太陽輻射置換通風管理論文

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1．概述

置換通風系統從它最早在北歐的出現和使用，至今已有二十多年的，但由于它在保證室內空氣品質方面的突出表現，近年來仍倍受巨人矚目，1999年被列入“歐盟第五框架計劃”支持的研究項目，項目主要負責人D.Blay是筆者博士導師，因而有幸參加了該項目的部分研究。在第一階段研究過程中，我們對室內單一熱源的情況進行了實驗研究［1-3］和計算機住址研究［4］，得到了單一熱源下置換通風系統的溫度場和速度場，結果表明：(1)熱源的存在不影響水平方向上的溫度的均勻度；(2)除熱源上方有較明顯的上升氣流外，整個速度場均勻、平穩，呈層流或低紊流狀態；(3)維護結構的熱損失對溫躍層高度無明顯影響，而外部環境溫度則使室內溫度垂直分布有所改變。繼“單一熱源”的研究之后，我們在第二階段對“多熱源”［5］的情況又進行了系統的研究，主要側重于熱源之間的相互影響和對置換通風系統溫度場的影響，結果表明：(1)雙熱源的存在降低了單熱源情況；(2)輔熱源溫度的變化并不影響溫躍層的高低；輔熱源氣流流量的大小不影響溫躍層的高度，而只是對上部區域的溫度有影響。

本文是置換通風系統的系列研究的第三階段內容，針對透過玻璃窗的太陽輻射對置換通風系統的影響的研究，在置換通風系統的應用中，由于玻璃窗的存在，難免會有太陽的直射輻射透過玻璃窗進入至室內來，照射在地板、家具或其它物品上，形成了局部的熱表面區域，這些局部熱表面對室內空氣具有加熱作用，形成自然對流，對室內置換通風平穩的流場進行了干擾。本文旨在提示透過玻璃窗的太陽輻射對置換通風系統的干擾程度，以便能有的放矢的改進、完善置換通風系統，充分發揮這一新型通風模式的優點，為設計者提供設計參數和設計依據，為置換通風系統開辟更好的應用前景。

2．實驗裝置

本實驗是在第二階段實驗一雙熱源情況的基礎上開展的，因此，測試室內已有一主一輔兩個熱源，為了模擬透過玻璃窗的太陽輻射照射在地板、家具或物品上形成的水平局部表面、傾斜的局部熱表面和垂直局部熱表面的情況，我們分別采用了電熱和電散熱器，用覆蓋在地板上的電熱膜模擬太陽在地板上形成的熱表面，用傾斜放置的電散熱器模擬太陽輻射在室內形成的傾斜熱表面，用垂直放置的電熱膜模擬太陽輻射形成的垂直熱表面。

在正式實驗之前，我們對增加電熱膜后系統的穩定性進行了預測試。將4塊0.5m×1.0m的電熱膜鋪在測試室地板的中央，形成的總的熱量為240W。使冷風供入量為190m3/h，送風速度為0.03m/s，溫度為21.2℃，熱源暫關閉，測試室的外環境溫度(即大廳內溫度)控制在20.3℃。我們連續4天對測試室內垂直方向的溫度進行測試，結果表明，增加了電熱膜后，在上述的實驗條件下，至少需要24小時系統才能達到穩定，此時測得熱膜表面溫度為36.4℃，測試室距地面1.5m處的壁溫為22.6℃，測試室的排風溫度為23.8℃。

3．實驗結果及分析和討論

太陽透過玻璃窗進入室內，照射至地板、家具或其它室內物品上，形成或水平的、或垂直的、或成一定角度的局部熱表面，因此，我們的實驗也分3種情況進行考慮，用電熱膜分別模擬水平的局部熱表面、垂直的局部熱表面和與水平方向成10度角的局部熱表面，下面分別介紹3個實驗情況。

3.1實驗1：熱地板

在這部分實驗中，為了到表演場燈光對地板形成的全面輻射情況，我們將整個地板都用電熱膜進行了覆蓋，共有6.5㎡，全部工作時，最大熱量可達780W，主熱源熱風供入量為46m3/h，我們對3種不同的電熱膜的熱流量的情況進行了測試，實驗條件被列在表1中，圖1則為我們對垂直方向溫度曲線的測試結果。

表1水平熱表面的實驗條件

實驗1情況1情況2情況3

冷風送入速度(m/s)0.030.030.03

冷風送入量(m/s)195195195

冷風溫度(℃)21.420.321.2

熱氣流送入速度(m/s)0.390.390.39

熱氣流送入量(m3/h)464646

熱氣流溫度(℃)454545

環境空氣溫度(℃)20.520.121.0

電熱膜表面溫度(℃)34/29.4

距地面1.5m處壁溫(℃)24.521.123.3

測試室排風溫度(℃)31.424.628.4

電熱膜熱流量(W)7800400

從圖1我們看到，在3種情況下，置換通風系統的熱力分層現象或多或少總是存在的；將3種實驗的結果進行比較發現，水平熱表面熱流量的大小測試室下部及上部區域溫度的高低，也影響了溫躍層的高度。熱地板的存在，增加了室內的余熱量，便利整個室內的平均溫度變高，垂直溫度梯度曲線右移。

圖2為無量綱垂直方向溫度曲線，隨著電熱量的增加，溫躍層的高度有明顯降低，所以，熱地板對于置換通風系統來講，是一個不利因素。對于現有大型體育和文藝表演性場館，有數據表明，約有三分之一的照明燈的能量被地板吸收，相當地板被加熱，如果是采用了置換通風系統的話(事實上，型體育和文藝表演性場館的首選就是置換通風系統)，對置換通風的效果會有負面影響，但即使這樣，熱力分層現象仍然存在，垂直方向溫度曲線表明，下部人活動區的溫度仍然比上部區域低，置換通風系統仍然比混合式通風系統顯得合理和經濟。為了減小熱地板帶來的影響，應想方設法選用對長波輻射吸收較低的地板材料，使置換通風系統發揮了出它最大的優越性。

3.2實驗2：傾斜局部熱表面

我們將一個板式電散熱器放置在測試室中央，并與地面成10度角，該散熱器的尺寸為110cm×23cm，功率為1000W，冷風送入量仍然是195m3/h，熱源被關閉，測試在改變電散熱器的熱流量的情況下室內的溫度，具體的實驗條件列在2表中。

表2傾斜熱表面的實驗條件實驗1情況1情況2

冷風送入速度(m/s)0.030.03

冷風送入量(m/s)195195

冷風溫度(℃)20.420.8

環境空氣溫度(℃)19.319.2

距地面1.5m處壁溫(℃)22.921.7

測試室排風溫度(℃)29.423.6

電熱膜熱流量(W)880220

圖3垂直方向溫度曲線

圖4垂直方向無量綱溫度曲線

圖3表示的是測試室內垂直方向溫度曲線，我們仍然能夠看到熱力分層現象，而且傾斜表面的熱流量越大，上部區域的溫度越高，垂直方向的溫度梯度越大，溫躍層越明顯。事實上，這個局部熱表面也就是置換通風系統中的一個室內局部熱源，正是它形成的羽卷流，攜周圍的空氣，將熱量直接帶到上部區域，而使得下部基本不受影響，體現出置換通風系統的優越性。

圖4是該情況下的無量綱垂直方向溫度曲線，這次我們看到，傾斜表面的熱流量的大小不對溫躍層的高度產生明顯影響。這一結果與我們的第一階段采用送入熱氣流來模擬上升氣流的實驗結果相符［1］，即在冷風供入量不變的條件下，熱氣流的溫度不影響溫躍層的高度，與經典的羽卷流的理論有相悖之處［5，6］，但經典的羽卷流理論是在均勻的溫度場情況下，而且也沒有考慮由底部不斷送入的冷空氣，這說明，在置換通風系統中不能簡單套用經典羽卷流的研究成果，對于置換通風系統中熱源上方的上升氣流的模型，還有待于進一步的分析和研究。

3.3實驗3：垂直局部熱表面

在此部分實驗中，我們將4塊大小為304mm×497mm的電熱膜垂直放置，并圍成一個長方體，安置在測試室的中央，這樣就形成了4個不同朝向的垂直熱表面。每塊電熱膜的最大功率可達1000W，即熱流強度為6Kw/㎡，具體的實驗條件列在表3中。

表3水平熱表面的實驗條件實驗1情況1情況2情況3

冷風送入速度(m/s)0.030.030.03

冷風送入量(m/s)198199199

冷風溫度(℃)20.020.720.9

環境空氣溫度(℃)19.720.619.5

電熱膜熱流量(W)74.195.8110.8

距地面1.5m處壁溫(℃)21.322.622.5

測試室排風溫度(℃)25.428.429.9

電熱膜熱流量(W)4807801000

圖5和圖6分別是測試室內平均垂直溫度曲線和無量綱垂直溫度曲線，實驗結果表明，電熱膜的功率越大，測試室上部區域的越高，但下部區域的溫度無明顯不同，而且，圖5中3種實驗情況下的無量綱溫度曲線幾乎重合，說明垂直熱表面的熱流量的大小不影響溫躍層的高度，這里我們得到了與實驗二相同的結論。

圖5垂直方向溫度曲線

圖6垂直方向無量綱溫度曲線

4．結束語

置換通風的原理簡單，然而機理復雜，室內氣流的流動特性，特別是熱物體上方上升熱氣流及其拾周圍冷空氣的流動模型還沒有完全建立起來，無論是置換通風系統的實驗研究還是計算機住址研究都有待于進一步地深入。