浴室碰撞射流暖风系统与上送上回系统的对比测试

时间：2024-07-28

向梦婷，喻剑，任天钰，杨秀峰

（扬州大学，江苏扬州 225127）

0 引言

浴霸是家庭必备的沐浴取暖设备，常见类型有灯暖浴霸（灯泡发热）、风暖浴霸（PTC陶瓷发热）和双暖流浴霸（灯暖+风暖）。风暖浴霸的价格低廉，升温迅速，应用广泛，但上送上回的气流组织方式存在上热下冷、吹风感明显等问题。碰撞射流通风（Impinging jet ventilation，IJV）是一种较新的通风方式，兼有置换通风和混合通风的优点［1］，其原理是以较高的动量将气流从一定高度送出，垂直撞击地面后在地面形成“空气湖”，与室内空气换热后在热浮力作用下向上浮升。KARIMIPANAH等［2］研究了密闭空间内的碰撞射流，指出房间几何尺寸对射流的扩散速率和湍流特性有很大影响，且碰撞射流通风的通风效率比置换通风高。VARODOMPUN等［3-4］研究了碰撞射流通风的影响因素和通风效率，结果显示送风速度和送风温度是决定通风性能的重要因素，且碰撞射流通风的能耗小于混合通风和置换通风。CHEN等［5］研究了送风口高度、送风口形状、送风速度等因素对碰撞射流流场的影响，指出送风口形状对碰撞射流通风的影响最大。CHEN等［6］还分析了碰撞射流通风房间内热舒适性的影响因素，认为送风量对室内热舒适性的影响最大，送风口高度和形状的影响相对较小，室内温度分层主要取决于送风温度。YE等［7］采用多元回归分析法研究了碰撞射流供热工况下的热风扩散过程，指出热风扩散距离具有最大值。YE等［8］分析了室外冷风间歇侵入对碰撞射流和混合通风供暖房间的温度分布和能量消耗的影响，指出在不同的大门开启时间下碰撞射流系统形成的地面与吊顶间温差均比混合通风系统小60%，且碰撞射流系统的能量利用率高于混合通风系统。钟珂等［9］研究了供热工况下送风口高度对碰撞射流通风房间内的室内热环境和热舒适性的影响，认为送风口越低，人体吹风感越小，且送风口高度仅对近地面处的空气温度有明显影响。

上述研究均是针对高大或普通空间的碰撞射流通风，但家庭浴室的层高和面积均较小，此类空间内碰撞射流的扩散、浮升情况及室内热环境特性尚不清楚。本研究搭建了浴霸标准试验室，实测了上送上回式暖风系统和碰撞射流式暖风系统对应的室内温度分布，对比分析了两类暖风系统的室内垂直温度分布和人体热舒适性，为碰撞射流式暖风系统的实际运用提供了实测数据和设计参考。

1 试验方案

1.1 试验系统

作者参照GB/T 22769-2008《浴室电加热器具（浴霸）》（以下简称“国标”），在试验室内搭建了一间浴霸标准试验室。试验室的墙壁和天花板由角钢支架和50 mm厚XPS挤塑保温板拼装而成，地面铺设一层50 mm厚的XPS挤塑保温板。试验室外部尺寸为2.00 m×2.00 m×2.80 m（长×宽×高），内部净尺寸为1.80 m×1.80 m×2.20 m（长×宽×高）。试验室外有1台超声波加湿器，试验前利用其为试验室加湿，使试验室的温湿度满足国标规定的初始试验条件（温度16±2 ℃、湿度60%～70%）。浴霸标准试验室如图1所示。

图1 浴霸标准试验室（mm）Fig.1 Standard test room of bathroom heater (mm)

为了测量试验室内垂直方向的温度分布，沿地面对角线布置了3根测杆，测杆1距墙角处的碰撞射流送风竖管最近，测杆2位于试验室中心，测杆3距送风竖管最远。每根测杆上布置9个温度测点，其中0.10，1.10和1.70 m高处为人体站姿时高度方向的重要截面；墙面和天花板中心位置处的保温板内外侧各布置1个测点。试验室内的温度测点如图2所示。每个测点布置1个TTT-30型热电偶（Oemga公司，美国），测量精度为±0.5 ℃。热电偶与Agilent 34970A数据采集仪（Keysight公司，美国）相连，数据采集的时间间隔为10 s。试验过程中待风机运行稳定后，利用SwemaAir300气流测试仪（Swema公司，瑞典）多点测量送风竖管内的风速，进而算得管内平均风速和送风量。

图2 温度测点布置（mm）Fig.2 Configuration of measuring points（mm）

1.2 试验工况

本研究对上送上回式暖风系统和碰撞射流式暖风系统进行了对比测试。传统的风暖浴霸吊装在浴室天花板处，暖空气由浴霸出风口向下送出，向室内空间放热后经浴霸回风口返回浴霸循环加热，气流组织形式为上送上回，如图3（a）所示。本研究对传统风暖浴霸的加热段和送风方式进行了改造，使暖空气经水平风管流入墙角的送风竖管，撞击地面后沿地面水平扩散，进而在热浮力作用下向上浮升，最后经浴霸回风口返回浴霸循环加热，如图3（b）所示。为了改变回风口位置，本研究制作了一个加热装置（PTC加热段+风机），使暖空气与地面碰撞后向上浮升，经顶部角落的回风口吸入加热装置，如图3（c）所示。考虑送风口高度和送风量2个因素，本研究共进行了7组试验，参数详见表1。系统1与系统2均由风暖浴霸的风机驱动，系统2的管道阻力较大，送风量较小；系统3的自制热源的风机功率大于风暖浴霸的风机功率，送风量大于前两个系统的送风量。

图3 浴霸暖风系统Fig.3 Warm air system of bathroom heater

表1 试验工况Tab.1 Experimental conditions

2 试验结果分析

2.1 室内温度分布

图4示出了3种暖风系统运行20 min时室内3根测杆上的实测温度，纵坐标表示测点高度，H为碰撞射流的送风口高度。图中显示，暖风系统一的3根测杆处垂直温度分布均呈现显著的上热下冷特征，高度2.2～1.4 m间为高温区域（51.5～44.5 ℃），1.4～0.8 m间为过渡区域（44.5～19.9 ℃），0.8～0.1 m间为低温区域（19.9～15.3 ℃）。由此可见，上送上回式暖风系统只能将暖空气下送至有限的区域，其原因有二。首先，上送风系统的送风速度不能过大，否则人体会有吹风感；其次，暖空气的热浮力向上，浴霸回风口的抽吸作用也使暖空气向上流动，两因素均限制了上送风过程的送风可及性。

图4中显示，暖风系统2（试验2～4）的3根测杆处的垂直温度分布也是上热下冷，0.1 m至0.45 m的下部区域内垂直温度梯度较大，其他区域的温度梯度比较接近。图4（a）表明，系统2的3个工况中，送风口高度H=100 mm对应的测杆1中下部温度低于H=200 mm和H=250 mm对应的测杆1中下部温度，后2个工况的温度差异较小。图4（b）和4（c）表明，系统2的3个工况中，H较小的工况对应的测杆2和3的中下部温度较低。上述3图表明，送风口高度对系统2的测杆上部温度的影响规律并不明晰。总体来看，系统2中3组试验的3根测杆处的垂直温度分布非常类似，并没有因为3根测杆与送风竖管间的距离差异而形成明显的温度分布差异，这可能是由于3组试验的送风量和送风速度不大，暖空气沿地面对角线方向的扩散距离较短。

图4 3种浴霸暖风系统的室内垂直温度分布Fig.4 The vertical profile of air temperature for three heating systems

暖风系统3（试验5～7）的3根测杆处的垂直温度分布与暖风系统2类似，但测杆1处地面附近的温度较高，这是因为送风量和送风速度较大，暖空气沿地面对角线方向扩散到测杆1附近。总体来看，系统3对应的室内温度比系统2对应的室内温度高7 ℃左右。此外，对系统3而言，H越小，室内中下部温度越高，该规律与系统2相反。由此可见，碰撞射流暖风系统的送回风布置形式、送风量等因素会影响最佳送风口高度。

由实测数据汇总得到的3种浴霸暖风系统对应的室内垂直温度分布特性参数见表2。该表显示，浴霸暖风系统1（上送上回）对应的室内平均温度较高，但室内垂直温差和垂直温度梯度远大于其余2种碰撞射流暖风系统，人体会产生“头热脚凉”的不舒适感。在高度0.1～1.7 m的人体站立空间，系统3对应的平均温度最高，垂直方向的温差和温度梯度最小，室内热环境最优。与系统3相比，系统2对应的室内整体温度偏低，其原因是送风量较小。上述现象与文献［10］的结论一致，即暖风供暖末端落地安装时室内气流均匀度较好，垂直温差较小。

表2 3种暖风系统的室内温度分布参数Tab.2 Indoor air temperature distribution parameters for three heating systems

2.2 人体热舒适性

2.2.1 室内温度水平

GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定，冬季采暖房间的温度应高于18 ℃；文献［11］指出，中等运动量时人体皮肤温度32～33 ℃感觉舒适，35～37 ℃开始有热的感觉；文献［12］指出，辐射供暖条件下人体平均皮肤温度在32.7～33 ℃时感觉较舒适。国标规定，标准试验室的初始温度为（16±2）℃，风暖浴霸工作到稳态时平均强制对流温升应不小于9～18 ℃（具体数值取决于电功率），即室内温度应不低于23～36 ℃。考虑到浴室内人员在裸体条件下既要避免空气温度过低导致的人体皮肤散热过多，也要防止空气温度过高而使皮肤散热困难，本研究将浴室舒适温度范围的下限值取为25 ℃，上限值取为35 ℃。

图4中的灰色区域表示25～35 ℃的舒适温度区间。由该图可知，暖风系统1对应的舒适空间为高度0.9～1.2 m之间的区域；系统2由于室内整体温度偏低，仅1.4 m以上区域的温度适宜；系统3基本可使室内全部空间达到舒适温度。

2.2.2 头足温差

有研究表明，受试者处于热中性时，头部周围空气与踝部周围空气间温差越大，不满意率越高。3种暖风系统对应的头足平均温差（即3根测杆上测点2与测点7的平均温差）分别为32.4，6.2，5.3 ℃，碰撞射流暖风系统对应的头足平均温差远小于上送上回式暖风系统对应的头足平均温差。

图5示出ASHRAE standard 55-2017给出的头足温差与不满意率之间的关系，图中系统2和系统3的头足温差对应的不满意率分别为42%和28%，系统1的头足温差对应的不满意率超出标尺范围。图5表明，碰撞射流暖风系统的头足温差对应的不满意率远小于上送上回式暖风系统。

图5 头足温差与人体不满意率Fig.5 Temperature difference between head and foot and dissatisfaction percent

2.2.3 吹风感

GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定，冬季供热工况下室内风速应≤0.2 m/s；文献［11］指出，导致不舒适的最低风速约为0.25 m/s。考虑到浴霸供暖条件下室内温度比普通供暖房间的温度高，人体皮肤对空气流动的耐受性好一些，本研究将吹风感的临界风速取为0.25 m/s。图6（a）示出了系统1和系统3的4组试验的测杆2（人体站立处）上测点处的空气流速。由图可知，顶送风条件下室内风速分布呈明显的上高下低特征，0.6 m以上空间的风速均大于0.25 m/s，人体头部（1.7 m高）的风速超过1.0 m/s，气流烦扰感明显；碰撞射流工况下室内上部空间的风速几乎为0，下部空间的风速相对较大，但踝部位置的风速仅为0.13～0.2 m/s，无明显的气流烦扰感。中性-冷环境中吹风感引起的不满意率PD与空气的流速、温度和湍流度之间的关系为［13］：

式中 ta——空气温度，℃；

v——空气流速，v<0.05 m/s时取 0.05 m/s；

Tu——空气湍流度，供热工况下取20%。

由PD的表达式可知，ta≥34 ℃或v≤0.05 m/s时，PD=0。图6（b）示出了4组试验的测杆2上各测点处的不满意率PD。对上送上回式暖风系统，由于1.1 m以上区域内ta>34 ℃，故PD=0；1.1 m以下区域内 ta<34 ℃且 v>0.05 m/s，PD>0，最大值为20.5%。对碰撞射流式暖风系统，由于0.45 m以上区域内v≤0.05 m/s，故PD=0；0.45 m以下区域内PD>0，最大值为19.1%。因此，从气流烦扰感和吹风感不满意率看，碰撞射流暖风系统明显优于上送上回式暖风系统。

图6 系统1和系统3的吹风感（测杆2处）Fig.6 Draught discomfort of the first and the third systems（at measuring pole 2）

2.3 送风口高度对碰撞射流暖风系统的影响

以系统3的3组试验为例，分析送风口高度对碰撞射流浴霸暖风系统的影响。由于试验5～7的室内初始温度不尽相同，不应根据室内瞬时温度来评判送风口高度对碰撞射流暖风系统加热性能的影响。

图7（a）示出了3组试验的室内温升情况。由图可见，前200 s内3组试验的室内温升情况基本相同，200 s后室内温升差异逐渐明显，1 200 s时3组试验的温升差异约为2 ℃。总体来说，送风口高度H越大，室内温升越慢。国标规定，风暖浴霸（功率1.95～2.1 kW）工作到热稳态时平均强制对流温升应不小于15 ℃，且达到70%的平均强制对流温升（10.5 ℃）所需时间应不大于600 s。暖风系统3的额定功率为2.0 kW，3组试验对应的室内温升达到10.5 ℃时所用时间分别为370 s（H=100 mm）、415 s（H=200 mm）和 530 s（H=250 mm），均满足国标要求，且送风口越低，室内温升越快，该规律与图4一致。

系统3的3组试验对应的头足平均温差分别为6.3 ℃（H=100 mm）、4.9 ℃（H=200 mm）和4.8 ℃（H=250 mm），可见碰撞射流暖风系统的送风口高度对浴室内头足温差的影响较小，该结论与文献［9］中送风口高度对房间温度分布影响不大的结论一致。

对碰撞射流送风系统来说，射流向下撞击地面的强度以及沿地面水平扩散的距离取决于热浮升力和惯性力的共同作用，两者的相对强弱可以用无量纲参数Ar表示，该参数等于格拉晓夫数Gr与雷诺数 Re平方的比值［14-17］：

式中 g——重力加速度，m/s2；

Lo——送风口的水力直径，m；

Ts——送风射流的初始温度（送风温度），℃；

TA——射流周围环境空气的温度，取0～0.1 m高度间的平均温度，℃；

Vo——射流速度，m/s。

图7（b）示出试验5～7的Ar数变化曲线。由图可知，试验开始后Ar数快速上升到最大，此后缓慢降低，这说明随着送风温度快速升高，热射流浮升力的影响快速显现，但随着室内温度（包括底部区域温度）的升高，热射流浮升力的影响变化很小。3组试验的Ar数在0.135～0.181之间，且送风口高度越小，Ar数越大，这是因为3组试验的射流速度Vo近似相等，射流周围空气的温度相差很小，送风口高度较小情形的回风温度和送风温度均较高，从而使Ar数较大。

图7 送风口高度对碰撞射流暖风系统的影响Fig.7 The effect of discharge height on the heating system by the impinging jet