冷却顶板表面温度对地板送风房间室内空气分布影响的实验研究

大连理工大学土木工程学院  吴小舟
大连大学建筑工程学院  高洁
西安交通大学人居环境与建筑工程学院  王沣浩  刘雨佳

      【摘  要】本文实验研究了冷却顶板表面温度对地板送风房间室内空气分布的影响。当送风温度为21℃及冷却顶板表面温度为17℃~26℃时，测试了室内垂直方向空气温度、空气速度分布及水平方向污染物浓度分布，并分别室内以垂直空气温差、空气紊流强度及除污效率评价空气温度分布、空气速度分布及污染物浓度分布。结果表明：随着顶板温度的增大，室内空气温度沿高度方向由增大的趋势逐渐转变为减小的趋势，活动区内平均垂直空气温差随着顶板温度的增大而减小；而顶板温度的变化对室内空气速度及污染物浓度分布具有一定的影响，平均空气紊流强度和除污效率分别为31%~43%和0.85~1.17，最大平均空气湍流强度对应着最小平均除污效率。此外，房间冷负荷对室内垂直空气温差及除污效率影响较大，而对空气紊流强度影响较小。

      【关键词】冷却顶板；地板送风；温度分布；速度分布；CO2分布

Abstract:In this paper, an experimental study of the air distribution characteristics in a room with underfloor air distribution (UFAD) and chilled ceiling (CC) was performed when considering the effect of heat transfer of the external envelope. The distributions of indoor air temperature, air velocity and pollutant (CO2) concentration were measured and evaluated by the vertical air temperature difference, turbulence intensity and ventilation effectiveness, respectively. The results showed that when chilled ceiling surface temperature ranged from 17℃ to 26℃ and supply air temperature was 21℃, the increased trend of indoor air temperature was gradually switched to be decreased trend along the height direction, and the vertical air temperature differences decreased with the ceiling surface temperature. The ceiling surface temperature had a slight impact on the distributions of air velocity and pollutant concentration, and the turbulence intensity and ventilation effectiveness were ranged from 31% to 43% and  from 0.85 to 1.17, and the maximum turbulence intensity coincided with the minimum contaminant removal effectiveness. In addition, cooling load had a large impact on the indoor vertical air temperature difference and ventilation effectiveness, but nearly no impact on the turbulence intensity.
Keywords:Underfloor air distribution; Chilled ceiling; Temperature distribution; Velocity distribution; CO2 concentration distribution

      随着生活水平的提高，人们对建筑物的室内环境品质要求也越来越高。地板送风的新风从接近工作区的地板送入，保证人员处于相对洁净的新鲜空气环境中，改善了工作区的空气质量。地板送风气流经过人体，送风温度不能太低，风速不能太大，导致其所承担冷负荷受到限制^[1]。辐射顶板中通入冷水形成辐射面，通过辐射对流的方式与室内进行换热，热舒适性较高，但辐射顶板供冷无法满足室内人员对新鲜空气的要求^[2]。因此，出现了一种将地板送风系统与顶板辐射供冷复合的新空调系统，该系统结合了两者各自的优点，弥补了对方的缺点，达到舒适和节能的效果^[3]。

      有些学者对地板送风与顶板辐射供冷房间室内空气分布进行了相关研究。徐祥洋^[4]对地板送风与顶板辐射供冷房间垂直方向的空气温度进行了实验测试，结果表明室内空气温度沿高度方向先升高后降低。哈尔滨工业大学王雪^[5]采用 CFD 模拟软件Airpak对冷却吊顶不同负荷比和不同热源强度条件下的室内温度场和速度场进行了模拟对比，并通过模拟研究了太阳辐射对系统的影响。袁锋^[6]采用 CFD 模拟软件，比较了置换通风条件下，顶板辐射与地板辐射两种模式室内热环境的区别。结果表顶板辐射系统使用符合范围更广，具有一定优势。Schiavon^[7]对置换通风与顶板辐射供冷房间室内温度非均匀分布进行了实验研究，发现房间下层空气垂直温度呈线性分布，而房间上层空气受到冷却顶板产生的下沉冷气流作用温度梯度较小。Rees^[8-9]结合实验测试结果及CFD 数值模拟结果，对置换通风与顶板辐射供冷房间室内空气流动线路进行了简化，并建立了室内非均匀温度分段线性分布预测的节点模型。

      虽然国内外学者对辐射空调系统的室内热环境进行了大量的研究，但是对在外墙传热影响下的地板送风与顶板辐射系统的室内热环境的实验研究还比较少。本文通过在对一个地板送风与顶板辐射供冷系统的实验研究，着重研究不同外墙传热下顶板温度变化对室内空气温度分布、速度分布和污染物浓度分布的影响，为该系统的设计及推广提供理论支持。

1 室内空气分布的实验方法

      1.1 人工环境室及测试系统

      人工环境室的长、宽、高分别为3.7m、2.8m、2.6m，如错误!未找到引用源。所示。三面墙壁由75mm 厚的带有中心夹层为保温发泡材料的彩钢复合板构成，其中一面墙壁上开有1.2m×1.2m的双层塑钢玻璃窗户；另一面墙壁和门窗由双层塑钢玻璃构成，塑钢玻璃表面贴了一层厚度为6mm保温材料。采用功率为1500W的电热膜来模拟外围护结构传热，电热膜表面贴有9mm厚的石膏板以使表面温度更加稳定，其功率变化范围为0W-1500W。室内热源包括散热假人、电脑及灯等。两个假人用尺寸为400mm（L）×250mm（W）×1200mm（H）的铁箱子模拟，假人内部装有三个60W的白炽灯泡，其功率调节范围为0W-180W。电脑用两个尺寸为400mm（L）×400mm（W）×400m（H）的铁箱子模拟，电脑内放置了两个100W的灯泡，其功率可以在0W-200W间调节。在吊顶上装有两个功率为72 W的节能灯。

      本实验的测试系统由顶板辐射供冷系统和地板送风系统组成。顶板辐射供冷系统末端由11块尺寸为600mm试系统由顶板辐的金属辐射板组成，覆盖率大概为76%。金属辐射板由保温层、石墨板、铜管、纤维棉和镀锌钢板组成。地板送风口采用尺寸为250mm板由保温层、的双层百叶风口。

      1.2 测点布置及测试仪器

      测线的位置布置如图2所示，其中线2、线3、线4和线5测试人体附近的二氧化碳、温度和速度分布。线1、线6和线7测试室内工作区的二氧化碳、温度和速度分布。

      Swema 03微风速探头来测室内温度和速度分布。该仪器温度测试范围及精度分别为10℃-34℃及±0.1℃，速度测试范围及精度分别为0.05m/s-1m/s及±0.05mm/s。测点高度分别为0.1m、0.6m、1.1m、1.3m、1.7m、2.5m（如图3所示），其中0.1m和2.5m测量地面和辐射板附近的温度和速度分布，0.6m处的测量值作为室内温度参考点，该点温度被控制在26℃左右。采用TES1370测试呼吸区的二氧化碳浓度，该仪器测量二氧化碳范围为0~6000ppm，准确度为±3%读值或±50%ppm。测点沿高度方向分别为0.9m、1.1m和1.3m（如图4所示）。在每个假人正前方1.1m处有一个直径8mm的小孔，从小孔以320ml/min的流量释放CO₂^[10]。

      1.3 测试工况

      本实验中，室内热源设为430W，电热膜设为430W和720W。地板送风系统送风温度为21℃，辐射顶板温度为17℃~26℃，通过调节地板送风量控制室内参考温度保持为26℃（具体为房间中心离地0.6m处的空气温度），如表1所示。

      1.4 测试参数计算公式

      本文分别采用垂直温差、空气紊流强度及除污效率评价室内垂直温度、速度及污染物浓度分布。式（1）、式（2）及式（3）所示^[11-13] 。

      Δt_a0.1-1.1=t_a1.1-t_a0.1   (1)

      式中：t_a1.1 为距离地面1.1m处空气温度，℃；t_a0.1 是距离地面0.1m处空气温度，℃。

      式中：Tu为空气紊流强度，SD_v为距离地面1.1m处空气速度标准偏差； gsv  为距离地面1.1m处空气速度平均值。

      式中：c_p为排风污染物浓度；c_z为工作区污染物浓度；c_o为送风污染物浓度。

2 室内空气分布测试结果与分析

      2.1 室内空气温度测试结果与分析

      图5和图6反映了不同冷负荷下顶板温度对是室内空气温度分布的影响。

      如图5及图6所示，当顶板温度分别等于26℃及23℃，各工况在1.1m以下均呈现正温度梯度，在1.7m以上温度逐渐由正温度梯度转变为负温度梯度。这是因为室内温度受到热羽流、下沉冷气流和送风射流的共同影响。在1.1m以下，热羽流起主导作用，室内温度沿高度方向逐渐增加；在1.7m以上，随着顶板温度的升高，辐射顶板引起的下沉冷气流逐渐减弱，送风射流逐渐起主导作用，温度分布逐渐由正温度梯度转变为负温度梯度。

      表2表示各个测点的头部（1.1m）和脚踝（0.1m）处垂直温差，从中可以发现每个工况各个测点的垂直温差均能满足ASHRAE55-2013中垂直温差小于3垂的要求。在同样的送风温度下，顶板温度越高，室内垂直温差越小，这是因为在工作区顶板温度引起的下沉冷气流对温度分布影响比较小，送风射流起主导作用。顶板温度越高，送风量越大，工作区温度沿高度方向分布更加均匀。此外，对比工况1~工况3和工况4~工况6可知，冷负荷的增大明显减小室内垂直温差。

      2.2 室内空气速度测试结果与分析

      图7和图8反映了不同冷负荷下顶板温度对是室内空气速度分布的影响。

      如图7及图8所示，当顶板温度分别等于26℃及23℃，在1.7m以上测线L1-L5空气速度明显增大。这主要是因为随着顶板温度的升高，辐射顶板引起的下沉冷气流逐渐减弱，送风射流逐渐起主导作用。表3表示地板送风与顶板辐射供冷房间室内空气紊流强度计算结果。由表3可知，室内紊流强度随顶板温度变化较小，平均紊流强度变化范围分别为31%~41%及33%~43%。当顶板温度分别等于23℃及20℃时，室内空气紊流强度均达到最大。此外，对比工况1~工况3和工况4~工况6可知，冷负荷的增大对室内空气紊流强度影响较小。

      2.3室内污染物浓度测试结果与分析

      图9和图10反映了不同冷负荷下顶板温度对是室内污染物浓度分布的影响。

      由图9和图10可知，送风温度一定的情况下，随着顶板温度及送风量的增大，室内CO₂浓度水平方向分布更加均匀。工况1和工况2测线L3中CO₂浓度偏大是因为该测线在CO₂释放孔附近，而释放的二氧化碳受送风气流影响较小，扩散至L3测线测点位置。

      由表4可知，随着顶板温度及送风量的增大，室内除污效率变化较大，平均除污效率变化范围分别为0.85~1.01及0.89~1.17。当顶板温度分别等于23℃及20℃时，室内平均除污效率均达到最大。这主要是因为当顶板温度分别等于23℃及20℃时，室内空气紊流强度最大，从而增大了测点污染物浓度，降低了除污效率。对比工况1~工况3和工况4~工况6可知，冷负荷的增大对室内除污效率影响较大。

3 结论

      本文以地板送风与顶板辐射供冷房间为研究对象，通过测试研究地板送风与顶板辐射供冷房间室内热环境参数分布及除热效率与除污效率，当辐射顶板表面温度变化范围为17℃~23℃及送风温度等于21℃时，得到以下结论：

      1）顶板温度对室内空气温度分布影响较大，室内垂直空气温差随着顶板温度的增大而减小；

      2）顶板温度对室内空气速度及污染物浓度分布影响较小，最大的空气紊流强度对应着最小的除污效率；

      3）房间冷负荷对室内垂直空气温差及除污效率影响较大，而对空气紊流强度影响较小。

      致谢：本文受到国家自然科学基金(项目编号:51408482)和中央高校基本科研业务费 (项目编号: DUT17RC (3)086)资助.

参考文献

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      备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。