風噴管為圓形風管，其送風口直徑為D=0.22m，采用氣候室門做為自然出風口，其尺寸為L×W=1.5m×0.9m，氣候室的物理模型如圖1所示。

圖1 人工氣候室的物理模型

1.2 實驗測點布置及所用儀器

本實驗把送風噴管放置在靠墻的中間位置，沿著房間的進深方向上，從碰撞點開始每隔40cm布置一個熱電偶測點，熱電偶的離地距離均為10mm，同時還布置了4根測桿，每根測桿上面有7個測點，每個測點均可同時對溫度和風速進行測量，熱電偶測點、測桿的布置平面圖以及測桿立面圖如下圖所示，其中圖2（a）中P1～P9為熱電偶位置，C1～C4為測桿位置，圖2（b）中1～7為7個測點位置。

圖2 測點布置平面圖及測桿立面圖

實驗過程所用的測量儀器主要有：1）TSI-9535測量儀，溫度測量范圍為-17.8～93.3℃，精度為±0.05℃，風速測量范圍為0～30m/s，精度為±0.015m/s。2）風速儀為意大利Delta OHM型號HD2303風速儀，探頭為AP471S5，測量范圍為0～40m/s，精度為±0.015m/s。3）熱電偶型號為WRM 2-230G，其測量范圍為0～1000℃，測量精度為±0.01℃。

2 實驗結(jié)果與分析

碰撞射流送風速度較高，射流撞擊到地板后，沿地面水平擴散的速度對人體熱舒適影響很大，特別是冬季供暖情況下，較大氣流速度對人體產(chǎn)生的不舒適感遠大于夏季供冷情況。為此，本文將重點分析碰撞射流供暖時，室內(nèi)氣流速度分布和人體熱舒適狀況。

2.1 送風口高度對室內(nèi)環(huán)境風速的影響

為了研究噴管送風口高度對室內(nèi)環(huán)境風速的影響，本文取送風速度V為3.0m/s，送風口高度H分別為0.3m和1.2m時4根測桿風速的分布情況作分析，如圖3所示。

圖3風速隨測桿高度的分布

圖3 是送風速度為3.0m/s，送風口高度分別為0.3m和1.2m時4根測桿風速的分布情況。由圖可知，對于測桿1，當送風口高度為0.3m時，風速沿著測桿高度呈下降趨勢，最低風速出現(xiàn)在測點2，約為0.03m/s，最高風速出現(xiàn)在測點6，約為0.28m/s，整根測桿的平均風速約為0.18m/s；當送風口高度為1.2m時，風速沿著測桿高度也呈下降趨勢，最低風速出現(xiàn)在測點1，約為0.06m/s，最高風速出現(xiàn)在測點6，約為0.66m/s，整根測桿的平均風速約為0.3m/s；對于測桿2，當送風口高度為0.3m時，風速沿著測桿高度變化不大，最低風速出現(xiàn)在測點1，約為0m/s，最高風速出現(xiàn)在測點6，約為0.1m/s，整根測桿的平均風速約為0.05m/s；當送風口高度為1.2m時，風速沿著測桿高度波動較大，最低風速出現(xiàn)在測點1，約為0m/s，最高風速出現(xiàn)在測點7，約為0.43m/s，整根測桿的平均風速約為0.2m/s；同樣，對于測桿3和測桿4，當送風口高度分別為0.3m和1.2m時風速沿著測桿高度的分布相差也比較大。從整體來看，當送風口高度為0.3m時，測桿整體的風速波動都不大，平均風速比較接近0.15m/s，該風速為熱風供熱時引起人不舒適的最大風速[6]；當送風口高度為1.2m/s時，測桿整體的風速波動較大，平均風速約為0.28m/s，偏離人感覺舒適的風速較大。由此可見，送風口高度對室內(nèi)環(huán)境風速存在很大的影響。

圖4為各工況室內(nèi)環(huán)境風速的分布頻率圖，圖中橫線為速度為0.15m/s的速度分界線，由圖4可以看到，每一種送風速度下，當送風高度不同時，對應(yīng)的室內(nèi)環(huán)境風速分布頻率也不一樣，而且隨著送風口高度的增加室內(nèi)環(huán)境平均風速呈上升趨勢。當送風速度為1.2m/s、1.8m/s和2.4m/s時，不管送風口高度為多少，室內(nèi)環(huán)境平均風速都不會超過0.15m/s,該風速為熱風供熱時引起人不舒適的最大風速，但當送風口高度為3.0m/s時，送風口高度為0.3m和0.6m時室內(nèi)環(huán)境平均風速未超過0.15m/s，而當送風口高度為0.9m和1.2m時室內(nèi)環(huán)境平均風速則超過0.15m/s，會引起人的不舒適感。由此可見，噴管送風口的高度對室內(nèi)環(huán)境風速確實存在顯著的影響。

圖4 各工況室內(nèi)風速分布情況

2.2 送風口高度對室內(nèi)環(huán)境熱舒適度的影響

單純的用室內(nèi)環(huán)境的溫度或者風速來評價室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度都是不全面的，Nevis就曾通過匯總實驗結(jié)果，提出了一個用來評價室內(nèi)環(huán)境舒適度的綜合指標，稱作有效吹風感θ[6，7]。因此本文將用有效吹風感θ來評價室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度，它是把送風溫度和送風風速表示為一個綜合作用效果的指標，可以用它來反映室內(nèi)環(huán)境的舒適度，其表達式為：

式中：θ是有效溫度差，K；Tj是送風溫度，℃；Ta是室內(nèi)空氣溫度，℃；V是工作區(qū)某點的風速，m/s。

Nevis提出有效吹風感θ的同時，還建議有效吹風感θ的舒適標準是：-1.7<θ<1.1[6]。下面取送風速度為1.2m/s，送風口高度分別為0.3m和1.2m時有效吹風感θ隨高度的分布情況來分析送風口高度對有效吹風感θ的影響，如圖5所示。

圖5中陰影區(qū)域所對應(yīng)高度為對應(yīng)θ值為-1.7K到+1.1K之間，即為多數(shù)人感覺到舒適的θ值范圍，在圖5（a）、（b）中分別用兩條豎線標出來。由圖5可以看出，當送風速度為1.2m/s，送風口高度分別為0.3m和1.2m時，這兩種工況下同一測桿θ值隨測桿高度的分布不一樣，曲線的斜率也不一樣，同一個測桿θ值為-1.7K到+1.1K之間對應(yīng)的測桿高度區(qū)間也不一樣，這說明噴管送風口高度對有效吹風感θ值也存在較大的影響，而且當送風口高度為0.3m時對應(yīng)的測桿高度區(qū)間較大。

圖5有效吹風感θ隨測桿高度的分布

圖6 為各工況有效吹風感θ的分布頻率圖，圖中陰影部分區(qū)域為有效吹風感θ值從-1.7K到+1.1K之間的區(qū)域，即為大多數(shù)人感覺到環(huán)境比較舒適時所對應(yīng)的有效吹風感θ值范圍，由圖6中可以看到，當送風速度為1.2m/s時，隨著送風口高度的增加測點有效吹風感θ的平均值逐漸下降，頻率圖中落在陰影區(qū)域中的面積比例也隨著送風高度的增加呈減小趨勢；當送風速度為1.8m/s和2.4m/s時，這兩種情況測點有效吹風感θ的平均值都隨著送風口高度的增加變化不大，幾乎相等，而且頻率圖中落在陰影區(qū)域中的面積比例隨著送風高度的增加也相差不大；當送風速度為3.0m/s時，隨著送風口高度的增加測點有效吹風感θ的平均值先上升后下降，而且頻率圖中落在陰影區(qū)域中的面積比例也隨著送風高度的增加呈減小趨勢。

圖6 各工況有效吹風感θ的分布頻率圖

綜上所述，當送風速度為1.2m/s和3.0m/s時，有效吹風感θ的平均值變化情況不一樣，但頻率圖中落在陰影區(qū)域中的面積比例都隨著送風高度的增加呈減小趨勢，即此時送風口高度對室內(nèi)環(huán)境有效吹風感θ的影響很大。當送風速度為1.8m/s和2.4m/s時，有效吹風感θ的平均值隨著送風口高度的增加幾乎不變，頻率圖中落在陰影區(qū)域中的面積比例也隨著送風高度的增加幾乎相同，即此時送風口高度對室內(nèi)環(huán)境有效吹風感θ的影響不大。

3 結(jié)論

本文采用實驗的方法，通過改變碰撞射流供熱噴管送風口的高度，得到了室內(nèi)環(huán)境的溫度和風速的分布情況，再通過室內(nèi)熱舒適綜合評價指標——有效吹風感θ，評價了室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性，從而得出碰撞射流供熱系統(tǒng)送風口的高度對室內(nèi)環(huán)境的溫度場、速度場以及室內(nèi)環(huán)境有效吹風感θ會產(chǎn)生顯著影響，可為以后對碰撞射流熱風供熱研究及應(yīng)用提供參考。

[1]Karim ipanah T,AwbiHB.Theoreticaland experimental investigation of impinging jetventilation and comparisonw ithwalldisplacement ventilation[J].Building and Environ-ment,2002,37: 1329-1342

[2]Karimipanah T,Sandberg M,AwbiHB.A comparative study of differentair distribution systems in a classroom[A].In:Proceeding of the ROOMVENT 2000(2)[C].Oxford:Elsevier,2000, 1013-8

[3]袁麗麗,寇利,劉斌.對比置換通風碰撞射流通風室內(nèi)顆粒物分布特性的研究[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2008,(4):30-35

[4]葉美珍,亢燕銘,馮衛(wèi).變風量系統(tǒng)碰撞射流通風房間空氣品質(zhì)的研究[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2010,(1):16-20

[5]李強民.置換通風的原理、設(shè)計及應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2000,30(5): 41-46

[6]M cintyre，Indoor Climate[M].London:Applied Science Publisher,1980

[7]朱穎心.建筑環(huán)境學[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

Ex pe rim en ta l Stud y on the He igh t o f A ir Sup p ly Ou tle t A ffe c ting the Air Flow Cha ra c te ris tic s o f Im p ing ing Je t Ven tila tion

HUANG Zhi-xi,ZHONG Ke,CHEN Shuai
Collegeof EnvironmentalScienceand Engineering,Donghua University

The Indoorair temperature distribution,velocity distribution and thermal com fortof impinging jetventilation were investigated by experimentunderdifferentheightsofairsupply outlet.Afteranalyzing the influenceof theheightof air supply outlet,the resultsshow that the heightof air supply outletof impinging jetventilation hasamarked impacton indoor thermalenvironment.

impinging jetventilation,theheightofairsupply outlet,effectiveblow ing feeling,thermalcom fort

1003-0344（2014）02-028-4

2013-4-18

黃志喜（1987～），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：hzx1266@126.com

國家自然科學基金資助項目（No:40975093）