不同工况下室内热分层和热舒适研究

2022-03-25杜传梅张露露

蚌埠学院学报 2022年2期

何源，杜传梅，张露露

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

人们生活水平日益提高，对室内舒适性要求也逐渐提高[1]，以室内空气流动呈现热分层化为主要特点的送风系统日益被重视，而热分层对室内环境舒适度的影响越来越被关注。热分层对室内人体舒适度的影响表现在温度梯度上，温度梯度越大舒适度越低。然而，温度梯度对室内环境舒适度评价标准过于单一。郇超等分析了室内热源强度、墙体辐射及送风参数等边界条件对室内垂直温度分布的影响[2]。林凯等对高大空间热分层进行实测，通过改变上下开口比来提高室内热舒适性[3]。季泰等人通过环境监测研究人运动时环境参数对人体舒适度的影响[4]。王玉山等人通过采用描述人体舒适度的预测平均指标(Predicted Mean Vote,缩写为PMV)，并确定 PMV与室内温度和平均辐射温度的定量关系，从而提出了室内温度优化设定方法[5]。王彤等分析水源水库热分层期沉积物中有机物的相对分子质量分布和有机物荧光特性得出结论[6]。目前关于热分层的研究主要集中在海洋和机械流体领域，对一般建筑空间室内热分层的理论研究尚且不足，且关于热分层在对室内环境舒适度影响的评价标准方面过于单一[7-8]。

以建环实验室为研究对象，主要通过传感器实测获得目标空间垂直方向上的温度分布，对比分析三种不同热源主导的供暖室内温度分布变化，结合室内环境参数的实际测量值，拟对不同热源工况下的热分层对室内环境舒适度的影响分析，通过室内热舒适进行校核，得出最佳人体舒适度，以便为减少能耗和提高室内人体舒适度，对研究室内舒适度提供一种研究角度以及非采暖地区冬季空调制热的运行方案优化提供一定的技术支持。

1 热分层理论

热分层现象的发生主要取决于浮力与流体的惯性力。而室内热分层是通风和室内热源对流作用的结果，反映在空气垂直温度和表面温度分布上。在数值上常用无量纲里查德森数(Ri)来判断是否发生了热分层。

(1)

式中，Thot为热空气温度；Tcold为冷空气温度；Gr为格拉晓夫数；Re为雷诺数；g=9.8 m/s2；α为对应温差下冷却剂的热膨胀系数；v为空气流速，m/s；l为定性尺寸。当Ri=1时，热分层开始出现，Ri值越大，热分层越稳定[2]。

2 温度场监测试验模型

本文选取某高校建环实验室为研究对象，实验室尺寸为3.9 m×2.8 m×4.2 m，北面墙上有8扇平开窗，每扇窗户的尺寸为1.56 m×0.58 m，南面墙上为4扇推拉窗，窗口尺寸为0.7 m×0.45 m，门洞尺寸为1.32 m×2.24 m,实验室西北角和东北角各放置一台型号为KFR-72LW/(72569s)Bb-2的格力空调，经测量得到空调风口尺寸为0.39 m×0.26 m，风口下边缘离地面高度为1.45 m，检测处理软件为JTSOFT-JN。本试验以风口尺寸作为热源尺寸，供热温度为24 ℃ ，为了提高试验数据的准确性，本试验固定风口扇叶朝下45°。

2.1 温度场实测

2.1.1测试方法

由于空调系统运行初期温度场变化较快，随时间进行，温度场变化逐渐趋于稳定，故只展开空调稳定运行状态时的温度场研究。本试验通过每组测试开始之前先将实验室密闭12个小时以确保室内温度场分布处于稳定状态，以1月7日到8日上午10：35分为每组试验初始时间点，不同热源工况下，各选取一组室温稳定时的测点数据来进行对比分析该工况对室内热分层的影响，再通过选取具有代表性的测试组，来研究风口送风角度对室内温度场的影响。测试期间室内仅有测量人员和必须设备的运行，热源较少，紧闭门窗洞口减少室外冷空气流入室内。

2.1.2测点布置

试验中利用4根间距为1.2米的水平钢丝绳作为支撑，把16根包含有热阻式温度传感器的线用尼龙扣均匀固定在水平支撑上，形成水平间距为0.8 m的16组测量组，分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15和16组，每组分布5个热阻式温度传感器，分别布置在0.1、0.6、1.1、1.6 m和2.1 m高度处，各测点空间布置如图1所示。最后把各组包含热阻传感器的线全部接入线箱，通过末端计算机设备进行实时记录。

图1 温度测点位置示意图

2.2 现场实测数据结果与分析

2.2.1无热源自然状态下室内热分层分布

由图2可知，无热源供暖状态下室内稳定温度场的热分层现象不明显。

图2 无热源自然状态下室内温度分布图和温度与高度关系

同一时刻不同位置处的测试组因各个测点得热和失热不同而有不同的温度变化，表现为随高度增加温度升高。但越靠近北外窗处温差越明显，并形成下部温度变化较大的低温区和上部温度变化较小的高温区。其中h=0.1 m平面各测点温度变化最大。这是由于北侧墙的窗墙比较大并存在一定的门窗缝隙漏风，溢入室内的冷空气稀释室内热空气，在重力的作用下，向下移动，在地面附近形成的冷空气湖，影响了同一平面内的温度分布，故靠近北外窗的测试组的各测点温度明显低于同一高度平面内其他各测点温度。

2.2.2单热源供暖工况下室内热分布

由图3a可知，单热源供暖状态下室温稳定时，室内温度呈现明显的分层现象，且随高度的增加而增加。

图3 单热源供暖室内温度分布以及单热源供暖时温度与高度关系

其中h=0.1 m和h=0.6 m层面温度变化最为明显，而h=1.1 m、h=1.6 m和h=2.1 m各层面的温度变化趋势相同，各层之间的垂直温差变化不大，更容易受到室内上部壁面自然对流的作用而更加接近连续热分层。单热源状态下室内温度呈层式分布，符合空间建筑的三分区模型。房间的最上部分为较高温度的分布区域，这些较高温度主要是由室内余热和因室内热源的对流产生的热羽流不断上升而形成的，其温度场分布比较稳定。由于第9测试组在空调的正前方，受到热源影响最为明显，且T39和T49测点分别位于风口的下侧和上侧，热空气的密度小于冷空气密度所以在空调供暖时形成热羽流不断上升，使得热源上部空气温度高于热源下部，而随着热羽流的上升需要卷吸周围更多的冷空气，随着高度的增加温度反而降低，所以T59的温度低于T49。

2.2.3双热源供暖工况下热分层分布

如图4所示，同一高度的水平截面处各测点在双热源共同影响下温度变化相对平稳，室内上部温度升高，两个空调口喷出的热空气向上运动同时卷吸周围空气，使得两热源中心处上方产生热羽流。

图4 双热源供暖室内温度分布以及双热源供暖时温度与高度关系

在双热源风口对流和热羽流的共同作用下，位于风口区的h=1.1 m平面内各测点温度受影响最大。由于热源上方有大量的气流上升，因此对风口下侧区域影响较小，所以热源风口下侧的低温区水平面上的温度分布较均匀，而随着高度的增加各平面温度分布波动较大。双热源供暖状态下室内温度场与单热源供暖状态下室内温度场相比各水平截面的温度增加，各个温度场之间的温差增大。

2.2.4送风角度对室内热分层的影响

由于室内温度场的布置和采暖设备的位置是固定的，因此选择具有代表性的第3、第6、第9和第14测试组，分别记录单热源供暖空调开始运行前60分钟测试组各水平高度的温度随时间变化情况，如图5所示。

图5中a-d分别表示在空调区域内距风口5.88、2.94 m、1.47 m和1.47 m时测试组温度随时间变化情况(第3测试组距离热源5.88 m；第6测试组距离热源2.94 m；第9测试组和第14测试组距离热源距离相同位置不同，均为1.47 m)。由图5可以看出空调区域内距热源最近处温度变化最快，离风口越远处测试组温度变化相对迟缓，距热源相同距离不同位置处，空调区外测试组温度变化相对迟缓，但是最终变化趋势大致相同，所以送风角度只能影响部分区域的热环境分布，不影响室内温度分布平衡时的热分层，不对整个区域环境舒适度产生影响。

图5 第3、6、9、14测试组温度随时间变化趋势图

2.3 热分层对室内环境舒适度的影响

ASHAE STANDER55-2004规定：对于站姿，距地面1.7 m与0.1 m脚踝处的温差不能超过3℃，而对坐姿的头足温差规定0.1 m脚踝处与距地面1.1 m处的温差不能超过3 ℃。

由表1所示，无热源状态下不同高度的平均温差最小，在0.13-0.54 ℃；单热源状态下不同高度的平均温差在0.38-2.32 ℃，无热源与单热源工况下均满足室内环境舒适度要求。双热源工况下室内下部低温区的温度梯度过大，超过3 ℃，造成头热脚冷的情况从而降低人员工作区域的舒适度要求。

表1 三种热源不同高度层面内平均温度及温差

3 室内舒适度的校核

由热分层现象产生不同高度的温度梯度来判断室内舒适度具有一定的误差，采用热舒适的评价标准进行校核。热舒适是人们对周围热环境做出的主观满意度的评价，通常用PMV-PPD(Predicted Mean Vote-Predicted Percentage of Dissatisfied)评价方法来表示。

3.1 PMV-PPD

3.1.1PMV指标

PMV指标是引入反映人体热平衡偏离程度的人体热负荷L而得出的，其理论依据是当人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷越大，人体偏离热舒适的状态就越远。根据Fangear利用Kansas州立大学对1396名受试者的资料，提出了如下关系式：

PMV=(0.303e-0.036M/A+0.0275)×L

(2)

式中：

M-人体能量代谢率，决定于人体的活动量大小，W/m2；

A-人体表面积，m2；

L-人体热负荷,表征人体单位时间内单位面积达到热平衡的散热速率的差距，W。

人体的热平衡方程：

M-W-C-R-E-S=0

(3)

式中：

M—人体基础能量代谢率，决定于人体的活动量大小，W/m2，1 Met为人静坐时能量代谢率，本次试验取1.2 Met，为69.84 W/m2；

W-人体所做的机械功，W/m2，静坐时取机械功为0；

C-人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量，W/m2；

R-人体外表面向周围通过辐射形式散发的热量，W/m2；

E-汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的热量，W/m2；

S-人体蓄热率，W/m2。

热舒适性方程：

M-W=fclhc(tcl-ta)+3.96×10-8[(tcl+273)4-(tr+273)4]+3.05[5.733-0.007(M-W)-Pa]
+0.42(M-W-58.2)+0.0173M(5.867-Pa)+0.0014M(34-ta)

(4)

式中：

tcl-衣服外表面温度，℃；

ta-人体周围空气温度，℃；

Pa-人体周围水蒸气分压力，kPa；取空气水蒸气分压力，可由相对湿度计算得出。

hc-对流换热系数，W/(m2·K)；与服饰热阻有关，冬季取服饰热阻为1.25 clo，1 clo=0.155 m2·℃/w。

fcl-服装的面积系数，冬季供暖服饰面积系数取1.15。

tr-坏境平均辐射温度，℃。

假定人体的平均皮肤温度和出汗造成的潜热散热是人体保持舒适条件下的数值。因此可以看出，人体热负荷L就是方程式(3)中的蓄热率S，即把蓄热率看作是造成人体不舒适的热负荷。如果其中对流、辐射和蒸发散热的各项计算采用与方程式(4)相同的计算公式，则蓄热量S就相当于式(4)两侧的差，这样式(2)可以展开如式(5)：

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.0275]{M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-Pa]

-0.42(M-W-58.2)-0.0173M(5.867-Pa)+0.0014M(34-ta)-3.96×10-8[(tcl+273)4

-(tr+273)4]-fclhc(tcl-ta)}

(5)

3.1.2PPD指标

鉴于人与人之间的生理差别，PMV指标并不能完全准确地反映所有人的热舒适感觉，因此依旧会有小部分人对绝大多数人感到满意的热舒适条件表现出不满意，故提出PPD指标，表示人群对热环境不满意的百分数，PPD与PMV关系式为：

PPD=100-95×e[-0.3373PMV4-0.2179PMV2]

(6)

PMV共有7个评价标尺，如表2所示。

表2 PMV热感觉标尺一览表

3.2 JFSOFT-JN实时监测数据及分析

根据JESOFT-JN实时监测室内环境参数，将其导入Getting Started软件计算得出的PMV-PPD数值如表3所示。

表3 三种不同工况下环境参数

根据表3中数据分析，可绘制PMV-PPD关系图如图6所示。

图6 PMV与PPD函数关系图

由表3和图6可以看出，无热源自然状态下的温度较低，湿度接近冬季室外湿度，其PMV值处在偏冷位置，PPD值较高。当室内提供热源时，室内温度明显提升，湿度降低；单热源的PMV值处在中性位置，PPD值较低，而双热源PMV处在偏热位置，PPD较高；双热源供暖与单热源供暖相比，温度更高，湿度更低，这是由于相对湿度是当前湿度和饱和湿度的比值，当温度升高，空气携带水分的能力升高，饱和湿度升高的很快，所以相对湿度会下降。

据国际标准EN ISO-7730的A级热舒适标准，无热源自然状态和双热源供暖状态均不符合热舒适标准，只有单热源状态符合人体舒适标准。综合热分层对室内舒适度的影响，单热源状态下更符合人体舒适度标准。