太阳辐射置换通风管理论文

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1．概述

置换通风系统从它最早在北欧的出现和使用，至今已有二十多年的，但由于它在保证室内空气品质方面的突出表现，近年来仍倍受巨人瞩目，1999年被列入“欧盟第五框架计划”支持的研究项目，项目主要负责人D.Blay是笔者博士导师，因而有幸参加了该项目的部分研究。在第一阶段研究过程中，我们对室内单一热源的情况进行了实验研究［1-3］和计算机住址研究［4］，得到了单一热源下置换通风系统的温度场和速度场，结果表明：(1)热源的存在不影响水平方向上的温度的均匀度；(2)除热源上方有较明显的上升气流外，整个速度场均匀、平稳，呈层流或低紊流状态；(3)维护结构的热损失对温跃层高度无明显影响，而外部环境温度则使室内温度垂直分布有所改变。继“单一热源”的研究之后，我们在第二阶段对“多热源”［5］的情况又进行了系统的研究，主要侧重于热源之间的相互影响和对置换通风系统温度场的影响，结果表明：(1)双热源的存在降低了单热源情况；(2)辅热源温度的变化并不影响温跃层的高低；辅热源气流流量的大小不影响温跃层的高度，而只是对上部区域的温度有影响。

本文是置换通风系统的系列研究的第三阶段内容，针对透过玻璃窗的太阳辐射对置换通风系统的影响的研究，在置换通风系统的应用中，由于玻璃窗的存在，难免会有太阳的直射辐射透过玻璃窗进入至室内来，照射在地板、家具或其它物品上，形成了局部的热表面区域，这些局部热表面对室内空气具有加热作用，形成自然对流，对室内置换通风平稳的流场进行了干扰。本文旨在提示透过玻璃窗的太阳辐射对置换通风系统的干扰程度，以便能有的放矢的改进、完善置换通风系统，充分发挥这一新型通风模式的优点，为设计者提供设计参数和设计依据，为置换通风系统开辟更好的应用前景。

2．实验装置

本实验是在第二阶段实验一双热源情况的基础上开展的，因此，测试室内已有一主一辅两个热源，为了模拟透过玻璃窗的太阳辐射照射在地板、家具或物品上形成的水平局部表面、倾斜的局部热表面和垂直局部热表面的情况，我们分别采用了电热和电散热器，用覆盖在地板上的电热膜模拟太阳在地板上形成的热表面，用倾斜放置的电散热器模拟太阳辐射在室内形成的倾斜热表面，用垂直放置的电热膜模拟太阳辐射形成的垂直热表面。

在正式实验之前，我们对增加电热膜后系统的稳定性进行了预测试。将4块0.5m×1.0m的电热膜铺在测试室地板的中央，形成的总的热量为240W。使冷风供入量为190m3/h，送风速度为0.03m/s，温度为21.2℃，热源暂关闭，测试室的外环境温度(即大厅内温度)控制在20.3℃。我们连续4天对测试室内垂直方向的温度进行测试，结果表明，增加了电热膜后，在上述的实验条件下，至少需要24小时系统才能达到稳定，此时测得热膜表面温度为36.4℃，测试室距地面1.5m处的壁温为22.6℃，测试室的排风温度为23.8℃。

3．实验结果及分析和讨论

太阳透过玻璃窗进入室内，照射至地板、家具或其它室内物品上，形成或水平的、或垂直的、或成一定角度的局部热表面，因此，我们的实验也分3种情况进行考虑，用电热膜分别模拟水平的局部热表面、垂直的局部热表面和与水平方向成10度角的局部热表面，下面分别介绍3个实验情况。

3.1实验1：热地板

在这部分实验中，为了到表演场灯光对地板形成的全面辐射情况，我们将整个地板都用电热膜进行了覆盖，共有6.5㎡，全部工作时，最大热量可达780W，主热源热风供入量为46m3/h，我们对3种不同的电热膜的热流量的情况进行了测试，实验条件被列在表1中，图1则为我们对垂直方向温度曲线的测试结果。

表1水平热表面的实验条件

实验1情况1情况2情况3

冷风送入速度(m/s)0.030.030.03

冷风送入量(m/s)195195195

冷风温度(℃)21.420.321.2

热气流送入速度(m/s)0.390.390.39

热气流送入量(m3/h)464646

热气流温度(℃)454545

环境空气温度(℃)20.520.121.0

电热膜表面温度(℃)34/29.4

距地面1.5m处壁温(℃)24.521.123.3

测试室排风温度(℃)31.424.628.4

电热膜热流量(W)7800400

从图1我们看到，在3种情况下，置换通风系统的热力分层现象或多或少总是存在的；将3种实验的结果进行比较发现，水平热表面热流量的大小测试室下部及上部区域温度的高低，也影响了温跃层的高度。热地板的存在，增加了室内的余热量，便利整个室内的平均温度变高，垂直温度梯度曲线右移。

图2为无量纲垂直方向温度曲线，随着电热量的增加，温跃层的高度有明显降低，所以，热地板对于置换通风系统来讲，是一个不利因素。对于现有大型体育和文艺表演性场馆，有数据表明，约有三分之一的照明灯的能量被地板吸收，相当地板被加热，如果是采用了置换通风系统的话(事实上，型体育和文艺表演性场馆的首选就是置换通风系统)，对置换通风的效果会有负面影响，但即使这样，热力分层现象仍然存在，垂直方向温度曲线表明，下部人活动区的温度仍然比上部区域低，置换通风系统仍然比混合式通风系统显得合理和经济。为了减小热地板带来的影响，应想方设法选用对长波辐射吸收较低的地板材料，使置换通风系统发挥了出它最大的优越性。

3.2实验2：倾斜局部热表面

我们将一个板式电散热器放置在测试室中央，并与地面成10度角，该散热器的尺寸为110cm×23cm，功率为1000W，冷风送入量仍然是195m3/h，热源被关闭，测试在改变电散热器的热流量的情况下室内的温度，具体的实验条件列在2表中。

表2倾斜热表面的实验条件实验1情况1情况2

冷风送入速度(m/s)0.030.03

冷风送入量(m/s)195195

冷风温度(℃)20.420.8

环境空气温度(℃)19.319.2

距地面1.5m处壁温(℃)22.921.7

测试室排风温度(℃)29.423.6

电热膜热流量(W)880220

图3垂直方向温度曲线

图4垂直方向无量纲温度曲线

图3表示的是测试室内垂直方向温度曲线，我们仍然能够看到热力分层现象，而且倾斜表面的热流量越大，上部区域的温度越高，垂直方向的温度梯度越大，温跃层越明显。事实上，这个局部热表面也就是置换通风系统中的一个室内局部热源，正是它形成的羽卷流，携周围的空气，将热量直接带到上部区域，而使得下部基本不受影响，体现出置换通风系统的优越性。

图4是该情况下的无量纲垂直方向温度曲线，这次我们看到，倾斜表面的热流量的大小不对温跃层的高度产生明显影响。这一结果与我们的第一阶段采用送入热气流来模拟上升气流的实验结果相符［1］，即在冷风供入量不变的条件下，热气流的温度不影响温跃层的高度，与经典的羽卷流的理论有相悖之处［5，6］，但经典的羽卷流理论是在均匀的温度场情况下，而且也没有考虑由底部不断送入的冷空气，这说明，在置换通风系统中不能简单套用经典羽卷流的研究成果，对于置换通风系统中热源上方的上升气流的模型，还有待于进一步的分析和研究。

3.3实验3：垂直局部热表面

在此部分实验中，我们将4块大小为304mm×497mm的电热膜垂直放置，并围成一个长方体，安置在测试室的中央，这样就形成了4个不同朝向的垂直热表面。每块电热膜的最大功率可达1000W，即热流强度为6Kw/㎡，具体的实验条件列在表3中。

表3水平热表面的实验条件实验1情况1情况2情况3

冷风送入速度(m/s)0.030.030.03

冷风送入量(m/s)198199199

冷风温度(℃)20.020.720.9

环境空气温度(℃)19.720.619.5

电热膜热流量(W)74.195.8110.8

距地面1.5m处壁温(℃)21.322.622.5

测试室排风温度(℃)25.428.429.9

电热膜热流量(W)4807801000

图5和图6分别是测试室内平均垂直温度曲线和无量纲垂直温度曲线，实验结果表明，电热膜的功率越大，测试室上部区域的越高，但下部区域的温度无明显不同，而且，图5中3种实验情况下的无量纲温度曲线几乎重合，说明垂直热表面的热流量的大小不影响温跃层的高度，这里我们得到了与实验二相同的结论。

图5垂直方向温度曲线

图6垂直方向无量纲温度曲线

4．结束语

置换通风的原理简单，然而机理复杂，室内气流的流动特性，特别是热物体上方上升热气流及其拾周围冷空气的流动模型还没有完全建立起来，无论是置换通风系统的实验研究还是计算机住址研究都有待于进一步地深入。