黃永麗，董聰，卜鐘鳴，朱行，杜海波，劉萬琦

節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的性能測試與分析*

黃永麗，董聰*，卜鐘鳴，朱行，杜海波，劉萬琦

（浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

為了改善貧困地區(qū)夏季的通風(fēng)降溫問題，設(shè)計(jì)了一套簡易的節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)測試和仿真的方法對(duì)不同風(fēng)速以及不同出口孔徑大小條件下的系統(tǒng)降溫效果進(jìn)行研究分析。給出了實(shí)驗(yàn)過程中不同進(jìn)口條件下的系統(tǒng)模型，得到了通風(fēng)裝置的仿真云圖以及通風(fēng)系統(tǒng)的制冷效率。結(jié)果表明：在與實(shí)驗(yàn)條件基本相同的情況下，模擬數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近；在一定風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)速越大，系統(tǒng)制冷效果越好；節(jié)流出口孔徑越小，系統(tǒng)降溫越明顯。

節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)；仿真云圖；制冷效率；節(jié)流

引言

全球經(jīng)濟(jì)快速增長，能源的需求量不斷增大，但是能源的利用率低，同時(shí)人類生活水平不斷提高，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，居民對(duì)室內(nèi)溫度舒適度的要求也越來越高。某些貧困地區(qū)常年處于高溫氣候，通常采取自然通風(fēng)的方式來降低室內(nèi)溫度，獲得人體舒適感，如何利用有限能源來改善貧苦地區(qū)人民通風(fēng)降溫問題是一項(xiàng)值得研究的課題。

Lin和Chuah[1](Lin and Chuah 2011)研究了煙囪效應(yīng)下自然通風(fēng)狀態(tài)的降溫效果，并且在臺(tái)北三個(gè)城市評(píng)估了不同面積開口率條件下自然通風(fēng)的潛力，研究表明三個(gè)城市都能夠通過自然通風(fēng)來降溫，空間范圍大于6 m，面積開口率大于0.9％可以滿足新風(fēng)量的要求，實(shí)現(xiàn)熱舒適性；Lee[2]等提出了一種多點(diǎn)測量方法，該方案利用帶有風(fēng)扇的PVC管對(duì)室外氣溫進(jìn)行測量，可以用來評(píng)估自然通風(fēng)對(duì)住宅的影響，提高測量自然通風(fēng)效率的準(zhǔn)確性；Ma等[3]評(píng)述了美國能源部13屆太陽能十項(xiàng)全能比賽中的212座太陽能房屋所采用的暖通空調(diào)技術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)隊(duì)伍利用夜間輻射冷卻，蒸發(fā)冷卻和能量回收通風(fēng)等能源技術(shù)降低了空調(diào)系統(tǒng)的電耗；Yin等[4]提出了方柱連接通風(fēng)模式，通過實(shí)驗(yàn)研究了方柱通風(fēng)的氣流特性，研究表明此模式下空氣分布可用于通風(fēng)和換氣；Artmann等[5]在全尺寸試驗(yàn)室中研究了在混合和置換通風(fēng)情況下夜間通風(fēng)中的傳熱，研究表明對(duì)于低空氣流量，置換通風(fēng)比混合通風(fēng)更有效，對(duì)于較高的空氣流量，沿天花板流動(dòng)的空氣射流具有顯著的效果，并且混合通風(fēng)變得更有效；楊昌智等[6]通過DeST模擬軟件和理論分析獲得了建筑夜晚降溫的規(guī)律，夜間排風(fēng)溫度變化隨著通風(fēng)時(shí)間變長呈現(xiàn)對(duì)數(shù)相關(guān)的聯(lián)系；張祥來[7]通過ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合，孔徑越大，壓降越?。粔航惦S著孔長增加變大，到一定程度之后壓降變化不明顯。低能耗通風(fēng)降溫系統(tǒng)是通過流體經(jīng)過截面變化產(chǎn)生的節(jié)流效應(yīng)為理論依據(jù)來進(jìn)行研究。

1 研究方法

低能耗降溫系統(tǒng)以模擬風(fēng)為研究對(duì)象，圍繞進(jìn)口風(fēng)速的大小和節(jié)流出口孔徑的面積兩條研究主線，通過理論分析，實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬三種研究方案進(jìn)行具體深入的研究。

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)主要由亞克力板，若干塑料瓶，散熱風(fēng)扇，風(fēng)速儀以及高精度測溫儀搭建而成。多塊亞克力板組裝成一個(gè)腔體模擬室內(nèi)環(huán)境，該腔體長寬高相等，體積為1m3；在一面亞克力板上按照一定間距布置小孔，小孔的直徑與瓶口大小相等，塑料瓶的底部與瓶口處截面有較大差距，實(shí)驗(yàn)中塑料瓶作為降溫系統(tǒng)核心部分。選取塑料瓶的一部分，瓶口面朝室內(nèi)瓶底面朝室外布置，塑料瓶嵌入亞克力板上，塑料瓶的尾部口徑為64mm，與亞克力板接觸處口徑為32mm，塑料瓶按6×6布置；散熱風(fēng)扇模擬室外的風(fēng)速情況，在瓶蓋上鉆孔改變出口孔徑，通過風(fēng)速大小和塑料瓶出口的孔徑大小來研究室內(nèi)的溫度變化；為了獲得更精確的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中采用保溫棉對(duì)腔體進(jìn)行保溫；同時(shí)為了使風(fēng)量集中吹入室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)時(shí)特別加裝了保護(hù)罩。節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

2 通風(fēng)系統(tǒng)仿真

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的情況，建立數(shù)學(xué)模型，忽略裝置厚度，將礦泉水瓶簡化為兩個(gè)圓柱和一個(gè)圓臺(tái)，將整個(gè)腔體簡化為正方體數(shù)學(xué)模型，為了讓進(jìn)口處速度均勻流入腔體，建模時(shí)入口上流增加平穩(wěn)區(qū)，以此模型作為此次數(shù)值模擬的研究模型。

2.2 網(wǎng)格處理

網(wǎng)格的質(zhì)量對(duì)仿真計(jì)算的重要性不可言喻。為了模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，分別設(shè)置網(wǎng)格的尺寸，室內(nèi)全局網(wǎng)格大小為40mm，交界面設(shè)置為2mm；塑料瓶網(wǎng)格大小設(shè)置為2mm，整流段全局網(wǎng)格為40mm，交界面設(shè)置為2mm，利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行劃分，整合網(wǎng)格并檢查網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到模擬計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，最終網(wǎng)格數(shù)量有107萬左右。節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)模型整體網(wǎng)格見圖2。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)整體網(wǎng)格

2.3 求解設(shè)置

求解計(jì)算時(shí)，空氣選為不可壓縮的理想氣體，根據(jù)雷諾數(shù)判定流動(dòng)處于湍流，選擇standard模型，模擬計(jì)算時(shí)忽略重力等因素，進(jìn)口邊界條件選擇velocity-inlet，出口邊界條件選擇pressure-outlet，交界面處理選擇interface，其余壁面條件選擇默認(rèn)，壓力-速度耦合方程選擇SIMPLE算法，提高計(jì)算收斂，壓力插值采用標(biāo)準(zhǔn)離散格式，其他插值項(xiàng)選擇二階迎風(fēng)格式，其余項(xiàng)默認(rèn)。

3 結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)討論

圖3為實(shí)驗(yàn)測試狀態(tài)下不同進(jìn)口風(fēng)速條件下的節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)制冷效果。在測試的過程中，由于風(fēng)扇本身散熱使數(shù)據(jù)存在誤差，測得在無塑料瓶的狀態(tài)下，保持空氣進(jìn)口速度相同，獲得了不同風(fēng)速下風(fēng)扇產(chǎn)熱變化溫度。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將不同風(fēng)速下獲得的室內(nèi)溫度除去風(fēng)扇自身產(chǎn)熱引起的溫度變化值后得到的溫度作為最終值，從圖3可以看出，多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在一定風(fēng)速范圍內(nèi)，隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大，節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的制冷效率逐漸增強(qiáng)。為了研究系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，房間內(nèi)的門打開與關(guān)閉對(duì)系統(tǒng)的影響，在其他條件相同的情況下，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并采集了相關(guān)數(shù)據(jù)；圖4顯示，出口孔徑越小，節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的制冷效率越高，制冷效果越好。

圖3 不同風(fēng)速下制冷效率變化

圖4 門打開和關(guān)閉時(shí)的制冷效率

圖3與圖4均表明節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)隨著風(fēng)速增大降溫效果升高，但系統(tǒng)降溫效果并不明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示降溫系統(tǒng)在測試速度內(nèi)，制冷溫度在0.05-0.79℃之間，制冷效率范圍為0.23%~3.44%。

并且在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中房間內(nèi)的門打開的狀態(tài)下，節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)的制冷效率比關(guān)閉時(shí)低，但依然遵循風(fēng)速越大制冷效果越好的規(guī)律。

3.2 模擬數(shù)據(jù)討論

圖5 通風(fēng)系統(tǒng)溫度云圖

在與實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，獲得了三維數(shù)值模擬的相關(guān)云圖，為了便于觀察選取特殊截面處的平面來進(jìn)行分析研究。可以從圖5清晰地看到，空氣在經(jīng)過塑料瓶瓶口時(shí)溫度逐步減小，節(jié)流出口處溫度降到最低，出口局部區(qū)域內(nèi)有明顯降溫。但由模擬數(shù)據(jù)可知，在此平面上最高溫度296.6030 K，最低溫度為296.0850K，制冷溫度為0.518K，通風(fēng)降溫系統(tǒng)冷卻效果并不理想。

4 結(jié)論

（1）節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)能夠通過塑料瓶節(jié)流過程降低系統(tǒng)的溫度，并且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬誤差在允許范圍內(nèi)，該系統(tǒng)操作方案可行。

（2）對(duì)比不同進(jìn)口風(fēng)速下的節(jié)流效應(yīng)可知，風(fēng)速越大，空氣經(jīng)過通風(fēng)面積突然縮小的裝置存在明顯的溫降效應(yīng)，塑料瓶的出口處速度達(dá)到最大，但對(duì)于室內(nèi)整體環(huán)境的溫度影響不大。對(duì)于整個(gè)腔體來說，降溫區(qū)域在塑料瓶出口的局部范圍內(nèi)，遠(yuǎn)離該區(qū)域一般沒有明顯降溫的感受。

（3）對(duì)比不同孔徑的節(jié)流效應(yīng)可知，出口的截面積越小，在節(jié)流出口的溫度值最低，速度達(dá)到最大，壓力也相應(yīng)下降到最小值；室內(nèi)門關(guān)閉比打開時(shí)制冷效果明顯。

[1] Lin J T,Chuah Y K.A study on the potential of natural ventilation and cooling for large spaces in subtropical climatic regions[J].Building and Environment,2011,46(1):89-97.

[2] Lee T C, Asawa T, Kawai H, et al. Multipoint measurement method for air temperature in outdoor spaces and application to microclimateand passive cooling studies for a house[J].Building and Environment, 2017,114(MAR.):267-280.

[3] Ma Z J,Ren H S,Lin W Y.A review of heating, ventilation and air conditioning technologies and innovations used in solar-powered net zero energy Solar Decathlon houses[J].Journal of Cleaner Production, 2019,204:118-158.

[4] Yin H,Li A,Liu Z, et al. Experimental study on airflow characteristics of a square column attached ventilation mode[J].Building and Envi -ronment, 2016, 109(nov.):112-120.

[5] Artmann N, Jensen R L, Manz H, et al. Experimental investigation of heat transfer during night-time ventilation[J].Energy & Buildings, 2010,42(3):366-374.

[6] 楊昌智,龍展圖,陳超等.夜間通風(fēng)降溫特性及優(yōu)化控制方法研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017,07(v.44;No.283): 204-209.

[7] 張祥來.固定節(jié)流閥特性研究[J].天然氣工業(yè),2007,27(005): 63-65.

Performance Test and Analysis of Energy Saving Ventilation System*

Huang Yongli, Dong Cong*, Bu Zhongming, Zhu Xing, Du Haibo, Liu Wanqi

( School of Mechanical and Energy Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Zhejiang Hangzhou 310023 )

In order to improve the ventilation cooling problem in the poor areas in summer, a set of simple energy-saving ventilation system was designed. Through the experimental test and simulation method, the cooling effect of the system with different wind speed and outlet aperture size is studied and analyzed. The system model under different inlet conditions is given, and the simulation cloud picture of the ventilation device and the cooling efficiency of the ventilation system are obtained. The results show that: under the same experimental conditions, the trend of simulation data is consistent with the experimental results; in a certain range of wind speed, the greater the wind speed, the better the cooling effect of the system; the smaller the orifice diameter of throttle outlet, the more obvious the cooling effect of the system.

Energy saving ventilation system; Simulation cloud; Refrigeration efficiency; Throttling

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.028

TH122

A

1671-7988(2021)07-84-03

TH122

A

1671-7988(2021)07-84-03

黃永麗（1995-），女，浙江湖州人，研究生，就讀于浙江科技學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，研究方向?yàn)樾履茉雌嚳刂萍夹g(shù)。

董聰，男，浙江溫州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，就職于浙江科技學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，研究方向?yàn)閾Q熱器強(qiáng)化傳熱和熱工設(shè)備自動(dòng)控制。

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LQ19E080002）。