透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)位置分布對(duì)高大空間熱風(fēng)供暖能耗的影響

陸 超, 葉 筱, 亢燕銘, 鐘 珂

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海201620)

透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)位置分布對(duì)高大空間熱風(fēng)供暖能耗的影響

陸 超, 葉 筱, 亢燕銘, 鐘 珂

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海201620)

利用數(shù)值模擬方法探究了玻璃總面積不變時(shí), 玻璃位置對(duì)高大空間熱風(fēng)供暖效果及能耗的影響. 結(jié)果表明: 側(cè)墻上玻璃面積的增大 (即屋頂上玻璃面積的減小) 會(huì)增大室內(nèi)垂直溫度梯度, 減小能量利用率; 通過(guò)增大送風(fēng)速度保證人員空間溫度舒適時(shí), 隨著側(cè)墻上玻璃面積的增大, 供暖能耗大幅上升.

高大空間; 玻璃總面積; 側(cè)墻上玻璃面積; 能量利用率; 能耗

冬季需要供暖的高大空間中, 由于浮力的作用, 熱空氣往往會(huì)上浮, 使熱量在空間上部積累, 導(dǎo)致下部人員空間的氣溫較低, 故熱風(fēng)供暖時(shí)的能耗問(wèn)題一直是暖通空調(diào)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)[1-4]. 近年來(lái), 城市建筑中透明圍護(hù)結(jié)構(gòu) (玻璃窗) 的面積比逐漸增大, 進(jìn)一步加劇了高大空間熱風(fēng)供暖時(shí)室內(nèi)空間上部熱空氣積累與下部人員空間熱量需求之間的矛盾[3].

當(dāng)建筑側(cè)墻上存在傳熱系數(shù)較大的透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí), 由于內(nèi)表面溫度較低, 使其附近空氣降溫下沉并在下部堆積, 從而導(dǎo)致高大空間室內(nèi)上下溫差過(guò)大的現(xiàn)象[5-6]. 文獻(xiàn)[1]對(duì)機(jī)場(chǎng)建筑采暖季節(jié)的室內(nèi)溫度分布進(jìn)行了實(shí)測(cè), 發(fā)現(xiàn)地板與天花板之間存在高達(dá)8 ℃的溫差, 熱力分層嚴(yán)重, 與無(wú)熱力分層的情況相比, 供暖負(fù)荷可增加38%左右. 文獻(xiàn)[2]對(duì)高大廠(chǎng)房的氣流組織進(jìn)行了試驗(yàn)研究, 得到了可供高大廠(chǎng)房供暖設(shè)計(jì)計(jì)算參考的一些試驗(yàn)結(jié)果, 但未考慮透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響. 在目前建筑的透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積比明顯增大的情況下, 顯然需要了解玻璃位置對(duì)高大空間熱風(fēng)供暖效果的影響. 文獻(xiàn)[3]曾對(duì)含有大面積玻璃窗的高大空間建筑進(jìn)行過(guò)數(shù)值研究, 結(jié)果表明, 對(duì)于高大空間, 位于側(cè)墻上的大面積玻璃窗會(huì)增大室內(nèi)上下部區(qū)域的溫差, 而位于屋頂?shù)拇竺娣e玻璃窗則能夠減小室內(nèi)垂直方向溫度梯度.

為此, 本文采用數(shù)值模擬的方法, 在玻璃窗總面積不變的前提下, 首先在送風(fēng)參數(shù)不變時(shí), 對(duì)室內(nèi)溫度分布進(jìn)行模擬和分析, 并對(duì)不同情況下的供暖能量利用系數(shù)做出分析; 然后, 在保證人員所在空間熱舒適時(shí), 對(duì)室內(nèi)溫度分布進(jìn)行研究, 并對(duì)不同情況下的供熱量進(jìn)行分析, 以研究透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)在屋頂和側(cè)墻上分布比例的不同對(duì)供暖房間熱環(huán)境和能耗的影響.

1 數(shù)值模型

1.1 物理模型

圖1給出了本文擬研究空間的平面圖. 為便于獲得明確結(jié)果, 設(shè)背景建筑空間為單層, 層高為9.9 m. 相鄰兩柱間的送、回風(fēng)口布置相同. 考慮到圖中空間和流場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性, 本文以水平方向中間位置單元為研究對(duì)象, 以減少數(shù)值模擬所需的空間和時(shí)間成本. 圖1中涂灰部分示出了研究區(qū)域. 考慮到實(shí)際情況, 設(shè)高大空間內(nèi)的氣流組織方式為上送上回形式, 送、回風(fēng)口均設(shè)置在緊貼側(cè)墻的風(fēng)管上, 送、回風(fēng)口尺寸均為0.6 m×0.15 m, 風(fēng)管截面尺寸為0.9 m×0.9 m, 風(fēng)管中心高度為6 m, 送風(fēng)口設(shè)置在風(fēng)管垂直端面上, 其中心高度與風(fēng)管一致, 回風(fēng)口則設(shè)置在風(fēng)管底部水平端面上, 其中心距側(cè)墻0.45 m, 送、回風(fēng)口均位于兩個(gè)柱子正中央, 如圖2所示.

圖1 研究空間平面圖Fig.1 Plan view of the space for study

圖2 研究空間計(jì)算域結(jié)構(gòu)與送、回風(fēng)口布置Fig.2 Computational domain of the space and locations of the inlet and outlet

為獲得簡(jiǎn)單清晰的模擬結(jié)果, 考慮擬研究高大空間的玻璃總面積占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總面積的50%, 透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)在屋頂和側(cè)墻上的分配比例不同的情況下, 模擬室內(nèi)的溫度分布和能耗特征. 模擬時(shí), 分別對(duì)側(cè)墻上玻璃面積 (Awall) 占總玻璃面積 (Atotal) 的比例β(即β=Awall/Atotal) 分別為0/3、1/3、2/3和3/3等工況進(jìn)行研究. 圖2給出了所研究空間的幾何形狀、送回風(fēng)口位置和典型平面, 圖中編號(hào)1～6為可能設(shè)置玻璃 (透明圍護(hù)結(jié)構(gòu), 每一塊的面積均為18 m2) 的位置, 具體分布情況如表1所示.

表1 不同工況不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)分布情況

房間冬季供暖時(shí), 雖然室內(nèi)熱源可以在一定程度上抵消一部分熱負(fù)荷, 但對(duì)室內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)影響甚微[7], 故在模擬時(shí), 將忽略室內(nèi)熱源的作用. 由于透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu), 內(nèi)表面溫度相對(duì)較低, 因此, 模擬時(shí), 本文將實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁溫度設(shè)為tw=17 ℃, 玻璃窗內(nèi)壁溫度設(shè)為tg=9 ℃, 此外, 考慮到土壤的溫度延遲效應(yīng)[2], 模擬時(shí)將地面設(shè)為絕熱條件. 送風(fēng)角度設(shè)為水平向下30°, 送風(fēng)速度設(shè)為us=3 m/s, 送風(fēng)溫度設(shè)為ts=28 ℃. 由于送風(fēng)時(shí)室內(nèi)維持微正壓, 故模擬時(shí)不考慮冷風(fēng)滲透的影響. 另外冬季最不利工況是陰天, 因此模擬時(shí)認(rèn)為無(wú)太陽(yáng)輻射.

1.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模擬時(shí), 假設(shè)送風(fēng)狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定, 室內(nèi)空氣物性參數(shù)為常數(shù), 氣流流動(dòng)為三維連續(xù)不可壓縮流[4]. 采用隔離法求解控制方程, 并采用SIMPLE算法控制壓力和速度的耦合. 關(guān)于方程的離散化, 采用二階迎風(fēng)格式, 以便獲得較為精確的解.

考慮到室內(nèi)上下區(qū)域溫差在10 ℃左右, 按照通常的方法, 采用Boussinesq近似[8]簡(jiǎn)化對(duì)浮力項(xiàng)的處理. 此外, 固體壁面滿(mǎn)足無(wú)滲透和無(wú)滑移條件, 采用velocity-inlet和outflow條件分別處理送、回風(fēng)口數(shù)值條件. 模型采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分, 并由送、回風(fēng)口和傳熱壁面向模型空間內(nèi)部做網(wǎng)格加密.

1.3 數(shù)學(xué)模型的合理性驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的合理性, 在人工氣候室內(nèi), 進(jìn)行了熱風(fēng)供暖房間內(nèi)部空氣溫度和速度的試驗(yàn)測(cè)定. 試驗(yàn)所采用的人工氣候室內(nèi)部尺寸為3.6 m×3.0 m×2.6 m (長(zhǎng)×寬×高), 氣候室內(nèi)設(shè)置了尺寸均為0.35 m×0.25 m (長(zhǎng)×寬) 的雙層百葉送、回風(fēng)口, 送風(fēng)速度為2 m/s, 而送風(fēng)溫度為30 ℃, 采用與隨后將模擬的高大空間熱風(fēng)供暖相同的氣流組織形式, 即上送上回的送風(fēng)方式. 實(shí)測(cè)時(shí), 在人工氣候室中適當(dāng)位置設(shè)置4根豎直測(cè)桿 (每根測(cè)桿包含縱向排列的7個(gè)測(cè)點(diǎn)), 以記錄房間高度方向不同位置處溫度與氣流速度的平均值. 詳細(xì)實(shí)測(cè)方法見(jiàn)文獻(xiàn)[9]的描述.

驗(yàn)證試驗(yàn)中, 測(cè)桿上沿z方向 (高度方向) 固定點(diǎn)處氣溫測(cè)量采用Humlog-20型 (奧地利E+E公司) 測(cè)溫儀, 分辨率為0.1 ℃; 氣流速度測(cè)量采用HD103T.0型 (意大利Delta公司) 萬(wàn)向風(fēng)速儀, 量程為0.05～5.00 m/s, 測(cè)量精度為±3%, 分辨率為0.01 m/s. 試驗(yàn)過(guò)程中, 待室內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)穩(wěn)定后 (持續(xù)送風(fēng)5～6 h), 方才讀取測(cè)量值, 數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取和存儲(chǔ), 與氣候室的自動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步.

另一方面, 根據(jù)氣候室的幾何和氣流參數(shù), 對(duì)驗(yàn)證工況進(jìn)行了數(shù)值模擬, 通過(guò)將模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析, 驗(yàn)證本文所用CFD (computational fluid dynamics) 模型對(duì)高大空間數(shù)值模擬的適用性. 圖3給出了1、3號(hào)測(cè)桿實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果的比較結(jié)果, 2、4號(hào)測(cè)桿的對(duì)比結(jié)果類(lèi)似, 故不再給出.

由圖3可以看出, 對(duì)氣候室內(nèi)的溫度和速度場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好, 僅在某些位置的模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定偏差. 這主要是由于試驗(yàn)過(guò)程中門(mén)的開(kāi)啟以及冷風(fēng)滲透等造成的. 同時(shí), 因氣流速度較低, 故測(cè)量會(huì)有一定誤差. 對(duì)比模擬與實(shí)測(cè)得到的溫度和速度數(shù)據(jù), 數(shù)值模型本身的誤差相對(duì)較小, 因此, 總體上可認(rèn)為本文使用的數(shù)值模擬方法可用于隨后將要進(jìn)行的模擬研究.

圖3 垂直溫度和速度實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值的對(duì)比 (1、3號(hào)測(cè)桿)Fig.3 Comparison of the numerical results and experimental data of the vertical temperature and velocity distributions (poles 1 and 3)

2 數(shù)值結(jié)果與分析

2.1 送風(fēng)參數(shù)不變時(shí)玻璃位置對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)的影響

為了探究玻璃位置對(duì)高大空間室內(nèi)溫度場(chǎng)的影響, 當(dāng)送風(fēng)溫度ts=28 ℃, 送風(fēng)速度us=3 m/s, 玻璃總面積相同 (占外圍護(hù)結(jié)構(gòu)總面積的50%) 時(shí), 玻璃位于不同位置時(shí), 穿過(guò)送、回風(fēng)口中心的剖面(x=3 m) 上的氣流流線(xiàn)與溫度分布的模擬結(jié)果如圖4所示.

(a) β=0/3 (b) β=1/3

(c) β=2/3 (d) β=3/3圖4 相同送風(fēng)參數(shù)時(shí)過(guò)送、回風(fēng)口中心平面上的流線(xiàn)與溫度模擬結(jié)果Fig.4 Numerical results of the streamlines and temperature distributions on the plane of inlet and outlet center with the same air supply parameters

由圖4可以看出, 熱風(fēng)送出以后, 由于溫度高于周?chē)諝鉁囟? 并且送風(fēng)射流末端速度衰減較快, 送風(fēng)氣流最終在熱浮力作用下尾部向上彎曲, 在房間上部形成氣流渦旋. 比較圖4(a) ～ 4(d)可知, 盡管玻璃總面積相等, 即圍護(hù)結(jié)構(gòu)平均傳熱系數(shù)相同, 但是大部分玻璃面積位于屋頂時(shí) (如圖4(a)和4(b)所示) 的室內(nèi)氣溫分布較均勻, 而玻璃面積大部分集中在側(cè)墻上 (如圖4(c)和4(d)所示) 時(shí), 室內(nèi)上下溫差很大.隨著側(cè)墻上的玻璃面積增加, 人員工作區(qū) (2 m以下空間) 的氣溫越來(lái)越低. 造成這種現(xiàn)象的原因： 玻璃面積位于垂直表面和水平表面時(shí), 其附近被冷卻的空氣的流動(dòng)狀態(tài)不同, 進(jìn)而影響到室內(nèi)空氣的混合程度.

圖5給出了與圖4工況對(duì)應(yīng)的沿房間進(jìn)深方向典型平面上 (y=3 m) 的二次流流線(xiàn)與室內(nèi)氣流速度的模擬結(jié)果.

(a) β=0/3 (b) β=1/3

(c) β=2/3 (d) β=3/3圖5 相同送風(fēng)參數(shù)下室內(nèi)典型平面上的二次流流線(xiàn)與速度模擬結(jié)果Fig.5 Numerical results of the second flow streamlines and velocity distributions on the typical planes with same air supply conditions

由圖5可知, 全部玻璃面積均集中在屋頂 (即作為天窗) 時(shí), 二次流形成的渦流范圍遍及整個(gè)房間高度, 房間上部與下部的氣流速度均較高且相近. 隨著屋頂上玻璃面積的減少, 側(cè)墻上玻璃面積的增大, 二次流逐漸形成上下兩個(gè)獨(dú)立的流動(dòng)形態(tài), 氣流速度分布越來(lái)越不均勻, 下部氣流速度明顯減小, 并且其流線(xiàn)獨(dú)立于上部渦流之外, 這種流動(dòng)形態(tài)大大阻礙了上部熱空氣與下部冷空氣的有效混合, 進(jìn)而導(dǎo)致隨著側(cè)墻上玻璃面積的增加, 圖4所示的室內(nèi)熱分層現(xiàn)象加劇.

當(dāng)玻璃位于不同位置時(shí), 不同送風(fēng)溫度條件下房間中心位置處溫度的垂直分布曲線(xiàn)如圖6所示.

(a) ts=28 ℃ (b) ts=32 ℃圖6 不同送風(fēng)溫度時(shí)房間中心位置溫度垂直分布Fig.6 Vertical temperature profiles at the center of the room with different air supply temperature

從圖6中可以觀(guān)察到, 兩種送風(fēng)溫度下, 各工況均在4 m左右高度出現(xiàn)溫度最大值, 該高度即送風(fēng)射流開(kāi)始向上彎曲的位置, 在此高度以上空間的溫度分布很均勻, 其以下空間出現(xiàn)明顯的溫度梯度.

玻璃位置不影響室內(nèi)溫度分層界面高度, 但對(duì)室內(nèi)上下溫差有顯著影響. 從圖6中還可以看到, 隨著側(cè)墻上的玻璃面積占比增大, 下部空間溫度梯度逐漸增大且平均溫度下降, 而上部空間整體溫度上升且溫度分布始終較均勻. 這是因?yàn)閭?cè)墻上玻璃面積的增加會(huì)加劇冷空氣在下部空間的堆積, 而屋頂上玻璃面積的減少會(huì)削弱室內(nèi)空氣的混合程度, 造成送風(fēng)熱量難以進(jìn)入下部空間, 大部分送風(fēng)熱空氣聚集在上部空間進(jìn)行局部混合.

比較圖6(a)和6(b)可知, 送風(fēng)溫度提高后, 由于送風(fēng)氣流受到的熱浮力增強(qiáng), 上部溫度進(jìn)一步升高, 而下部溫度梯度進(jìn)一步增大, 室內(nèi)熱分層現(xiàn)象加劇, 上下溫差最大可達(dá)6 ℃.

上述分析結(jié)果表明, 隨著側(cè)墻上的玻璃面積占比增大, 送風(fēng)氣流到達(dá)人員空間的難度逐漸增大. 供暖能量利用率可以反映熱風(fēng)能量的利用情況, 其表達(dá)式為:

(1)

式中:η為供暖能量利用率;ts為送風(fēng)溫度, ℃;tp為全空間平均溫度, ℃;t2m為2 m以下空間平均溫度, ℃. 進(jìn)入2 m以下空間的熱量越多, 則t2m越大, 進(jìn)而η越大, 表明能量利用效果越好.

當(dāng)送風(fēng)溫度不同、玻璃面積占外圍護(hù)結(jié)構(gòu)總面積50%時(shí), 玻璃位置分布不同時(shí)的供暖能量利用率如圖7所示. 由圖7可以看到, 隨著側(cè)墻上玻璃面積的增大 (即同時(shí)屋頂上玻璃面積的減小), 供暖能量利用率逐步降低, 透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)集中在屋頂時(shí)的能量利用率比集中在側(cè)墻時(shí)高22%.圖7中的結(jié)果還表明, 對(duì)于本文討論的工況, 送風(fēng)溫度較低 (28 ℃) 時(shí), 熱浮力作用相對(duì)較弱, 故總體而言, 能量利用率相對(duì)較高.

圖7 不同送風(fēng)溫度時(shí)房間供暖能量利用率與玻璃位置的關(guān)系Fig.7 Relationship between heating energy-using coefficient and glass position for different air supply temperature

2.2 玻璃位置分布對(duì)室內(nèi)供暖能耗的影響

為了研究玻璃位置對(duì)高大空間室內(nèi)供暖能耗的影響, 必須在保證人員空間溫度滿(mǎn)足舒適要求 (t2m=(20±0.5) ℃) 的前提下, 對(duì)不同工況供熱量進(jìn)行比較. 前文研究結(jié)果表明, 通過(guò)提高送風(fēng)溫度來(lái)保證人員空間達(dá)到溫度舒適要求，這并非良策, 故本節(jié)采用改變送風(fēng)速度的方式, 以保證人員空間溫度達(dá)到舒適要求.

當(dāng)送風(fēng)溫度為28 ℃, 玻璃位于不同位置, 2 m高度以下的人員空間平均溫度為 (20±0.5) ℃時(shí), 穿過(guò)送、回風(fēng)口中心剖面 (x=3 m) 上的氣流流線(xiàn)與溫度分布的模擬結(jié)果如圖8所示.

從圖8中可以觀(guān)察到, 隨著側(cè)墻上玻璃面積的增大, 為保證人員空間平均溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求, 送風(fēng)速度增大, 進(jìn)而送風(fēng)射流彎曲的程度較輕, 出現(xiàn)了送風(fēng)射流與對(duì)稱(chēng)送風(fēng)射流 (圖8中為對(duì)稱(chēng)面) 相撞的現(xiàn)象, 并將部分熱空氣擠壓進(jìn)入下部空間. 盡管隨著送風(fēng)慣性力增強(qiáng), 熱射流開(kāi)始上浮的位置高度逐步下降, 但是在沿側(cè)墻上玻璃冷表面下沉的冷空氣作用下, 室內(nèi)上下溫差反而增大.

(a) β=0/3, us=3 m/s (b) β=1/3, us=3 m/s

(c) β=2/3, us=3.6 m/s (d) β=3/3, us=4.2 m/s圖8 過(guò)送、回風(fēng)口中心平面上的流線(xiàn)與溫度模擬結(jié)果Fig.8 Numerical results of the streamlines and temperature distributions on the plane of inlet and outlet center

送風(fēng)速度的增大必然導(dǎo)致能耗的增加, 而能耗主要由風(fēng)機(jī)能耗和制熱能耗組成. 風(fēng)機(jī)能耗的表達(dá)式為

(2)

式中:Efan為風(fēng)機(jī)能耗, W;G為送風(fēng)體積流量, m3/s; Δp為風(fēng)機(jī)的全壓降, Pa;ηfan為風(fēng)機(jī)總效率, 其中包含機(jī)械效率 (一般為85%);m為送風(fēng)質(zhì)量流量, kg/s;ρ為空氣密度, kg/m3.其中Δp的表達(dá)式為

(3)

式中: 系數(shù)K取決于風(fēng)管特性. 因而風(fēng)機(jī)能耗的表達(dá)式可化為

(4)

式中:us為送風(fēng)速度, m/s;S為風(fēng)口面積, m2;θ為送風(fēng)角度.

制熱能耗的表達(dá)式為

Eheat=usSρc(ts-tc)cosθ

(5)

式中:Eheat為制熱能耗, W;c為空氣定壓比熱容, J/(kg· ℃);ts為送風(fēng)溫度, ℃;tc為新回風(fēng)混合溫度, ℃. 本文送風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)比取15%[10], 設(shè)室外溫度為0 ℃.

以室內(nèi)溫度分布最均勻的工況 (即透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)全部集中在屋頂、us=3 m/s) 為基準(zhǔn)能耗, 計(jì)算隨著側(cè)墻上的玻璃面積占比增大而造成的送風(fēng)量和供暖能耗的增長(zhǎng)率, 其表達(dá)式為

(6)

式中:εi為送風(fēng)量或供暖能耗的增長(zhǎng)率;E為送風(fēng)量或能耗, W;i=1, 2, 3, 依次表示送風(fēng)量, 制熱能耗和風(fēng)機(jī)能耗;j=0, 1, 2, 3, 依次表示側(cè)墻上的玻璃面積占比為0/3, 1/3, 2/3, 3/3等4個(gè)工況.

根據(jù)式(6)和模擬數(shù)據(jù)計(jì)算可得到風(fēng)機(jī)能耗和制熱能耗隨著側(cè)窗面積增大的增加率, 結(jié)果如圖9所示.

圖9 不同工況送風(fēng)量以及供暖能耗的比較Fig.9 Comparison of supply air volume and heating energy consumpution for different conditions

由圖9可知, 隨著側(cè)墻上的玻璃面積占比由0/3 提高到3/3 (同時(shí)屋頂上的玻璃面積減小) 時(shí), 盡管送風(fēng)量增大了40%, 但由于回風(fēng)溫度增加, 使得制熱能耗的增加率小于送風(fēng)量增加率, 約為25%， 但風(fēng)機(jī)能耗增加率非常大, 高達(dá)174%.

3 結(jié) 語(yǔ)

高大空間冬季室內(nèi)采用分層熱風(fēng)供暖時(shí), 將固定面積的玻璃以不同的比例分配到屋頂和側(cè)墻上, 會(huì)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境和能耗產(chǎn)生影響. 本文采用數(shù)值模擬的方法, 對(duì)含有大面積透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的典型高大空間室內(nèi)溫度場(chǎng)和供熱量進(jìn)行研究, 討論了送風(fēng)參數(shù)不變時(shí)透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)在側(cè)墻和屋頂?shù)姆峙浔壤龑?duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)和能耗的影響, 得到下述主要結(jié)論:

(1) 送風(fēng)參數(shù)和透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)總面積一定時(shí), 隨著玻璃面積逐漸由屋頂向側(cè)墻遷移, 沿側(cè)墻上玻璃冷表面下沉的冷空氣使得人員空間溫度顯著下降, 供暖能量利用系數(shù)也隨之下降， 此時(shí)提高送風(fēng)溫度對(duì)提升人員空間溫度的作用很有限.

(2) 通過(guò)改變送風(fēng)速度來(lái)保證人員空間溫度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求時(shí), 所需的送風(fēng)速度隨著側(cè)墻上的玻璃面積占比增加而增大, 最終使得制熱能耗小幅增加, 而風(fēng)機(jī)能耗大幅增加. 在本文計(jì)算條件下, 全部玻璃布置在側(cè)墻時(shí)相比布置在天窗時(shí), 制熱能耗增加率為25%, 風(fēng)機(jī)能耗增加率將可達(dá)174%.

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(責(zé)任編輯：劉園園)

Effects of the Location and Distribution of Transparent Envelope on Energy Consumption of Room Heating in Large-Height Spaces

LUChao,YEXiao,KANGYanming,ZHONGKe

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Numerical simulations are employed to explore the influences of the position of glass on room heating and energy consumption in a large-height space with a constant total glass area. The results show that when the area of the glass set on the side wall is increased (i.e., the area of glass set on the roof is decreased), the vertical temperature gradient will increase as well and the energy-using coefficient will drop; when the thermal comfort in the occupied zone is ensured by increasing the air supply velocity, the heating energy consumption increases substantially with increasing the area of glass on the side wall.

large-height space; total area of glass; area of glass set on the side wall; energy-using coefficient; energy consumption

1671-0444 (2017)02-0260-06

2016-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51278094)；上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)資助項(xiàng)目 (13ZZ054)

陸 超(1992—)，男，浙江紹興人，碩士研究生，研究方向?yàn)榫G色能源利用技術(shù)與建筑節(jié)能.E-mail: 2141213@mail.dhu.edu.cn 鐘 珂(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail: zhongkeyx@dhu.edu.cn

TU 831.3

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