畢南妮 鐘珂 陳帥

東華大學環(huán)境工程與科學學院

不同送風速度下碰撞射流供熱特性的實驗研究

畢南妮 鐘珂 陳帥

東華大學環(huán)境工程與科學學院

本文利用實驗的方法對碰撞射流通風供熱系統(tǒng)的特性進行了分析，通過設置對比實驗，對碰撞射流通風方式下不同的送風速度進行實驗，實驗結(jié)果表明，在通常允許的范圍內(nèi)，送風速度越高，室內(nèi)溫度分布越均勻，有效風感溫度越滿足1.7<△ET<+1.1，越有利于提高熱風利用率，為碰撞射流通風廣泛應用提供良好的理論基礎。

碰撞射流通風 送風速度 供熱特性 溫度分布 熱舒適性

0 引言

碰撞射流通風方式在20世紀90年代末起源于瑞典，近十年來陸續(xù)有人開始研究碰撞射流的基本特性，并且已開始應用于學校、辦公室、工業(yè)建筑等[1～3]。國內(nèi)目前對碰撞射流通風系統(tǒng)的研究比較少，但已有研究成果顯示碰撞射流與現(xiàn)有的混合通風以及置換通風比較，有一定的優(yōu)越性[3～4]。

Karimipanah等實驗發(fā)現(xiàn)[5]，采用碰撞射流通風時，噴口的安裝高度在0.3m與1.5m之間，送風速度在1.4m/s與3.0m/s之間時，室內(nèi)的氣流組織比較好[6]。本文通過設置不同送風速度的對比實驗，對碰撞射流氣流速度和溫度分布、吹風引起的不舒適性等情況進行對比分析，研究送風速度對碰撞射流供熱特性的影響。

1 實驗模型與測點布置

1.1 實驗方案

為了研究碰撞射流的供熱特性，本實驗針對送風管靠墻設置的情況進行研究，通過對不同送風速度大?。?.5m/s和2.2m/s）的工況進行實驗。將實驗結(jié)果進行對比分析，得出送風速度大小對碰撞射流供熱特性的影響。

為了測試不同送風口高度對供暖房間內(nèi)熱環(huán)境的影響，本實驗通過兩組對比工況進行實驗分析。兩個工況送風口高度均取0.2m，工況1和工況2的送風速度分別取1.5m/s和2.2m/s。

1.2 實驗模型

本實驗是在東華大學環(huán)境學院的暖通空調(diào)實驗房間內(nèi)進行的，該房間內(nèi)布置人工氣候室作為實驗室模擬實際房間進行實驗，由于實驗室建于房間內(nèi)部，不考慮熱輻射作用。實驗室的尺寸為：3.6m×3.0m× 2.6m（長×寬×高），墻體及頂面和底面材料均由保溫材料加不銹鋼內(nèi)壁做成，消除或減弱局部傳熱過多的熱橋作用，避免室外氣候條件引起墻體內(nèi)部較大的溫度變化，從而影響室內(nèi)的空氣溫度。做碰撞射流實驗時，采用軟性鋁箔風管外加橡塑保溫棉。實驗室主要由自動控制系統(tǒng)、空氣處理機組、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和被控環(huán)境實驗艙四部分組成。用奧地利EE10型號溫度傳感器（測量范圍：-5℃～+55℃，精度：±0.3℃）、意大利DeltaOHM系列的HD103T型號風速儀（測量范圍：0～5m/s，測量精度：±0.2m/s）等組成的測量元件測量數(shù)據(jù)，傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊。在實驗室外通過電腦控制、檢測實驗室內(nèi)部環(huán)境，以避免人員或外部環(huán)境對室內(nèi)環(huán)境造成干擾，使實驗更準確地達到所需工況并穩(wěn)定運行。實驗室結(jié)構(gòu)見圖1。碰撞射流通風實驗的送風口為圖1左側(cè)半徑為0.2m的管道口，排風口為門上部0.57m×0.07m的排風口。

圖1 實驗室結(jié)構(gòu)布局

1.3 測試內(nèi)容及測點布置

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要測量的數(shù)據(jù)：室內(nèi)測點的溫度、風速以及實驗室地面上選取點的溫度。

4根測桿共28個點測室內(nèi)溫度和風速變化，地面上的熱電偶測量貼附地面的氣流溫度分布。各測點位置見圖2。

圖2 測桿及熱電偶布置

在實驗室均勻地布置四個測桿測量工作區(qū)的溫度、風速，測桿上測點編號從上到下依次為1號、2號、3號、4號、5號、6號和7號，測點到地面的高度依次為2.4m、2.1m、1.7m、1.4m、1.0m、0.65m、0.35m。地面上以碰撞點（風管正下方中心處）為圓心，風口半徑為半徑的圓，與墻邊界線的切點O作為原點，以墻邊為起始邊，分別沿30°、45°、90°方向布置熱電偶（測試范圍：-50～350℃，精度：0.01℃），熱電偶距原點距離為y，y/d= 1、3、5、7、9（d為圓直徑200mm）。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)溫度和氣流速度隨高度的分布

為了研究不同送風速度下室溫隨高度的分布情況，將各工況的4根測桿在穩(wěn)定時的溫度分布用曲線圖表示。圖3是兩個工況的溫度分布情況。

圖3 兩種工況下空氣溫度沿高度的分布

圖3中顯示了工況1和工況2的4根測桿在穩(wěn)定后的溫度分布曲線圖。由圖3可知，工況1和工況2類似，隨著高度的增加，所有測點的溫度逐漸上升，且各測桿溫度分布曲線形狀基本一致，4號測桿溫度隨高度變化與其他三根測桿相反，隨高度增加，溫度整體呈下降趨勢。4根測桿溫度隨高度的變化曲線的交叉點基本集中在中間段1～2.1m之間，該高度之間的室內(nèi)溫度最均勻。

在房間下部高度在0.35～0.65m的區(qū)域內(nèi)，4號測桿的溫度最高，2號測桿次之，因為這兩根測桿離送風口最近，所以下部溫度較高，3號測桿溫度最低，1號測桿較3號測桿溫度高一點。在2.1m～2.4m的高度區(qū)域內(nèi)，1號測桿溫度最高，2號測桿次之，4號測桿溫度最低，3號測桿溫度處在中間水平，因為與室外相通的排風口離3號測桿和4號測桿較近。3號測桿整體溫度處在較低水平，因為其位置遠離送風口，靠近排風口。

分別計算出這兩個工況下的4根測桿最高處測點與最低處測點的垂直溫差，得到如圖4所示的對比結(jié)果。從圖4可以看出，送風速度為2.2m/s時，室內(nèi)溫度垂直溫差比送風速度為1.5m/s時相對較小。

圖4 兩工況下各測桿垂直溫差比較

為了研究送風速度不同時，室內(nèi)風速分布特征，取v=1.5m/s和v=2.2m/s兩種工況，最穩(wěn)定時間段測桿上各點風速大小分布情況來進行對比分析（圖5）。

圖5 兩種工況各測桿測點的風速分布

由圖5（a）可知，4根測桿上的測點風速隨高度變化分布曲線呈波動狀，整體趨勢是隨高度的增加而速度增大。3號測桿上各點的速度隨高度變化相對比較穩(wěn)定，在房間下部平面上，2號測桿和4號測桿的風速較大，因為靠近出風口，2號測桿上的風速最大，4號測桿可能由于管道線路等遮擋的原因，風速有所削減。在1m和1.4m之間的高度上風速最平均，且風速比較低。風速小于0.5m/s以下，人沒有太明顯的感覺。

在風速分布圖上用虛線畫出了工作區(qū)內(nèi)風速小于0.5m/s的點的情況。所要考察的工作區(qū)內(nèi)的點，在兩條水平射線之間，垂直虛線表示的是風速為0.5m/s的界限。由圖5（b）可知，送風速度為2.2m/s時，4號測桿上0.35m和0.65m的測點風速大于0.5m/s，不滿足舒適性要求。從風速滿足要求的情況來看，送風速度為2.2m/s時，測點風速大于0.5m/s的點明顯比送風速度為1.5m/s時的多。

2.2 送風速度對人體熱舒適性影響

由于研究人體熱舒適，所以只針對工作區(qū)（2.0m以下空間）的測點進行研究。有效溫度差與室內(nèi)風速之間有下列關系：

式中：△ET為有效溫度差；ti，tn為工作區(qū)某點的空氣溫度和給定室內(nèi)設計溫度；vn為工作區(qū)某點空氣流速。

根據(jù)該公式計算出h=0.2m，送風速度分別為v= 1.5m/s和v=2.2m/s時的工況工作區(qū)所有測點有效風感溫度，在圖6中表示，用虛線將-1.7和+1.1的界限標記出來，得到△ET滿足-1.7～+1.1的點的情況。

圖6 兩個工況下工作區(qū)測點的△ET值

圖6（a）給出v=1.5m/s時，工作區(qū)不滿足-1.7<△ET<+1.1的點大多出現(xiàn)在2號測桿和4號測桿，原因可能是由于這兩根測桿最接近送風口。1號測桿上出現(xiàn)不舒適點時的送風口高度為0.6m，送風速度為1.5m/s。2號測桿不舒適點基本出現(xiàn)在1.4m以下。4號測桿不舒適點基本出現(xiàn)在1m以下。v=2.2m/s時的工作區(qū)不滿足-1.7<△ET<+1.1的點與送風速度為1.5m/s時類似。

3 結(jié)束語

本文在不同的送風速度工況下，對室內(nèi)速度場、溫度場進行實驗對比分析，得出送風速度大小對碰撞射流的供熱特性影響有以下結(jié)論：

1）送風速度越大，室內(nèi)溫度分布越均勻，有效風感溫度越能滿足-1.7<△ET<+1.1的條件；

2）送風速度越大，室內(nèi)垂直溫差越小，越有利于將熱風送達人員空間。

[1]王紅梅,王大鑫,郭陽.碰撞射流通風的特性及節(jié)能分析[J].低溫建筑技術,2012,(7):137-138

[2]邢陽.基于碰撞射流通風的室內(nèi)空氣品質(zhì)數(shù)值模擬[D].重慶:重慶大學,2012

[3]Large-eddy simulation of flow and heat transfer in an impinging slot jet[J].International Journal of Heat and Fluid Flow,2001,22 (5):500-508

[4]王曉婷,鐘珂.定風量系統(tǒng)下碰撞射流通風的供熱效果分析[J].制冷空調(diào)與電力機械,2011,(2):81-84

[5]T Karimipanah,H B Awbi.Theoretical and experimental investig -ation of impinging jetventilation and comparison with wall displacement ventilation[J].Building and Environment,2002,37(12): 1329-1342

[6]董雷.碰撞射流通風方式在辦公類建筑中應用的探討[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2006

Expe rim e nta l Re s e a rc h on the Cha ra c te ris tic of Im pinging J e t Ve ntila tion Sys te m of He a ting unde r Diffe re nt Air Ve loc ity

BI Nan-ni,ZHONG Ke,CHEN Shuai
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

To experiment by setting the comparative experiments under different air velocity,the characteristics of impinging jet ventilation system of heating were experimentally studied.The experimental results show that in the normally allowable range,the higher the air velocity,the more uniform temperature distribution,and the more the effective air temperature to meet the conditions that 1.7<△ET<+1.1,the more help to improve the utilization of hot air.It provides a good theoretical basis for impinging jet ventilation in wide range of applications.

impinging jet ventilation,air velocity,heating characteristics

1003-0344（2015）05-027-4

2014-3-27

畢南妮（1988～），女，碩士研究生；上海市松江區(qū)人民北路2999號東華大學4號學院樓5135（201620）；E-mail:bnnzss@163.com