内循环贴附射流对玻璃幕墙辐射不对称影响研究_王泽通.pdf

第 28 卷第 1 期2023 年 2 月新余学院学报JOUNALOFXINYUUNIVESITYVol 28，NO 1Feb 2023内循环贴附射流对玻璃幕墙辐射不对称影响研究 王泽通1，毕晨2，乔俊宇1，金梧凤1(1 天津商业大学机械工程学院，天津300134;2 天津市建筑设计研究院有限公司，天津300074)摘要:针对玻璃幕墙辐射不对称展开研究，采用内循环贴附射流加热玻璃幕墙内表面的方法减缓辐射不对称。通过实验及模拟分析了内循环贴附射流对不对称辐射温度的影响，并提出满足人体舒适度要求的射流策略。结果表明，在室外温度为 20、距玻璃幕墙 1 75 m 以内区域不对称辐射温度大于限值 10 K 时，通过调节内循环贴附射流送风参数可改善这一情况。基于人体舒适度限值要求，讨论和分析了射流角度和风速对辐射不对称温度的影响，得到安装距离为 100 mm、200 mm 时射流角度与最小射流速度耦合的数学模型，为内循环贴附射流系统智能运行策略的建立提供了关键性依据。关键词:内循环贴附射流;不对称辐射温度;幕墙内表面温度;运行策略中图分类号:TH133 3文献标识码:A文章编号:2095 3054(2023)01 0035 09收稿日期:2022 10 11作者简介:王泽通(1998 )，男，河北保定人，天津商业大学 2020 级能源动力专业硕士研究生。玻璃幕墙是一种常见的办公建筑围护结构，其良好的采光让使用者体验感得到提升。然而冬季严寒地区使用者背部靠近玻璃幕墙时，即使玻璃幕墙没有冷风渗透，人体依然不舒适，这是由玻璃幕墙作为冷辐射面造成的。研究表明，室内环境质量严重影响使用者的健康和工作效率1。因此，国内外针对室内辐射不对称及玻璃幕墙辐射不对称的改善做了大量研究。在不对称辐射温度限值的研究方面，McIntyre2利用辐射场的概念来描述空间点的热辐射，并提出了用向量辐射温度 TV(VT)衡量室内环境的不对称性，同时针对冷玻璃窗表面产生的吹风感，确定了室内平均辐射温度与外窗温度的限值。Fanger 等人3 4提出了辐射不对称温度 Tpr(AT)的概念，根据 5%的不满意率，确定了冷墙、暖墙、冷吊顶、暖吊顶四种环境下辐射不对称温度限值，同时指出人体对冷壁面比对暖壁面更加敏感的情况。上述研究都给定了不对称辐射温度相关限值，当逗留区域不对称辐射温度大于 10K 时，冷壁面与房间各壁面温差所产生的辐射不对称会被人体感知，从而产生不适感。在改善玻璃窗辐射不对称方面，Gan5研究了玻璃窗对房间平均辐射温度和人体舒适度的影响，得出大窗分割为小窗、高窄窗代替方窗、双层玻璃窗代替单层玻璃窗等方法可以有效降低辐射不对称。Gi-useppe 等人6研究了辐射玻璃(G)对热舒适度的影响，通过对比普通玻璃幕墙，证实 G 玻璃幕墙不受外部环境波动影响，使用电加热技术的 G 幕墙能够解决辐射不对称问题。上述研究均能有效缓解玻璃窗辐射不对称，但36新余学院学报2023 年受美观、造价等因素的制约，在办公类建筑中无法广泛应用。因此，研究一种不破坏外围护结构、价格低廉、易于安装的方法来解决玻璃幕墙辐射不对称问题变得尤为迫切。鉴于此，本文采用内循环贴附射流加热玻璃幕墙的方法，研究内循环贴附射流对玻璃幕墙不对称辐射温度的影响。1影响因子的确定及取值范围本文以玻璃窗传热理论、贴附射流理论、外窗辐射不对称理论为基础展开研究7。外窗的导热热流密度与外窗内表面温度和外窗导热系数有关，表达式见式(1):q=t1 t2(1)式中:q 为导热热流密度(W/m2);为导热系数(W/mK);t1为内表面壁温();t2为外表面壁温()。非等温射流，射流气体密度与房间内空气密度存在差异，会受到浮升力和惯性力的影响。阿基米德数反映了二者的影响，表达式见式(2):Ar=Gr(e)2(2)式中:Gr 为格拉晓夫数，用于描述浮升力;e 为雷诺数，用于描述流态。不对称辐射温度是评价室内辐射不对称的重要指标，由室内各表面温度和人体与各表面之间的角系数确定，表达式见式(3)、式(4):Tv=Tpr1 Tpr2(3)T4pr=F1T41+F2T42+FNT4N(4)式中:Tpr为平面辐射温度(T);FN为第 N 面的角系数;TN为第 N 面的温度。根据以上理论及相关文献可确定内循环加热玻璃窗内表面温度的影响因子及取值范围，具体见表1。表 1影响因子及取值范围序号影响因子变化范围1房间长宽比1 5/2/2 52房间面积50 100 m23外窗传热系数1 3 1 9 W/m2K4室外温度10 205射流速度0 5 2 5 m/s6射流角度0 907安装距离0 1 0 3 m2实验研究及模型验证实验可准确直观地描述内循环贴附射流对玻璃窗内表面温度加热的影响，但其周期长、成本高，而数值模拟方法适应强、应用面广。因此，本文首先通过实验得到实验数据，再利用数据验证和完善数值模拟，为后续拓展模拟提供可靠的数学模型。2 1实验研究2 1 1实验室环境设置实验室位于建筑节能综合实验室，由受控小室 A(室外环境模拟室)、受控小室 B(测试房间)及贴附射流装置三部分组成。受控小室 A 室尺寸为 3 6 m20 m 24 m，受控小室B 室尺寸为36 m 312 m24 m，两室之间由保温隔热墙及 1 5 m 1 5 m 双层玻璃窗连接，贴附射流装置尺寸为 1 m 0 2 m 0 76 m。其示意图如图 1 所示:第 1 期王泽通，毕晨，乔俊宇，等:内循环贴附射流对玻璃幕墙辐射不对称影响研究37图 1实验室环境示意图2 1 2实验内容为探究内循环贴附射流对玻璃幕墙附近辐射不对称的影响，测试了内循环贴附射流对玻璃幕墙内表面温度的变化情况。如图 1 所示，A 室模拟室外环境，其温度设置为 10，维持温度在 10 0 2;B 室(测试房间)使用空气源热泵供热，温度设置为24，同时开启空气源热泵及射流装置，记录玻璃窗内表面各测点温度数据。选取室外温度 10、玻璃传热系数 2 4 W/m2K、安装距离 100 mm、射流速度 2 m/s、射流角度 60作为研究工况。为保证相关实验准确性，实验时间为 7 小时。2 2模拟研究进行内循环贴附射流加热玻璃窗计算时做出以下假设:(1)室内空气为不可压缩理想流体，流动稳定;(2)贴附射流送风装置送风口送出的风速均匀且一致;(3)贴附射流装置与射流气体无热交换;(4)室内风机盘管与回风管不考虑热交换，热流量为 0。基于以上假设，使用 ICEM 建立物理模型并划分网格，用 Fluent 进行求解。2 2 1模型设置湍流模型选择 NG k 模型，其模型能有效预测竖壁贴附射流的流场分布8。具体模型设置见表 2。表 2模型设置种类选择模型材料空气时间非稳态模型数值模拟方法eynolds 平均法湍流模型NG k 模型壁面函数标准壁面函数数值方法SIMPLE 算法2 2 2边界条件边界条件是使 CFD 问题有定解的必要条件，具体边界条件设置见表 3。38新余学院学报2023 年表 3边界条件设置种类设置入口条件速度、大小、方向、温度均采用实验测量值出口条件均设置为 outflow壁面条件无滑移壁面实验测量值编写 UDF2 3模型验证通过将实验和模拟所得的玻璃窗内表面温度进行比较，判断数值模拟的准确性，监测点如图2 所示。图 2玻璃窗测点图为提高计算效率，物理建模时将玻璃窗与墙体设置在同一平面且厚度均相等，而实验室玻璃窗镶嵌在墙体中，两者厚度不相等，物理模型与实验室物理特征存在偏差(见表 4)，但测点 1、测点 2、测点 3偏差均在允许范围内，可以认为模型基本准确。表 4稳定值误差分析测点稳定时间/s误差/%稳定度/误差/%1实验值102 506 99 9611 49模拟值109 6011 252实验值101 105 412 112 90模拟值106 6012 473实验值100 604 911 344 86模拟值105 5011 923拓展模拟拓展模拟主要研究室外温度、幕墙传热系数、射流送风口距离、射流角度、射流速度对辐射不对称的影响，得到不对称辐射温度与影响因子之间的关系。3 1拓展模拟模型建立3 1 1拓展模拟物理模型选取严寒地区办公室作为模拟对象。房间面积为 100 m2，长宽比为 2:1，高为 3 9 m，玻璃窗采用 12mm 厚空气层的普通中空玻璃。设置四台空调器(标准风量 900 m3/h、制热量 5 kW)，将其均匀布置。贴附射流采用送风宽度为 20 mm 的条型风口。贴附射流送风口距回风口 1 5 m，布置于房间地面上。物理模型如图 3 所示:第 1 期王泽通，毕晨，乔俊宇，等:内循环贴附射流对玻璃幕墙辐射不对称影响研究39图 3物理模型3 1 2数学模型第2 2 节通过实验验证了数学模型的准确性，本节使用第 2 2 1 节的数学模型。3 1 3模拟工况确定及影响因子取值设计不同室外温度及玻璃幕墙传热系数正交模拟工况，研究其对不对称辐射温度的影响并确定玻璃幕墙附近不适区域(表 5)。使用内循环贴附射流对玻璃幕墙内表面进行加热，研究室外温度为 20、传热系数为 1 9 W/m2K 的不利条件下，射流参数对玻璃幕墙不适区域不对称辐射温度的影响(表 6)。表 5无内循环贴附射流正交模拟工况影响因子传热系数(W/m2K)室外温度()取值1 910、15、20表 6内循环贴附射流正交模拟工况影响因子安装距离(mm)射流角度()射流风速(m/s)取值100、200、30030、60、901、1 5、23 2拓展模拟结果分析3 2 1人体与玻璃幕墙距离对 AT 的影响针对未使用内循环贴附射流的情况，通过改变室外温度及玻璃幕墙传热系数，研究人体与玻璃幕墙距离对辐射不对称温度的影响，并确定玻璃幕墙附近不适区域范围。由图 4、图 5 可知，随着人体与玻璃幕墙之间距离的增加，两种情况下的不对称辐射温度均逐渐减小。人体距幕墙0 5 1 75 m 时，不对称辐射温度大于 10 K，此区域使用者会产生不适感。当室外温度降低、幕墙传热系数增加时，不同距离下的不对称辐射温度均有所提高，靠近玻璃幕墙的区域受其影响更为显著。究其原因，是不对称辐射温度受角系数及围护结构内表面温度的综合作用。如图6 所示，当人体距离幕墙0 5 1 75 m 时，幕墙角系数远远大于南墙角系数;当人体与玻璃幕墙距离减小时，玻璃幕墙角系数增加、南墙角系数减小。图 4室外温度对辐射不对称温度影响图 5传热系数对辐射不对称温度影响图 6人体对维护结构角系数的影响40新余学院学报2023 年综上所述，当北方严寒地区室外温度为 20，玻璃幕墙传热系数为 1 9 W/m2K，办公建筑使用传统风机盘管进行供暖时，人体距离玻璃幕墙小于1 75 m 处的不对称辐射温度大于 10K，使用者会感到不舒适。3 2 2内循环贴附射流参数对 AT 的影响基于对内循环贴附射流玻璃幕墙的模拟结果分析，本节主要研究人体距玻璃幕墙0 5 2 m 处，内循环贴附射流参数对辐射不对称温度的影响。3 2 2 1安装距离对 AT 的影响考虑到内循环贴附射流装置的安装问题，首先对内循环贴附射流送风口与玻璃幕墙的水平距离即安装距离展开研究。本文选取射流速度为 1 5 m/s、射流角度为 60进行分析。由图7 可知，射流速度、射流角度一定时，减小安装距离可使玻璃幕墙附近辐射不对称温度衰减且不适范围减小。究其原因，是由于射流主体基于“康达效应”与玻璃幕墙内表面形成竖向贴附区，此区域强化了对流换热，从而提高了玻璃幕墙内表面温度。当安装距离增加时，玻璃幕墙侧压力增加压差减小，贴附效果较差，不能有效强化对流传热。综上所述，内循环贴附射流在实际应用中，应尽量减小安装距离。图 7安装距离对辐射不对称温度的影响3 2 2 2射流速度对 AT 的影响选取安装距离为 200 mm，射流角度为 60的工况进行分析。由图8 可知，内循环贴附射流在不同安装距离、不同射流角度条件下，随着内循环贴附射流风速的提高，玻璃幕墙不对称辐射温度均有所下降，不适区域范围均有所减小。究其原因，当流速增大时，对流换热系数增大，贴附层空气与