热风供暖房间吊扇对温度垂直分布的影响

王时雨 亢燕铭

东华大学环境科学与工程学院

热风供暖房间吊扇对温度垂直分布的影响

王时雨 亢燕铭

东华大学环境科学与工程学院

冬季热风供暖房间由于空调系统参数的不合理以及热空气的上浮，工作区温度往往达不到要求。为提高热舒适，一个有效措施是开启办公室吊扇来驱使贴附在房间顶棚位置的热空气向下运动。本实验针对上海某办公室，研究了不同工况吊扇开启前后室内垂直方向不同高度测点温度的变化。实验结果表明：吊扇开启后工作区温度明显升高，室内温度梯度减小，热量利用率大幅提升，节能效果显著。

热风供暖热舒适吊扇温度梯度节能效果

0 引言

风机盘管空调系统设计时通常只考虑夏季供冷，然后校核冬季供热，粗略的空调系统设计会导致冬季送风参数的不合理。同时，热风供暖房间由于热空气的上浮导致垂直方向温度梯度过大，室内人员静坐工作时会有冷感，对热舒适和热量利用率造成不良的影响[1～2]。集中供热系统调节不当造成的能量浪费有时高达总供热量的20%～30%[3]。文献[4]中利用空气循环将房间上部热空气转移到工作区，但是重新改造空调系统工程量很大并且难以实现。文献[5]研究了高大空间建筑中分层空调的应用，但不能对常见办公室供暖提供有效的参考。为提高热舒适，很多人会打开办公室吊扇来驱使贴附在房间顶棚位置的热空气向下运动。吊扇开启后形成机械通风，稳定且便于控制，有利于提高热舒适和空气品质[6]。

本文研究了华东地区某办公室在不同送风速度下吊扇开启前后垂直方向温度梯度的变化以及对热舒适的影响，并针对其中一种工况定量分析了温度变化值和达到的节能效果，对工程实际应用具有一定的参考意义。

1 实验布置和工况介绍

实验实测了华东地区某高校办公室冬季集中供暖时的室内热环境，送风方式是风机盘管侧送风，空调机组为直燃式溴化锂机组。此办公室位于顶楼，东、西两侧隔壁房间均为供暖房间，南墙外侧是内走道，北墙为外墙，窗墙比约为82%。房间尺寸为5.4m×3.6m× 4.0m（长×宽×高）。

本实验在房间中心位置同一垂直线上均匀布置6个测点，布点高度分别为0.0m、0.8m、1.6m、2.4m、3.2m、4.0m，每个测点均有一台温湿度CO2测量仪。另外送、回风口也各布置一台温湿度CO2测量仪，仪器型号为Humlog20，温度分辨率0.1℃，采样时间间隔为30s，记录数据时间间隔为1min。

实验对办公室的四种工况进行了测量，四种工况如表1所示。

表1 实验工况特性参数

表1中所示四种工况房间初始温度可以认为都是20℃，此初始温度在办公室建筑室内环境控制参数范围内，符合常见集中供暖办公室的作息规律和温度变化规律[7]。

2 实测温度随时间变化

表1列出的四种工况下温度随时间变化曲线如图1至图4所示。

图1 A工况空气温度实测结果

图2 B工况空气温度实测结果

图3 C工况空气温度实测结果

图4 D工况空气温度实测结果

如图1至图4所示，待室内热环境相对稳定后打开吊扇，可以明显观测到房间上半部空间非工作区的温度急剧下降。与此同时，房间下半部空间工作区的温度会明显提高，地面处测点的温度甚至升高超过7℃。吊扇开启后不同高度测点温度逐渐趋于一致，说明垂直方向温度梯度减小，开启吊扇的效果显著。当吊扇关闭后，不同高度测点之间的温度差值重新增加，直至中央空调停止供暖。因送风速度和吊扇开启时间不同，四种工况的温度实测结果存在一定差异。

3 室内热环境和节能效应分析

3.1混合阶段和非混合阶段的室内热环境

定义开启吊扇期间为混合阶段，不开启吊扇期间为非混合阶段。同时规定房间2m以上高度空间为非工作区，2m以下高度空间为工作区。在非混合阶段，近似认为温度达到峰值温度的90%时为稳定期。以D工况为例，分别计算D工况混合阶段和非混合阶段稳定期工作区和非工作区的平均温度、工作区和非工作区的温差以及头足温差。头部高度设为1.8m，脚部高度设为0.1m，则头足高度差为1.7m。将混合阶段的温度、温差除以非混合阶段的温度、温差得到相对温度值，可以便于分析温度的相对变化。实测数据和分析结果如图5所示。

从图5可看出，非混合阶段工作区温度过低，不足17℃，不满足文献[8]规定的舒适性空调冬季室内计算参数，并且头足温差超过3℃，超出了室内人员对热舒适要求的最大允许限值[9]。混合阶段非工作区和工作区的温差显著减小，说明有更多的热量到达工作区，热量利用率提高。同时混合阶段工作区的温度明显升高，头足温差不足1℃，说明温度分布更加均匀合理，室内热环境也更加舒适。吊扇开启后人员工作区的平均风速为0.18m/s，满足文献[8]中对冬季采暖建筑活动区风速的要求，室内工作人员没有出现明显的不适现象。

图5 两个阶段稳定期温度对比

3.2混合阶段和非混合阶段非工作区的能量浪费

大型公共建筑中空调能耗占用建筑总能耗的40%～60%[10]，空调系统的节能潜力是巨大的，因此有必要分析能使办公室建筑达到节能的措施及其具体的节能效应。供热时理想的室内热环境应该是非工作区温度t1和工作区温度t2相同，但工程实际中由于热空气的上浮以及空调系统参数设计不合理，非工作区温度t1会比工作区温度t2高很多，而t1对工作人员的热舒适并无影响，因此会造成大量的能量浪费。本实验中北墙窗墙比较大，是产生室内热负荷的主要原因，若忽略邻室传热只考虑北墙散热，可以通过式（1）来计算混合阶段和非混合阶段非工作区实际增加的能量消耗Qex。

式中：K是北墙传热系数，本研究中取4.7W/(m2·K)；F1是非工作区北墙的面积，实际测得为7.2m2。所得结果如图6所示。

从图6可以看出，与混合阶段相比，非混合阶段会额外损失很多热量，非混合阶段比混合阶段多消耗的热量为210W，即使混合阶段吊扇的功率是80W，无论从节能还是热舒适角度来分析，开启吊扇是极为有效的。

图6 混合阶段和非混合阶段能耗分析

4 结论

本文对上海地区某办公室吊扇开启前后室内垂直方向不同高度测点温度随时间的变化进行了实测，分析得出以下结论：

1）吊扇未开启时的非混合阶段工作区温度过低，并且头足温差较大，难以达到热舒适，同时非工作区温度过高，不符合节能要求；

2）吊扇开启后的混合阶段非工作区和工作区温差显著减小，工作区温度明显升高，头足温差不足1℃，热环境更加合理、舒适；

3）与非混合阶段相比，混合阶段的节能效果显著，可以在此基础上降低送风温度以提高空调机组效率并节省更多能量。

[1]巴格斯罗夫斯基.建筑热物理学[M].北京:中国建筑工业出版社,1988

[2]朱颖心.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出社,2009

[3]江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J].暖通空调,2005, 35(5):30-40

[4]J J Costaa,L A Oliveiraa,D Blayb.Turbulent airflow in a room with a two-jet heating ventilation system-a numerical parametric study[J].Energy and Buildings,2000,32(3):327-343

[5]陈雷,任荣.不同分层高度下的空调室内热环境实测分析[J].制冷与空调,2010,24(2):68-70

[6]Emmerich S J,Park J S.Natural ventilation with traditional Korean opening in contemporary house[J].Building and Environment, 2010,45(1):51-57

[7]马最良,姚杨.民用建筑空调设计[M].北京:化学工业出版社, 2009

[8]采暖通风与空气调节设计规范(GB50019-2003)[S].北京:中国计划出版社,2003

[9]ASHRAE.ASHRAE Handbook-Fundamentals[M].Atlanta:Am -erican Society of Heating,Refrigerating and Air-conditioning, Engineers,Inc.,2001

[10]薛志峰,江亿.北京市大型公共建筑用能现状与节能潜力分析[J].暖通空调,2004,34(9):8-10

The Influe nc e of Ce iling Fa ns on Ve rtic a l Te m pe ra ture Dis tribution in Hot Air He a ting Room s

WANG Shi-yu,KANG Yan-ming
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

Because of the unsuitable parameters of air conditioning system and floating of hot air,the temperature of occupied space usually cannot meet the requirement in a hot air heating room.An effective method to improve thermal comfort is opening the ceiling fans,so that roof-attachment hot air can be driven downward.The present experiment discussed the variation of vertical temperature under different operation conditions,which was measured in an actual office in Shanghai.Experimental results showed that the temperature in occupied space rose obviously and temperature gradient reduced.It meant that coefficient of utilization promoted greatly and energy-saving effect was significant.

hot air heating,thermal comfort,ceiling fan,temperature gradient,energy-saving effect

1003-0344（2014）06-019-3

2013-8-21

王时雨（1992～），男，硕士研究生；上海市松江区人民北路2999号东华大学环境科学与工程学院5135室（201620）；021-67792554；

E-mail:napolun1992@sina.com

国家自然科学基金资助项目（No.40975093）