【摘要】：合理的通風方式是空調(diào)系統(tǒng)提供良好室內(nèi)熱舒適、空氣質(zhì)量和降低空調(diào)能耗的前提和保證。根據(jù)氣流形態(tài)特征,目前常用的通風方式大致分為置換通風(DV)和混合通風(MV)兩類形式。置換通風雖然可同時實現(xiàn)節(jié)能和提供良好室內(nèi)空氣質(zhì)量的目標,但由于送風速度過低,故不能用于冬季供暖�；旌贤L既可以供冷也可以供暖,但有通風效率低、能耗高的缺點。作為一種替代方案,碰撞射流通風(IJV)的送風氣流以較高的速度從近地面處垂直向下送出,撞擊地面后,氣流速度改變方向,并以空氣薄層的形式沿地板表面大范圍擴散。因此,從送風原理上講,IJV供冷時具有DV的優(yōu)點。同時,由于送風速度較大,使得供暖時的送風熱氣流首先在房間下部人員活動區(qū)分布,并能夠與室內(nèi)空氣自下而上地混合。所以,IJV既可以克服DV不能用于供暖的缺點,也能避免MV難以將熱風直接有效地輸送至房間下部的缺陷,即IJV具有同時實現(xiàn)節(jié)能、提高室內(nèi)熱舒適和改善室內(nèi)空氣質(zhì)量目標的潛力。但迄今為止,已有的關(guān)于IJV的大多數(shù)研究都是在供冷或等溫送風的情況下展開的,而關(guān)于IJV在供暖模式下運行時通風性能的研究則很少,并缺乏必要的理論和性能優(yōu)化研究,因而限制了它在實際中的推廣應用。本文對IJV用于房間供暖時的通風性能(如能耗特征和室內(nèi)空氣質(zhì)量等)進行了詳細的研究和分析,以便為IJV的使用提供必要的理論和設(shè)計依據(jù)。本文采用實測和數(shù)值模擬的方法對IJV的通風性能進行了研究。在人工氣候室內(nèi)對IJV的供暖模式做了系統(tǒng)實驗,并用典型工況的實測數(shù)據(jù)驗證了所采用的數(shù)值方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上,分別對IJV用于供暖和供冷時的室內(nèi)流場和溫度場進行了詳細的數(shù)值模擬,對比和分析了熱射流與冷射流流動形態(tài)的區(qū)別,并研究了不同因素對IJV送風熱氣流流動形態(tài)的影響。結(jié)果表明,由于熱浮力的作用,IJV供暖時的送風氣流在沿地板擴散一定的距離后將脫離地面上浮,因此存在有限的熱風送風距離,這與供冷時的送風冷氣流的流動形態(tài)完全不同。除送風口形狀和房間層高外,IJV的送風溫差、送風口高度、送風速度和送風口面積均對熱風的送風距離有明顯影響。當IJV在供暖模式下運行時,如果熱浮力作用過強,將會出現(xiàn)熱風的送風距離大幅縮短的現(xiàn)象,故可能會在距離送風口較遠的區(qū)域出現(xiàn)供暖空白區(qū),導致IJV的供暖能量利用率下降、室內(nèi)熱舒適性變差。所以,準確預測送風距離對IJV的供暖設(shè)計有重要的實際指導作用。鑒于此,針對不同的設(shè)計變量(送風速度、送風溫差、送風口高度和送風口面積)組合,對IJV供暖房間內(nèi)的流場和溫度場進行了數(shù)值模擬,并利用回歸分析法建立了熱風送風距離的預測模型。通過對這一預測模型分析發(fā)現(xiàn),IJV的熱風送風距離存在極大值,對于任何送風參數(shù)(送風速度和送風溫差)和送風口特征(送風口高度和送風口面積),送風距離都不可能超過12 m。同時發(fā)現(xiàn),對于特定的送風距離,送風口高度和送風口面積必須被限制在一定的范圍內(nèi),并且送風量也必須大于相應的臨界值,否則,將無法通過調(diào)節(jié)送風參數(shù)達到所需的送風距離。混合通風是目前最常用的熱風供暖方式。然而,MV的送風熱氣流通常自房間上部送入室內(nèi),由于熱浮力的作用,熱量很難有效進入下部人員活動區(qū),故房間內(nèi)出現(xiàn)明顯的下低上高的溫度分布特征。為了滿足人員活動空間的熱舒適要求,上部空間的氣溫會遠高于供暖設(shè)計溫度,故導致室內(nèi)空氣平均溫度過高,供暖能耗增大。在高大空間建筑中,由于熱浮力而引起的這一效應尤其顯著,但顯然無法從根本上解決MV的高能耗問題。與此相反,IJV將送風熱氣流直接送入人員活動空間。為了評價IJV取代MV的可能性,分別對IJV和MV用于高大空間供暖時的室內(nèi)流場和溫度場進行了數(shù)值模擬,并分析了這兩種類型供暖房間內(nèi)熱環(huán)境和能耗特征的區(qū)別。結(jié)果表明,在人員活動空間達到相同的熱舒適條件下,MV房間中的上下溫差可高達8?C,而IJV中的上下溫差僅不到1?C。對于層高為10 m的高大空間建筑,IJV比MV至少節(jié)約20%的供暖能耗,并且隨著房間層高的增大,這一節(jié)能率將進一步增大。由于IJV為下送風方式,故相對于通常采用的上送風的MV,IJV在改善人員活動區(qū)空氣質(zhì)量方面亦具有明顯的優(yōu)勢。為考察IJV供暖房間內(nèi)空氣質(zhì)量的具體特征,分別對主動式和被動式污染物(分別以人體呼出的CO2和人員行走引起的再懸浮2.5?m顆粒物為代表)在IJV和MV供暖房間內(nèi)的擴散進行了模擬和對比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),IJV中兩類污染物濃度都呈均勻分布特征,而在MV中,CO2主要分布在房間中間高度區(qū)域,而2.5?m顆粒物則集中分布在遠離外墻的區(qū)域,這使得IJV的排污效率遠高于MV的,并且人員呼吸區(qū)內(nèi)污染物的平均濃度明顯較低。此外,對IJV和MV供暖房間內(nèi)平均空氣齡分布進行的數(shù)值模擬結(jié)果表明,IJV中呼吸區(qū)內(nèi)的平均空氣齡比MV的小37%到45%。高大空間在進行熱風供暖時,形成高能耗的主要原因是室內(nèi)空氣的熱力分層現(xiàn)象嚴重,而其誘因之一是室外冷空氣進入室內(nèi)后下沉并積聚在地板附近。在人員頻繁出入的很多公共空間(如航站樓、候車室和商業(yè)建筑門廳等),大量冷空氣通過開啟的外門進入供暖房間,造成室內(nèi)下部空間的氣溫明顯低于上部空間,于是導致供暖能耗增大。根據(jù)已有的研究結(jié)果,利用IJV的高速下送風特征有望改善這種狀態(tài)。為證實這一點,在人工氣候室內(nèi),分別在不同開門頻率和開門時長下,對IJV和MV供暖房間內(nèi)的氣流速度和溫度分布進行了大量實測,討論了有冷風侵入條件下IJV和MV供暖房間內(nèi)熱環(huán)境和能耗的區(qū)別。結(jié)果顯示,在相同的開門時長下,開門頻率對室內(nèi)溫度的時間平均值基本沒有影響。雖然IJV和MV供暖房間內(nèi)的熱力分層現(xiàn)象均隨開門時長的增大而變嚴重,但IJV供暖房間內(nèi)的上下溫差始終不到MV的60%,故前者的供暖能耗遠低于后者。此外,通過開啟的外門而進入供暖房間的冷空氣,會造成近門處局部區(qū)域的熱環(huán)境變差,當采用MV進行熱風供暖時,幾乎無法通過調(diào)節(jié)送風參數(shù)來改善這種狀況,但對于IJV,可以通過改變送風參數(shù)有效抵御冷風侵入對室內(nèi)熱環(huán)境所帶來的不利影響。
【圖文】：

圖 1-1 碰撞射流通風的送、回風口布置[17]Fig. 1-1 Arrangements of the supply and exhaust devices in IJV[17]根據(jù)已有的關(guān)于碰撞射流通風的研究結(jié)果[3,16,18]，由于高速送入的氣流在撞擊地板而改變運動方向后，仍具有很高的水平動量，因此氣流沿地板的蔓延范圍明顯大于置換通風的。這樣看來，即使送風射流為熱風，在流動轉(zhuǎn)為水平運動后，較高的射流剩余動量能夠抵抗熱浮力的作用，所以，熱射流仍可以在地板表面擴散相當一段距離。這一特征表明，碰撞射流通風同時具備了置換通風和混合通風的優(yōu)點，并在某種程度上克服了兩者的缺點。當碰撞射流通風在夏季供冷工況下運行時，冷氣流從位于近地面處的送風口送入室內(nèi)，隨后沿地面迅速擴散，當通過室內(nèi)熱源時，受局部熱羽流的抬升作用，離開地面上升到房間上部回風區(qū)，氣流形態(tài)如圖 1-2 所示。它的氣流運動特征與置換通風類似，室內(nèi)空氣溫度分布也與置換通風基本一樣，呈下低上高的分布特征[11,19]。因此，碰撞射流通風在供冷時可同時實現(xiàn)節(jié)能和提供良好室內(nèi)空氣質(zhì)量的目標[16,18]。

圖 1-1 碰撞射流通風的送、回風口布置[17]-1 Arrangements of the supply and exhaust devices in關(guān)于碰撞射流通風的研究結(jié)果[3,16,18]，由于高速動方向后，仍具有很高的水平動量，因此氣流沿風的。這樣看來，，即使送風射流為熱風，在流動動量能夠抵抗熱浮力的作用，所以，熱射流仍可。這一特征表明，碰撞射流通風同時具備了置換種程度上克服了兩者的缺點。通風在夏季供冷工況下運行時，冷氣流從位于近沿地面迅速擴散，當通過室內(nèi)熱源時，受局部熱房間上部回風區(qū)，氣流形態(tài)如圖 1-2 所示。它的室內(nèi)空氣溫度分布也與置換通風基本一樣，呈下碰撞射流通風在供冷時可同時實現(xiàn)節(jié)能和提供良
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU832

【參考文獻】

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本文編號：2637142