本文摘自論文《高大空間空氣處理機采暖性能研究》作者：朱彥波
摘要
相比常規單體建築，高大空間冬建築具有高度高、跨度大的幾何特征，使得其冬季采暖較為複雜，容易產生嚴重的垂直溫度分層以及水平舒適度分布不均勻的問題，上部空氣溫度過高導致無用耗熱量增大，進而采暖運行能耗顯著升高。盡管國內外學者對此作了大量的研究和發展，但目前的采暖方式仍難以很好地解決該問題，其根本原因在於無法解決熱空氣上浮。為此，本文提出一種能夠很好解決垂直溫度熱分層現象的采暖方式–––高大空間空氣處理機。
本文首先對高大空間空氣處理機進行了現場試驗，檢驗其解決不利溫度熱分層現象的能力；與理論計算結果進行比較，探尋高大空間空氣處理機采暖的設計計算方法；並在試驗條件下進行了數值模擬計算，與試驗結果進行比較，驗證數值模擬在預測高大空間空氣處理機溫度分布及氣流組織的準確性；提出可提供新風的新型采暖方式–––一種冷風環繞式熱風分散采暖裝置，並進行了數值模擬，驗證其采暖效果；采用CFD計算方法對五種不同采暖方式進行仿真計算，比較不同采暖方式的采暖、節能效果；最後考慮到溫度分層的不同，已有的熱負荷計算方式不適於高大空間空氣處理機的采暖熱負荷計算，本文提出通過區域模型法對高大空間空氣處理機采暖熱負荷進行計算，並與CFD計算結果比較，驗證其可行性。
本文的研究表明，高大空間空氣處理機能夠滿足采暖舒適度要求，可較好地解決不利垂直溫度熱分層問題，能夠實現良好的節能效果。而在需要提供新風時，冷風環繞式熱風分散采暖裝置的采暖、節能效果更佳。同時區域模型法相比其他計算方法，能夠更加準確、快速地計算高大空間空氣處理機的采暖熱負荷。
本文的研究內容將會較好地解決高大空間冬季采暖的關鍵問題，並為設計人員提供了重要的參考價值。
第 1 章
緒 論
1.1
課題來源及研究的目的和意義
1.1.1
課題來源
與企業協作課題，研究和開發更加高效、節能的高大空間冬季采暖設備。
1.1.2
課題研究的目的和意義
隨著經濟的飛速發展，生活質量不斷提高，人們對室內環境的舒適度要求逐年攀升，導致為達到要求的舒適度而產生的建築能耗越來越高，根據前瞻產業研究院《2013-2017年中國智能建築行業市場前景與投資戰略規劃分析報告》數據顯示，我國建築能耗在能源總消費量中所占的比例逐年攀升，由二十世紀七十年代末10%
的比例，上升到如今的 27.45% ，逐漸接近三成[ 1 ]。目前我國城鎮民用建築運行耗電已占總發電量的22-24%[ 2 - 3 ]。國家建設部科技司的相關研究表明，在城市化不斷的推進，城市人口逐年增加，同時人民的生活質量要求也在提高，最終我國建築耗能所占的比重甚至將會達到35%[ 4 ] 。顯然，建築耗能將會成為我國經濟發展過程中必須重視的一個問題。而在建築能耗中，采暖、空調能耗又占有主要比例，約為2/3左右[5]。因此，減少建築采暖、空調能耗刻不容緩。
近年來，由於經濟的發展、技術的進步、行業的需求，高大空間建築的出現頻率越來越高，充斥於各類公共建築、商業建築、工業建築中，如機場、車站、廠房、商場等等。高大空間建築具有高度高、空間大、人員活動區域相對較小的特點，致使在冬季進行采暖時，氣流組織分布異常複雜，熱氣流在浮力的作用下上升，溫度較高的空氣容易集聚在無人員停留的上部區域，熱量通過屋麵直接散失到室外，而人員活動區的下部因為得不到充足的熱量溫度明顯低於上部，產生熱分層現象，使得上部空間熱量耗散嚴重，造成能量的極大浪費。因此，高大空間建築的采暖、空調能耗節能潛力巨大，研究一種適用於高大空間、並能減少熱分層現象的采暖方式至關重要。
1.2
國內外研究現狀及分析
1.2.1
國外研究現狀
高大空間在冬季采用傳統方式進行采暖時，熱空氣會在浮力的作用下上升，使得整個空間在垂直方向上產生溫度分層，上部空間的溫度明顯要高於下部工作區的溫度，為使工作區保持一定的溫度，隻能依靠增加供熱量，而且溫差越大，增加量也越多，因此，垂直溫差一直是國內外研究高大空間采暖的重點，也是技術瓶頸所在。
Bottcher[6]在研究一個高5.2m的廠房的采暖方式時發現，靠近屋麵處空氣溫度和靠近地麵處空氣溫度相差達到10℃，其采用的采暖方式是，在3m高度處設置一個加熱器，室內空氣靠一個布置於屋麵的風機進行循環。
Dean[7]在對一個建築麵積約3159㎡、高度為6.0m的廠房進行研究時發現，在冬季采暖季，地麵和屋麵附近的空氣溫差不小於5.6℃。
M.N.A.Said和R.A.MacDonald[8]對飛機庫采暖季的熱分層現象進行了測試，並分析了其對能耗的影響，得出結論，當地麵和屋麵溫差達到8℃時，能耗要比沒有垂直熱分層現象時高出近38%，而且屋麵和地麵附近處空氣溫差每增大
1℃，則采暖能耗平均增加4.8%。
可見，垂直溫度分層增加的能耗巨大，必須開發新型采暖方式以減少能耗。
Bagheri和Gorton[9]等人對一個建築麵積為334 ㎡、高度為12.5m的核反應堆設施式的溫度分布進行了測量，他們的目的是評價專門為夏季製冷而設計的分層空調，在采暖季時的性能，結果發現，在采暖季垂直溫差並不大，這表明了分層空調盡管在夏季供冷時能夠產生明顯的溫度分層效果，但在采暖季並不會產生明顯的垂直溫度分層。
Hee-Jin Park 和Dale Holland[10]通過CFD對一個二維區域進行計算模擬，驗證在夏季進行置換送風時，熱源的位置對室內溫度場的影響。結果表明，熱源位置越高，從熱源到下部工作區域的對流換熱越少，進而引起溫度場的變化。即熱源位置越高，垂直溫差越大，溫度分層現象越明顯，而這恰恰對冬季采暖熱源的位置確定具有重要的指導意義。
Josephine Lau[11]通過現場測試和CFD模擬兩種方法對一個高度為25m的中庭的溫度場進行研究，發現采用置換通風時，溫度場將會出現垂直分層現象，但頭、腳的溫度差不超過0.5℃，能夠很好地滿足舒適度要求。
Are Myhren 和Sture Holmberg[12]利用CFD技術比較了在一個采用機械通風的房間內，高溫輻射采暖、中溫輻射采暖、低溫地板輻射采暖和牆壁低溫采暖係統的不同以及對室內溫度場分布的影響，結果表明，低溫采暖係統相比高溫采暖係統，能夠顯著提升室內的熱環境，減小垂直溫差，但缺點是對通風時下沉的冷氣流的阻礙效果差，因此輻射板位置的布置和通風係統的設計顯得異常重要。
Maxime Tye-Gingras 和Louis Gosselin[13]對一個采用頂棚輻射采暖的典型居住房間進行了數值模擬，發現采暖熱媒的溫度對室內不舒適性的影響比輻射板的布置更明顯，因此對於高大空間頂棚輻射采暖係統，最大的挑戰是熱媒的溫度控製，必須綜合成本和技術等因素進行選擇。
1.2.2
國內研究現狀
盡管目前廠房散熱器采暖方式在國內仍占有很大比重，但國內研究人員很早就意識到在對高大空間廠房建築的采暖方式進行選擇時，散熱器不僅很難達到設計要求，而且溫度垂直分層現象嚴重，能耗巨大，尋找更為可靠和節能的采暖方式最早可以追溯到上世紀80年代。
1983年，鄒月琴[14]研究發現，當在高空廠房采用分層空調時，其節能效果可以達到30%，並對通過實驗研究得到了采用分層空調時的負荷變化規律和主要影響因素，進而提出了計算分層空調負荷的方法。
1997年許誌浩、蔡德源等[15]通過k-ε湍流模型對采用橫向熱風幕分層供熱的太原機務廠房，進行了數值計算，並與現場測試對比。結果表明，該采暖方式是完全可行的，能夠顯著改善廠房內溫度分布，很好地抑製了熱氣流的上浮，進而減少上部的熱量損失。
1998年，龔光彩、梅熾等人[16]采用標準k-ε湍流模型對半敞開式大空間的溫度場進行了模擬計算，發現影響其溫度分布的因素主要是幹擾風量的大小、溫度以及送風溫度和速度。
進入21世紀後，隨著科技的進步以及經濟的發展，人們對工作環境的舒適度要求越來越高，傳統的采暖方式已難以達到要求，國內湧現出了各種各樣的高大空間廠房采暖方式，包括熱風采暖、低溫地板輻射采暖、高溫燃氣輻射采暖以及多種采暖方式組合的複合采暖方式。
楊勝峻[17]在對新疆克拉瑪依發電廠的天然氣壓縮機廠房單體進行采暖係統設計時，考慮到建築麵積巨大、層高較高的特點，單純采用一種采暖方式難以滿足采暖要求，選擇散熱器與中溫輻射板的複合采暖方式，運行狀況良好。
李曉燕[18]在設計某聯合廠房采暖方式時，采用散熱器加熱風采暖方式，並在采暖係統運行時進行了現場測試，結果發現盡管工作區溫度、風速達到了設計要求，而且克服了工作區溫度不均勻的問題，但垂直溫度梯度達到了
0.4℃/m，因此上部空間的空氣溫度仍然很高，屋頂散熱量依然很大。
王漢青[19-20]利用CFD技術進行大渦模擬，研究了高大空間上送上回和側送側回兩種情況下的熱分層現象和基本規律，並提出熱分層現象的判斷公式，能夠較好地預測不同采暖方式下的溫度分層現象，有助於高大空間采暖方式的選擇和確定。周權、楊靈豔等人[21]利用CFD模擬技術比較了高大廠房采用散熱器采暖、暖風機采暖和燃氣紅外線采暖三種供暖方式，得出結論，當采用燃氣紅外線采暖方式時，溫度分布明顯優於散熱器采暖。鄧立軍[22]利用計算流體商業軟件FLUENT，對一個采用側送風和低溫地板輻射采暖的中庭進行了模擬分析，發現能夠取得良好供暖效果，除此之外，當地板輻射采暖係統承擔的負荷所占比例達到60%時，效果最好。王海霞、由世俊等人[23]利用CFD模擬軟件
Airpak2.1對天津國際展覽中心新館B展廳進行了模擬分析，其采暖方式為燃氣供暖與分層空調送風相結合，結果表明該采暖方式能夠滿足工作區的舒適性要求，氣流組織設計合理。
1.2.3
國內外研究現狀分析
高大空間建築在進行采暖方式選擇時，通常考慮以下幾個因素：舒適性、能耗、空氣品質[24]，一種好的采暖方式必須同時滿足三方麵的要求。因此，開發新型的采暖方式或設備時，要綜合、全麵考慮各方麵因素，這就對高大空間采暖方式的研究、設計、評價提出了更高的要求。考慮到高大空間高度高、體量大，氣流組織非常複雜，單純使用射流理論為基礎的氣流組織計算很難精確反映事實；而若通過現場測試，工作量巨大，不可控因素多，具有很大的限製性。因此，在計算機發達的今天，計算流體力學技術在高大空間采暖領域的應用已占據主體地位。
早期的研究重點主要在垂直方向溫度分布，發現垂直方向溫差越大，即熱分層現象越嚴重，采暖能耗越大，工作區熱舒適越差，故得出結論，降低熱分層現象的產生是高大空間采暖技術是否可行的關鍵、難點和主要的評價標準，對研究更加高效、節能的采暖方式具有重要的指導意義。
截止到目前，國內外學者提出的常用的幾種高大空間或廠房的采暖方式主要有普通散熱器采暖、輻射采暖和熱風采暖[25]。
（1）普通散熱器采暖：當前我國北方既有的高大廠房，大部分采用該采暖方式。由於高大廠房的麵積很大，造成散熱器的布置困難，使得距離散熱器較遠的區域溫度達不到要求；同時，高大建築的高度很高，導致在使用散熱器采暖時，熱空氣在浮力的作用上升，垂直方向溫度分布不均，產生熱分層現象，造成不必要的能耗，而且熱舒適度也很低，故目前在新建廠房中很少使用。
（2）輻射采暖：又可分為低溫輻射采暖係統、中溫輻射板采暖和高溫燃氣輻射采暖係統[26]。
低溫輻射采暖：由於具有舒適、衛生、溫度分布均勻、熱舒適度高、運行費用低等特點[27-30]，近年來應用廣泛。然而，低溫采暖方式的使用受地麵使用性質、障礙物及地麵荷載的限製，在地麵複雜的高大廠房中，則通常不宜采用。
中溫輻射采暖：在高大廠房中，中溫輻射采暖板通常布置於廠房頂部，也可布置在牆壁上，熱媒多為溫度為95-130℃的蒸汽或者熱水，可以直接取自供熱外網。然而，由於距離人員活動區較遠，熱媒溫度不是很高，導致到達活動區的熱量不足；而且在剛開啟時，室內升溫緩慢，熱舒適度差。
高溫輻射采暖：是指利用天然氣、液化石油氣，在特殊的燃燒裝置—輻射器內燃燒，輻射出各種波長的紅外線進行采暖，通常溫度可以達到幾百攝氏度[31-32]，在滿足相同舒適度的條件下，其室內空氣溫度可比對流采暖低2-3℃[33-34]。然而由於采用天然氣等作為燃料，燃燒溫度很高，安全性較低，使用場合受到極大限製。
（3）熱風采暖：可分為橫向熱風幕分層采暖和循環空氣處理機采暖，類似於暖風機，橫向分層采暖係統通常布置於牆壁上，利用橫向噴射的氣流將空間分為下部工作區和上部非工作區[35]，氣流分布容易受障礙物影響，而且經常受射程的影響；而循環空氣處理機則通常布置於高大廠房的頂部，空氣在風機的加壓下通過換熱器進行加熱，然後通過旋流送風口直接噴射至工作區[36-37]，送風集中，耗散較少，避免產生熱分層現象，降低了能耗水平，提高了熱舒適度，因此循環空氣處理機組采暖應用潛力巨大[38]，對其進行深入研究及改進具有重要意義。
