張瑞，柳建華，張良

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

低溫送風室內(nèi)氣流組織的實驗研究

張瑞*，柳建華，張良

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

低溫送風在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能和提高體感舒適度上有著獨特的優(yōu)勢。但同時，送風溫度偏低也帶來了冷風下墜、溫度場不均勻、熱舒適性下降的隱患。本文針對低溫送風中存在的這些問題，首先確立了低溫送風的氣流組織評價標準，并設計了包含制冷系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)和測量系統(tǒng)在內(nèi)的一整套低溫送風實驗系統(tǒng)，最后對不同的送風溫度下實驗結(jié)果進行定性和定量的分析，從而得到了相應的解決方法和結(jié)論。

低溫送風；氣流組織；熱舒適性；射流；阿基米德數(shù)

0　引言

低溫送風空調(diào)系統(tǒng)相對于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，送風溫度由15 ℃～18 ℃降至4 ℃～13 ℃，因而送風溫差增大，帶來了技術上極大的優(yōu)越性：1）送風量減少，從而顯著減少了水泵、風機等流體機械設備的費用與能耗；2）通過冰蓄冷系統(tǒng)為低溫送風系統(tǒng)提供冷凍水，彌補了冰蓄冷系統(tǒng)初投資大的缺點；3）由于送風溫度與濕度相對較低，室內(nèi)空氣能夠保持低濕度，提高了人體體感舒適性［1-2］。其基本原理為，利用從冰蓄冷系統(tǒng)獲得的1 ℃～4 ℃冷凍水通過空調(diào)機組的表冷器獲得 4 ℃～13 ℃的一次風，經(jīng)高誘導比的末端送風裝置或特制低溫送風口進入空調(diào)房間。但是，由于低溫送風空調(diào)系統(tǒng)的送風溫度較低，當氣流組織不合理時，低溫送風極易發(fā)生冷風過快下墜、室內(nèi)流動不暢的現(xiàn)象，進而影響室內(nèi)溫度場與速度場的均勻性［3］，因而需要研究滿足人體體感舒適性要求的低溫送風形式。

本文在確定低溫送風氣流組織評價標準的基礎上，通過實驗分析了在不同低溫送風溫度（13 ℃、11 ℃、9 ℃和7 ℃）下對室內(nèi)溫度場和速度場的影響，為低溫送風的進一步研究與設計提供了參考。

1　低溫送風氣流組織評價標準

對于低溫送風的室內(nèi)氣流組織，其主要目的為保證室內(nèi)工作區(qū)中空氣的溫度、速度和濕度能夠滿足規(guī)范對舒適性空調(diào)的一般要求，更重要的是為室內(nèi)人員提供良好舒適的熱環(huán)境，因而低溫送風氣流組織的評價標準是：工作區(qū)域溫度梯度、風速、溫度和速度不均勻系數(shù)、有效風感溫度和空氣分布特性指標［4］。

1.1工作區(qū)域溫度梯度

在空調(diào)房間內(nèi)，始終進行著熱質(zhì)交換的過程，故在各方向存在溫度差異（溫度梯度），特別是垂直方向存在明顯的溫度分層。按照ISO 7730標準［5］，在工作區(qū)域地面上方1.1 m和0.1 m（主要考慮坐時的工作情況）之間的溫差不應大于 3 ℃；而美國ASHRAE 55-92標準［6］建議地面上方1.8 m和0.1 m之間的溫差不應大于3 ℃（這也考慮了站立工作的情況）。本課題針對低溫送風房間，更需要保證溫度分布均勻，因而對于垂直方向溫度梯度的控制，采用ASHRAE55-92中的控制指標。

1.2工作區(qū)域風速

在房間人員工作區(qū)域內(nèi)，氣流速度場分布往往直接影響其溫、濕度場的分布，因而工作區(qū)域內(nèi)的風速同樣是評價低溫送風氣流組織的一個重要因素。在溫度較高的場所，一般可提高風速來改善環(huán)境的熱舒適性，但大風速同樣會帶來噪聲和吹風感。在標準《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》中［7］規(guī)定：舒適性空調(diào)冬季室內(nèi)風速不應大于0.2 m/s，夏季不應大于 0.25 m/s；送風風速又有如下設計規(guī)定［8］：人體狀態(tài)為長時間靜坐時，室內(nèi)風速值不應大于 0.25 m/s。本文中低溫送風的實驗即針對該工況，因此，風速值不宜大于0.25 m/s。

1.3溫度與速度不均勻系數(shù)

工作區(qū)域溫度梯度與風速指示了低溫送風所應滿足的空氣調(diào)節(jié)基本要求，而溫度和速度不均勻系數(shù)則從整體上指示了空調(diào)房間各個測點間溫度、風速不同的程度，反映了氣流在房間內(nèi)均勻性的好壞。

不均勻系數(shù)是在室內(nèi)工作區(qū)域內(nèi)選擇n個測點，分別測得各點溫度與風速，計算得到溫度、風速的算術平均值和均方根偏差后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得出，如公式（1）所示。

式中：

Kt——溫度不均勻系數(shù)；

Ku——風速不均勻系數(shù)；

t——室內(nèi)各溫度測點的算術平均值；

u——室內(nèi)各風速測點的算術平均值；

δt——室內(nèi)各溫度測點的均方根偏差；

δu——室內(nèi)各風速測點的均方根偏差。

可以看到，不均勻系數(shù)均為無量綱量，且其值越小，則表明氣流分布的均勻性越好。

1.4有效風感溫度與空氣分布特性指標

前述3項指標均能準確反映低溫送風氣流組織本身的質(zhì)量，但無法具體反映低溫送風對人體舒適性的影響。人在空調(diào)房間常見的不舒適體驗即吹風感，即假定房間濕度和輻射溫度不變時室內(nèi)空氣溫度與流速給人體局部帶來的不適。本研究引用文獻［9-10］規(guī)定的有效風感溫度（EDT）與空氣分布特性指標（ADPI）進行判斷。其中EDT用于判斷工作區(qū)域任何一點的吹風感，而對整個工作區(qū)域氣流組織舒適性的評價用ADPI判斷。

其中，當EDT處于-1.7 ℃～+1.1 ℃，并且風速在0.35 m/s以下的范圍時，大多數(shù)人感覺是舒適的；當 EDT<-1.7 ℃時有冷吹風感，當 EDT>+1.1 ℃時有熱吹風感。而ADPI的定義如下：

式中：

N——對空調(diào)房間進行溫濕度、風速等參數(shù)測量所布置的測點總數(shù)；

n——空調(diào)房間布置的所有測點中滿足人體舒適要求的測點數(shù)，即-1.7 ℃

其ADPI值越高，則空調(diào)區(qū)域內(nèi)人員對環(huán)境溫濕度感到滿意的人越多，當ADPI≥80%時即可認為空調(diào)區(qū)域內(nèi)氣流組織是令人滿意的。因而，在一般情況下，應使ADPI≥80%。

2　低溫送風實驗設計

2.1實驗裝置

實驗裝置從功能組成上可分為制冷系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。

制冷系統(tǒng)主要為低溫送風系統(tǒng)提供必需的冷凍水，在本研究中應用了通常與低溫送風系統(tǒng)結(jié)合的冰蓄冷系統(tǒng)。本實驗所用冷源為1套雙工況制冷機組，主要由2個定頻壓縮機、1個冷凝器、1個蒸發(fā)器（板式換熱器）、2套膨脹閥等部件組成，使用R22制冷劑，在空調(diào)工況下制冷量為12.8 kW，蓄冷工況下制冷量為6.5 kW。

冰蓄冷系統(tǒng)則主要由蓄冰槽和蓄冰材料組成。本課題中使用文獻［11］介紹的開式蓄冷槽，以乙二醇為冷媒下進上回；蓄冷材料采用密封件式蓄冷形式，蓄冷單元為廣州貝龍環(huán)保有限公司提供的封裝式Gryogel冰球，由高密度聚乙烯（HDPE）材料制成，直徑約103 mm。

實驗裝置的空調(diào)系統(tǒng)主要包括空氣處理系統(tǒng)和空調(diào)末端裝置。針對低溫送風系統(tǒng)的冷凍水，選配了麥克維爾柜式空氣處理機組，進水/出水溫度4 ℃/14 ℃，額定風量 1,500 m3/h，盤管水流量0.18 L/s，機組全冷量8.0 kW，顯冷量7.0 kW，電機功率 0.37 kW。而在空調(diào)末端裝置上，本文采用耐低溫、防結(jié)露材料（聚氯乙烯）、貼附誘導性能好較好的方形散流器，在不大幅提高成本的基礎上降低了送風溫差，一定程度上限制了“冷風下墜”現(xiàn)象的發(fā)生。而針對低溫送風誘導形式的末端裝置，雖然送風溫度得以接近于常規(guī)送風溫度，但由于需要增設額外的誘導設備、風機等，因而并不一定能很好地實現(xiàn)系統(tǒng)整體的節(jié)能，本文中暫不做研究。散流器風口結(jié)構截面簡圖如圖1所示。

圖1　散流器風口結(jié)構截面圖

實驗裝置的測量系統(tǒng)的主要測量參數(shù)為實驗房間的溫度、風速、送風量和送風溫度。送風溫度、冷凍水等溫度測點，采用Pt100溫度傳感器；采用上海拿華電子科技有限公司FS-WV系列風量變送器采集風量，測量房間風速和送風量，其基本原理為通過S型畢托管來測量管道內(nèi)流體壓力進而獲取速度、流量的值；室內(nèi)溫度場的測量，使用T型熱電偶通過數(shù)據(jù)采集儀Agilent 34970A進行采集，所有熱電偶在實驗前均用恒溫水浴進行標定；最后，房間風速測量采用HD 103T.0型萬向風速儀，所讀數(shù)據(jù)通過連接的SWP-NSR110-1/C2型無紙記錄儀進行顯示。測點變化范圍均在所有選定傳感器、變送器的量程范圍內(nèi)，且選定精度滿足要求。

2.2實驗房間

實驗房間為學校某實驗室旁的一間標準會議室，其長、寬、高分別為7 m、5.8 m、2.6 m。房間的南墻有兩扇窗，尺寸均為2.4 m×2.1 m；北墻外面為走廊，并且門開于北墻上；東墻外面為樓道；西墻與不設空調(diào)的實驗室相連。室內(nèi)主要有會議桌、實驗人員、電腦、燈光等。送回風形式采用常用的上送上回形式。送風口中心距離西墻1.3 m、距離北墻2.9 m；回風口距離西墻0.23 m，距離北墻0.16 m。

2.3實驗原理與內(nèi)容

本課題實驗研究的目的是以冰蓄冷系統(tǒng)為冷源，對實驗房間進行低溫送風，在不同送風溫度下對室內(nèi)的氣流組織和熱舒適性進行評價和分析，最終研究得到不同低溫送風溫度對室內(nèi)溫度場與速度場的影響。

基于以上目的，設置了4組不同送風溫度下的實驗，分別為13 ℃、11 ℃、9 ℃、7 ℃，所對應的送風量分別為615 m3/h、532 m3/h、469 m3/h、420 m3/h。在室內(nèi)布置測點，對每一工況下的室內(nèi)溫度測點和風速測點進行測量。平面方向測點均勻布置，俯視圖下送風/回風口位置與平面方向測點編號如圖2所示。

圖2　測點平面布置圖

在ISO 7726標準［12］中，推薦室溫的測定高度為距地面 0.1 m、0.6 m、1.1 m、1.7 m。而對于不同的建筑、不同的空調(diào)系統(tǒng)，在不同時間內(nèi)實驗室溫度分布一般是不同的，結(jié)合實驗房間尺寸長、工作人員集中、送回風口位置偏高的實際情況，修正在垂直方向的測點高度分別為0.1 m、1.1 m、1.8 m、2.2 m。

進而對室內(nèi)所布置的溫度測點和風速測點進行測量，得到各測點測量值后利用已確立的低溫送風氣流組織評價標準對室內(nèi)氣流組織和熱舒適性進行評價。在不同的送風溫度條件分別進行了實驗，以了解低溫送風溫度的變化對室內(nèi)氣流組織性能的影響。在實驗房間的三維空間內(nèi)，共有48個均布測點，每一測點高度平面對應12個平面方向均布測點，具體實驗內(nèi)容為，針對每一送風溫度的工況（對應送風量），在不同測點高度平面測量得到平面方向各測點的溫度值和速度值，記錄并分析。實驗步驟如下：

1）在蓄冷結(jié)束后，在PLC控制面板上將送風溫度設定在所需要的溫度值；

2）根據(jù)負荷計算得出各送風溫度下所對應的所需風量值，調(diào)整風機頻率，從LabView程序面板上讀取并記下 10個連續(xù)的風量值，然后求出平均值，當該平均值距所需風量值的誤差可接受時，固定風機頻率，此風量值即為該工況下的送風量值；

3）當送風溫度和室內(nèi)溫度穩(wěn)定以后（本實驗穩(wěn)定時間為30 min）開始測量，測量時數(shù)據(jù)采集儀通過室內(nèi)布置各個測點的熱電偶采集溫度場，微風速儀測量各測點的風速值。

3　實驗數(shù)據(jù)處理與分析

經(jīng)實驗得到不同送風溫度下各測點溫度、風速值，記錄并繪制成二維折線圖如圖3～圖6所示。

圖3　送風溫度13 ℃下，水平方向不同高度平面測點溫度、風速值

從同一送風溫度下的各點趨勢看，從送風口出風開始較短的距離內(nèi)，送風速度較高，之后迅速衰減，尤其以測點 5-6-7-8該行表現(xiàn)最為顯著；而在高度方向上，越接近于送風口的高度平面上變化越明顯。以測點5為例，送風口位置中心與該測點中心在高度方向共線。送風射流以低溫進入實驗房間，一方面受到天花板限制形成貼附射流，另一方面不斷卷吸房間空氣進行動量交換，同時受到粘性力、慣性力和浮力的作用［13］；而在射流與房間空氣混合過程中，慣性力占主導地位，故總體上同一平面下測點5-6過程中風速仍持續(xù)增加；而在混合過程結(jié)束后的階段，慣性力開始減少乃至最終發(fā)展成為浮力主導的卷流［14］，因而總體上測點6-7-8過程中風速持續(xù)走低，在測點7-8過程中風速更是迅速下降。高度方向上同樣發(fā)生著射流與房間空氣的混合，但由于采用散流器平送，射流貼附作用較大，故高度方向上混合僅對接近送風口的高度平面上送風測點的溫度、風速分布產(chǎn)生了較大影響。同時，可以看到，風速的上升對低溫送風降低室溫的促進十分顯著，而當風速下降依靠卷流運動進行換熱時，室溫的下降變得緩慢甚至回升，換言之，整體溫度分布因此也開始不均勻。

另一方面，對比不同送風溫度下的趨勢，送風溫度越低，同一水平面上風速衰減速度越快，測點1-2-3-4、5-6-7-8、9-10-11-12的過程均可說明這一點；同時，隨著送風溫度的降低，高度方向上的溫差開始增大，也即垂直方向溫度分層的現(xiàn)象開始變得顯著。

為分析該趨勢，引入阿基米德準則數(shù)［15］：

式中：

g——重力加速度，通常取值9.81 m/s2；

l——特征長度，此處可視為房間高度，m；

ΔT——送風溫度值與房間溫度值差值，；

V0——送風初速度，m/s；

T——環(huán)境溫度值，℃。

圖4　送風溫度11 ℃下，水平方向不同高度平面測點溫度、風速值

圖5　送風溫度9 ℃下，水平方向不同高度平面測點溫度、風速值

圖6　送風溫度7 ℃下，水平方向不同高度平面測點溫度、風速值

阿基米德準則數(shù)物理意義即浮升力與慣性力之比；由其定義可知，當送風溫度越低（即送風溫差越大，浮升力方向為負）、送風初速度越小、房間高度越大時，阿基米德數(shù)偏大，此時浮升力作用超過慣性力作用，導致射流貼附過早分離，也即“冷風下墜”，必然引起垂直方向的溫度分層與水平方向的速度劇烈衰減，進而引起整個房間溫度場與速度場的不均勻。另一方面，理論分析也反證了數(shù)據(jù)趨勢的正確性。

針對實驗數(shù)據(jù)的定量處理與分析如下。首先根據(jù)已確立的低溫送風氣流組織評價標準進行計算如表1所示。

表1　低溫送風氣流組織評價參數(shù)值

從數(shù)據(jù)處理的結(jié)果來看，13 ℃、11 ℃、9 ℃送風溫度下實驗結(jié)果較為令人滿意，高度方向溫差均完全滿足 ASHRAE55-92標準建議的地面上方1.8 m和0.1 m之間的溫差不應大于3 ℃的要求；而在風速方面，13 ℃送風溫度下大于0.25 m/s的風速由于出現(xiàn)在2.2 m高度的非工作區(qū)，因而也能接受，故而4組送風溫度下風速大小均可認為符合要求。但在 7 ℃送風溫度下，高度方向最大溫差已高達2.7 ℃，同時對照圖 7可看到室內(nèi)上部溫度已明顯高于下部，“冷風下墜”現(xiàn)象較其他送風溫度下更為明顯，此時ADPI值又為75%，小于80%，故雖然高度方向最大溫差符合標準但不滿足人體舒適度要求。

另外，可以看到，隨著送風溫度的降低，溫度、風速不均勻系數(shù)連續(xù)趨向于增大，而ADPI值連續(xù)減??；故盡管在4組低溫送風溫度下溫度、風速都能滿足標準要求，但溫度、風速的整體房間分布隨送風溫度降低不斷趨向于不均勻，進而導致房間各點有效風感溫度EDT偏離-1.7 ℃～+1.1 ℃的溫度區(qū)間，最終表現(xiàn)為ADPI值的持續(xù)下降，整個房間的熱舒適性越來越差。

4　結(jié)論

本文在實驗房間布置溫度、風速測點，設計在13 ℃、11 ℃、9 ℃、7 ℃不同送風溫度下的實驗，測量各測點溫度值與風速值，并利用氣流組織評價標準對房間氣流組織與熱舒適性進行評價和分析，分析不同低溫送風溫度對房間溫度、風速分布的影響。

首先，在低溫送風系統(tǒng)中，要達到標準所規(guī)定的溫度、風速并無較大問題，但達到標準并不一定能很好地滿足房間的熱舒適性要求，設計指標必須同時滿足標準與熱舒適性。特別是如本實驗中7 ℃送風溫度下的房間溫度、風速所示，盡管仍在標準規(guī)定的溫度、風速范圍內(nèi)，但代表氣流組織和熱舒適性的不均勻系數(shù)與ADPI值卻不斷惡化。

另一方面，由于低溫送風溫度偏低，極易引起貼附射流的分離，造成“冷風下墜”，使得不均勻系數(shù)增大、ADPI值下降。故需要采取措施降低送風溫差從源頭上減少送風射流受到的浮升力，增加送風射流的貼附長度，確保整個房間的空氣質(zhì)熱交換均勻。針對該問題，一方面可以結(jié)合成本與具體要求選擇合適的低溫送風口；另一方面可以選用低溫送風誘導形式的末端裝置。而從系統(tǒng)節(jié)能的角度看，更宜采用前一種低溫送風末端的方案。

最后，增大送風量，從而提高送風初速度，也是增大射流動量、延長射流貼附長度的有效措施之一。然而，如本文實驗所示，13 ℃、11 ℃、9 ℃和7 ℃送風溫度對應的送風量分別為 615 m3/h、532 m3/h、469 m3/h和420 m3/h。可以看出送風溫度與送風量間“聯(lián)動”的關系，送風量必然要伴隨著送風溫度的上升而上升以確保氣流組織的舒適性，同時送風量的下降又需要送風溫度相應下降以確保制冷量足夠。故在設計低溫送風系統(tǒng)時，要同時確保選定合適的送風溫度、盡可能高的送風量、與送風口盡可能少的阻力損失，以最優(yōu)的組合設計保證低溫送風下氣流組織與熱舒適性滿足要求。

［1］ 蘇永玲, 謝晶. 低溫送風空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析［J］. 低溫與超導, 2009, 37（8）: 56-58, 71.

［2］ 宋靜. 上海兒童醫(yī)學中心冰蓄冷工程實例［J］. 制冷技術, 2003, 23（3）: 42-45.

［3］ ELLESON J S. High-quality air conditioning with cold air distribution［J］. ASHRAE Trans, 1991, 97（1）: 839-842.

［4］ KIRKPATRICK A T, ELLESON J S. 低溫送風空調(diào)設計指南［M］. 汪訓昌, 譯. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1999.［5］ EN ISO 7730: 2005Ergonomicsofthethermal environment-analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria［S］.

［6］ ASHRAE 55-2013 Thermal environmental conditions for human occupancy［S］.

［7］ GB 50736-2012 民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范［S］.

［8］ 朱穎心. 建筑環(huán)境學［M］. 上海: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

［9］ ALAJMI A F, BADDAR F A. BOURISLI R I. Thermal comfort assessment of an office building served by under-floor air distribution（UFAD）system - A case study［J］. Building and Environment, 2015, 85: 153-159.

［10］ 冷少華, 李越峰, 李峰, 等. 壁掛式空調(diào)的導風結(jié)構對房間溫度場的影響分析［J］. 制冷技術, 2015, 35（3）: 65-70.

［11］ 梁坤峰, 任峴樂, 賈雪迎, 等. 冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)運行優(yōu)化與能耗分析［J］. 制冷技術, 2014, 34（6）: 68-74.

［12］ EN ISO 7726: 2001Ergonomicsofthe Thermal Environment-instrumentsforMeasuringPhysical Quantities ［S］.

［13］ 李煒, 槐文信. 浮力射流的理論及應用［M］. 北京: 科學出版社, 1997.

［14］ 張智力, 張旭, 王迪軍. 低溫送風射流特性的研究［J］.同濟大學學報: 自然科學版, 2004, 32（7）: 893-896.

［15］ AL-SANEA S A, ZEDAN M F, AL-HARBI M B. Heat transfer characteristics in air-conditioned rooms using mixing air-distribution system under mixed convection conditions［J］. International Journal of Thermal Sciences, 2012, 59（9）: 247-259.

Experimental Investigation on Indoor Air Distribution in Low Temperature Air Supply Room

ZHANG Rui*, LIU Jian-hua, ZHANG Liang
（School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China）

Low temperature air supply possesses unique advantages on energy conservation and thermal comfort improvement for the air conditioning system. However, the supply air with low temperature also brings possible defects of cold air draught, asymmetrical temperature field or thermal comfort reduction. Thus, in order to explore and solve the above problems, the evaluation standards on airflow distribution of the low temperature air are first defined, then the corresponding experimental system is designed and introduced, including its refrigeration system, ice storage system and measurement system. Finally, the qualitative and quantitative analysis on experiment results is carried out for different air supply temperatures, and the targeted solving methods and conclusions are acquired and presented.

Low temperature air supply； Airflow organization； Thermal comfort； Jet flow； Archimedes number

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.105

*張瑞（1991-），男，碩士研究生。研究方向：制冷及空調(diào)工程。聯(lián)系地址：上海理工大學能源與動力學院，郵編：200093。聯(lián)系電話：13524293204。E-mail：zrbruce@126.com。