基于盐水模型实验大空间下送中回分层空调对流转移热探索

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3.0 侯斌 2025-01-09 5 4 7.27MB 118 页 15积分

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摘要

随着暖通空调技术的不断发展和深入研究，下送中回形式的分层空调逐渐被

应用于大空间建筑。分层空调负荷是确定空调系统设备选型的依据，而关于大空间

下送中回分层空调负荷的计算尚没有统一的方法，其中上部非空调区向下部空调

区转移的对流转移热研究鲜见。本文基于实际大空间建筑，设计并搭建盐水模型实

验台，利用盐水实验测得的垂直密度分布转换为垂直温度分布，与原型垂直温度分

布对比，验证所建实验台的准确度。与此同时，本文利用 PIV 测速技术对建筑中

部回风汇流机理进行研究，获得了回风携带非空调区的空气流占比，即回风占比。

最终在盐水模型测得的垂直温度分布和回风占比的基础上，提出了大空间下送中

回分层空调对流转移热的计算方法。

以相似理论为依据，推导得出原型与盐水模型相关的相似准则数主要为阿基

米德数 Ar，在此基础上，设计了以 1:15 模拟大空间下送中回一对送回风末端空气

流动的盐水模型实验台，该实验台具有如下性能：设计电气控制系统以保证所有管

路集中控制启停和水泵变频调节，盐水回收与循环利用，盐水密度可调等功能，根

据原型实测工况范围，该实验台可运行 12~23min，基本满足实验要求。

结合某大空间夏季实验参数，盐水模型选取 3个实验工况，基于盐水实验结

果的温度分布验证结果表明，与原型垂直温度分布基本接近，尤其是回风区域其温

度斜率基本相近。根据汇流理论原理，应用 PIV 技术实测得到的汇流速度矢量，

获得了二维平面汇流速度半经验公式。由此提出了回风携带上部非空调区风量的

回风占比计算方法，针对变风量的两组实验工况，其平均回风占比分别为 34.09%

和33.13%。

利用盐水模型实验获得的垂直温度分布及回风占比，提出了利用热平衡和回

风占比的两种对流转移热计算方法。采用这两种方法对由原型确定的 3个实验工

况进行计算，结果表明，两种方法得到对流转移热在总负荷的比例其偏差分别为

7.78%、7.94%和10.10%，两种计算方法得到了互证。论文针对变风量的两组实验

工况进行对流转移热计算，结果表明，对流转移热比例随系统风量和室内热量的增

大均有所增大。

论文借助盐水实验结果，分析大空间建筑下送中回分层空调对流转移热的形

成的机理进而获得其确定方法，研究结论能够为实际大空间下送中回分层空调上

部非空调区向下部空调区转移的对流转移热研究提供参考指导。

关键词：大空间分层空调下送中回盐水模型实验 PIV 对流转移热

ABSTRACT

Along with the rapid development and in-depth research of HVAC technology,

stratified air-conditioning with the form of low-sidewall air supply and medium-height

air return is gradually applied in the large space building. The cooling load of stratified

air conditioning is a basis for determining equipment selection in air-conditioning system.

However, there is still no unified method to calculate the cooling load of stratified air-

conditioning with the form of low-sidewall air supply and medium-height air return, the

convective heat transfer from the upper non-air-conditioning area to the lower air-

conditioning area is one kind of the cooling load. In this thesis, the design and

establishment of salt-bath scaled model was based on an actual large space building.

Through comparison between the vertical temperature distribution which was measured

in the prototype large space and the vertical temperature distribution converted from the

vertical density distribution which was measured in salt-bath scaled model, degree of

accuracy of the salt-bath scaled model was verified. Meanwhile, mechanism of the air

return in medium height of the large space was studied by using of Particle Image

Velocimetry (PIV) technique to gain air volume proportion which inhaled from the upper

non-air-conditioning area by air return. Finally, the computational method of convective

heat transfer from the upper non-air-conditioning area to the lower air-conditioning area

in large space air-conditioned with low-sidewall air supply and medium-height air return

was put forward on the basis of the vertical temperature distribution and the air volume

proportion measured in the salt-bath scaled model.

According to the similarity theory, the major relevant similarity criterion between

the prototype and the salt-bath scaled model was Archimedes number Ar, and a salt-bath

scaled model experiment table on the scale of 1:15 was established to simulate air flow

under the airflow organization of one pair of air supply and air return outlets in the

prototype large space air-conditioned with the form of low-sidewall air supply and

medium-height air return. The experiment table has the following performance: 1) The

startup and stop of all pipelines were centralized controlled and all water pumps can

realize frequency conversion, 2) The recycling and cyclic utilization of salt water, 3) The

density of salt water can be adjusted and etc. The experiment table can run about 12~23

minutes according to experiment conditions in prototype, which basically met the

experimental requirements.

Three experimental conditions were selected in the salt-bath scaled model

experiment combined with the experimental parameters on summer of an actual large

space. The experimental results showed that the vertical temperature distribution gained

from the salt-bath scaled model and the vertical temperature distribution measured from

the actual large space was basically close, especially the temperature gradient around the

air return region.According to the confluence flow theory combined with velocity vector

measured by PIV, the two-dimensional flow velocity semi-empirical formula was gained.

Thus, A computational method of air volume proportion inhaled from the upper air-

conditioning area was put forward, and the average air volume proportion of two variable

air volume experimental conditions was 34.09% and 33.13%, respectively.

According to the vertical temperature distribution gained from the salt-bath scaled

model and air volume proportion, two computational methods (one based on thermal

balance and the other based on air volume proportion) of convective heat transfer were

put forward. In the three experimental conditions converted from the prototype, the

convective heat transfer was computed by the aboved two computational methods. The

results showed that the deviation of convective heat transfer in the proportion of the total

load were 7.15%, 3.18% and 9.72%, respectively, thus the aboved two computational

methods were mutually verified. The computational results of convective heat transfer

under two variable air volume experimental conditions showed that the convective heat

transfer proportion increased as the system air volume and indoor quantity of heat

increased

The mechanism and computational method of the convective heat transfer in large

space with the form of low-sidewall air supply and medium-height air return were

analyzed on the basis of measured results in salt-bath scaled model experiment. The

conclusion provided guideline to the research of the convective heat transfer from the

upper non-air-conditioning area to the lower air-conditioning area in the actual large space

with the form of low-sidewall air supply and medium-height air return.

Key Word: Large Space, Stratified Air-conditioning, Low-sidewall Air

Supply And Medium-height Air Return, Salt-bath Scaled Model

Experiment, Particle Image Velocimetry (PIV),

Convective Heat Transfer

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

1.1 本文研究背景 ................................................. 1

1.2 国内外研究现状 ............................................... 2

1.2.1 下送风热环境研究现状 ................................... 2

1.2.2 盐水模型实验研究现状 ................................... 4

1.2.3 室内气流运动应用 PIV 测试技术的研究及现状 ............... 6

1.3 主要研究内容及意义 ........................................... 9

1.3.1 研究思路及研究内容 ..................................... 9

1.3.2 研究意义 .............................................. 10

第二章盐水模型实验台设计与搭建 .................................... 11

2.1 盐水模型实验台设计目标和要求 ................................ 12

2.1.1 盐水模型实验台设计目标 ................................ 12

2.1.2 盐水模型实验台设计要求 ................................ 12

2.2 大空间下送中回分层空调盐水模型实验相似性分析 ................ 13

2.2.1 盐水模型相似原理 ...................................... 13

2.2.2 基于盐水实验的相似准则数 .............................. 14

2.2.3 盐水实验相似准则数及其主要比例尺的确定 ................ 16

2.2.4 热源羽流相似比例尺的确定 .............................. 18

2.2.5 盐水模型实验参数的确定方法 ............................ 20

2.3 盐水模型实验台设计及搭建 .................................... 22

2.3.1 盐水模型实验台系统设计 ................................ 22

2.3.2 实验台各水箱设计 ...................................... 25

2.3.3 实验台系统设备和仪器选型 .............................. 29

2.3.4 各盐水供回装置设计及制作 .............................. 33

2.3.5 实验台系统电气控制设计 ................................ 35

2.3.6 盐水回收与循环利用系统设计 ............................ 38

2.4 盐水模型实验测量值不确定度分析 .............................. 39

2.4.1 实验台测量不确定度原理 ................................ 39

2.4.2 基于盐水模型实验结果的流量不确定度 .................... 40

2.4.3 基于盐水模型实验结果的温度不确定度 .................... 42

2.5 小结 ........................................................ 44

第三章基于盐水模型大空间下送中回分层空调垂直温度分布实验研究 ...... 46

3.1 实验目的与实验内容 .......................................... 46

3.1.1 实验目的 .............................................. 46

3.1.2 实验内容 .............................................. 46

3.2 盐水模型实验设计 ............................................ 47

3.2.1 模型实验参数设定 ...................................... 47

3.2.2 盐水模型实验原理 ...................................... 49

3.2.3 盐水模型实验方法 ...................................... 51

3.3 基于盐水模型的垂直温度分布验证 .............................. 53

3.3.1 测点布置 .............................................. 53

3.3.2 实验结果及验证分析 .................................... 54

3.4 垂直温度分布变风量特性实验结果与分析 ........................ 58

3.5 小结 ........................................................ 61

第四章粒子图像测速技术（PIV）原理及应用 ........................... 62

4.1 粒子图像测速（PIV）技术测试原理 ............................. 62

4.1.1 PIV 测速技术简介 ...................................... 62

4.1.2 PIV 技术测试原理 ...................................... 63

4.1.3 PIV 测速系统组成 ...................................... 63

4.2 互相关分析法在 PIV 测试技术中的应用 .......................... 68

4.3 PIV 测速技术关键问题的讨论 .................................. 70

4.3.1 示踪粒子与流体的速度幅值比对流场测试结果影响分析 ...... 70

4.3.2 示踪粒子时滞时间和沉降速度对流场测试结果影响分析 ...... 73

4.3.3 激光脉冲时间间隔t选定 ................................ 76

4.3.4 双脉冲激光与 CCD 相机工作时序设置 ..................... 77

4.3.5 双脉冲激光强度设置 .................................... 78

第五章基于盐水模型大空间下送中回分层空调回风口汇流流场研究 ........ 80

5.1 基于 PIV 技术下送中回回风口流动特性实验方案 .................. 80

5.1.1 实验目的和实验内容 .................................... 80

5.1.2 模型回风汇流区域速度矢量场测试方法 .................... 80

5.2 回风汇流速度分布数学模型 .................................... 87

5.2.1 点汇汇流原理 .......................................... 87

5.2.2 线汇流微元叠加方法 .................................... 87

5.2.3 基于规划求解的汇流二维速度分布计算原理 ................ 89

5.3 二维汇流速度半经验公式修正 .................................. 90

5.3.1 实验工况和实验结果 .................................... 90

5.3.2 下送中回变风量回风汇流二维速度分布求解 ................ 91

5.4 下送中回分层空调回风携带非空调区的回风占比 .................. 92

5.5 小结 ........................................................ 96

第六章基于盐水模型大空间下送中回分层空调对流转移热计算方法研究 .... 97

6.1 两种对流转移热计算方法的提出与比较 .......................... 97

6.1.1 两种对流转移热计算方法的提出 .......................... 97

6.1.2 两种对流转移热计算方法比较分析 ........................ 98

6.2 变风量对流转移热计算结果及分析 ............................. 100

6.3 小结 ....................................................... 104

第七章总结与展望 ................................................. 105

7.1 总结 ....................................................... 105

7.2 不足与展望 ................................................. 107

参考文献 .......................................................... 109

在读期间公开发表的论文和承担的科研项目 ............................ 113

致谢 .............................................................. 114

第一章绪论

1.1 本文研究背景

为了满足经济的快速发展，相应出现了越来越多形式各异的高大空间公共建

筑。由于其内部空间范围大，高度高等特点，若按全室空调预测负荷，其空调运行

能耗则较大，而目前降低大空间空调能耗的有效措施之一是分层空调。近年来，无

论是商用、民用还是工业用大空间建筑，分层空调已成为首选的一种节能空调系统

设计方式，与全室空调相比，分层空调在夏季可节省约 30%的冷量[1]，可大大地减

少空调系统的初投资和运行能耗。大空间分层空调通过特定的气流组织将整个室

内空间分隔成下部空调区和上部非空调区，分层空调负荷是确定空调系统向大空

间室内提供冷量的依据，也是衡量分层空调节能效果的关键。

随着暖通空调技术的不断发展和深入研究，实现分层空调的手段也逐渐增多，

下送中回这一结合了置换原理的分层空调气流组织形式逐渐地被应用于大空间建

筑[2,3]。在建筑中部回风口所处高度以下空间，空气温度受下送风冷量影响较大，

该区域内温度由下往上缓缓递增；在回风口所处高度以上空间，空气温度受下送风

冷量影响很小，且由于室内散热源附近热空气受浮力作用不断上升和受室外气象

条件的影响，相较于回风高度以下空间，其空气温度增加显著且梯度更大，直至屋

顶形成热滞留区，也即这一分层空调形式只对回风高度以下区域进行了供冷，大大

地减少了空调系统供冷量。同时，由于建筑下部空调送风首先进入人员活动的空调

区域，送入的新鲜空气将该区域内空气进行置换，使得人员活动环境的空气品质得

到改善，因而又具有改善室内空气品质的特点，因而下送中回这一分层空调形式同

步实现了建筑能源的有效利用和室内空气品质的有效改善。

分层空调负荷是确定空调系统供冷量的依据，要准确确定下送中回气流组织

形式下分层空调负荷量，尤其是上部非空调区域向下部空调区域的对流转移热，是

负荷研究中的关键问题。建筑中部回风不仅带走了空调区相对较冷的气流，同时对

上部非空调区热气流同样存在携带回风作用，这也是下送中回气流组织中非空调

区向空调区转移的主要热量。针对回风携带作用的问题，从气流运动机理的角度分

析回风对上部非空调区气流的抽吸作用，得到进入回风口的风量及其温度描述，进

而得到对流转移热量值，是下送中回分层空调中对流转移热计算的关键。

现阶段，关于大空间下送风分层空调负荷的计算尚没有统一的方法，尤其是对

上海理工大学硕士学位论文

于大空间下送中回分层空调上部非空调区向下部空调区的对流转移热研究还空缺

的现状，本文尝试利用盐水模型实验，实测研究此类分层空调的室内热环境特点及

建筑中部回风气流运动机理，获取建筑垂直温度分布、回风口抽吸室内空气的速度

矢量场信息及其回风温度，并最终探索对流转移热的形成机理及其确定方法，结论

能够对实际大空间下送中回分层空调上部非空调区向下部空调区的对流转移热的

研究提供参考指导作用。

1.2 国内外研究现状

针对大空间下送中回分层空调上部非空调区向下部空调区的对流转移热研究，

可应用国内外下送风理论、汇流理论、大空间建筑热环境研究成果、相似理论、模

型实验技术和粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry, PIV)等方面的研究进

行，为此，充分了解和借鉴这些领域现有的研究成果非常重要。

1.2.1 下送风热环境研究现状

本文主要研究大空间建筑下送风分层空调上部非空调区向下部空调区的对流

转移热，因而下送风系统原理是研究高大空间下送风分层空调对流转移热的基础。

现阶段，对于下送风系统，无论是普通层高建筑还是大空间建筑，其末端装置性能、

送风速度特性及室内热环境的研究较为丰富，而针对室内回风特性及下送风分层

空调对流转移热的研究还很少，且都是以普通层高建筑为研究对象进行的研究，但

仍对大空间建筑领域具有一定的借鉴及指导意义。

针对下送风空调系统内末端装置性能、送风速度特性及垂直温度分布，国内外

很多学者和专家都有一定的研究。80 年代末，丹麦的 P.V.Nielsen 等分别就三种置

换式下送风末端（两种贴壁侧墙风口和一种地板式风口）进行了近风口区域气流运

动的实测[4]。分析获得了从风口出流后，风速的衰减度与阿基米德数 Ar 之间的函

数关系式。随后，P.V.Nielsen 再次针对此类风口，通过实测分析得到不同雷诺数 Re

下，近风口区域速度分布、全室温度分布及分层情况[5]。

在国内，西安建筑科技大学的马仁民介绍了下送风末端装置的特性对普通层

高房间内工作区速度场与全室垂直温度分布特性的影响[6]。作者阐述了贴墙下送风

装置向工作区送风时，贴近地面的冷空气层在地面以上 0.04 ~0.1m 处出现最大风

速，此速度大小由送风量、阿基米德数 Ar 和送风装置结构特性决定，该速度的大

小也是产生吹风感和局部不适的主要原因。同时，作者发现卷吸性能强的风口（出

第一章绪论

风速度大）比卷吸能力弱的风口更能使工作区温度梯度减小。

西安建筑科技大学的吴大鹏等利用 CFD 对置换通风下分层特性进行了数值模

拟[7]，研究了热源、围护结构和房间高度等因素的变化对温度分布及分层特性的影

响。研究结果表明：热源水平方向的位置不影响室内温度分布，而随着热源位置的

升高，分层高度变高，温度梯度减小；围护结构传热大小不影响温度分层高度，仅

影响分层面的上部区域，温度梯度变大；房间高度的改变对温度梯度的影响不大，

且房间越高，置换通风系统的性能就越能得到充分的发挥，置换通风更适用于高大

空间建筑。

在大空间下送风分层空调热环境的研究领域，上海理工大学的黄晨在不同室

外气象条件并改变送风量的情况下，对一栋长 20m、宽 14.8m、坡屋顶最高处 8.75m、

最低处 6m 的大空间建筑，进行了室内稳态垂直温度分布的实测[8]。实验结果表明，

在不同实验工况下，室内垂直温度分布趋势相同，但在三个温度区域层（0.1~1.7m

的低层区域、1.7m~4m 的中间区域和 4~8m 的高层区域）上的垂直温度分布变化率

有所不同。

上海理工大学的蔡宁针对这栋大空间建筑下送中回时的室内热环境，建立了

空气温度和壁面温度同步求解模型[9]，通过夏季工况室内温度场的实测对所建同步

求解模型进行修正。由下送中回时热环境实测结果表明，室内下送风气流组织可将

室内空气温度在垂直方向上分为人员活动区（0.1m~2.0m）、回风区（2.0m~4.5m）

和热空气滞留区（4.5m~8.0m）；送、回风温差对回风口高度 4.5m 以下区域有较明

显的影响，送风量的大小对人员区域的影响较为明显，而屋顶温度和屋顶附近的空

气温度（空气滞留区）受室外参数的影响较大。基于实测结果，对同步求解模型中

区域换热系数和地板传热方程进行了修正，以实测相关工况参数为边界条件，计算

室内垂直温度分布和围护结构内壁面垂直温度分布，并用实测数据进行对比分析，

通过进一步对实际换热机理的讨论及实际换热与所建模型的差异，得出了修正的

同步求解模型，并在此基础上对大空间建筑下送中回时垂直温度的分布特性及分

层空调的负荷计算方法进行了深入的探讨。

通过以往针对大空间建筑下送中回分层空调热环境的研究发现，建筑中部回

风口对室内上部非空调区和下部空调区的热环境具有较大影响，回风口不仅带走

了空调区的空气，同时也携带了上部非空调区的热气流，而这部分携带的热气流最

终导致了空调系统冷量的增加，因此，回风汇流特性及建筑中部回风对室内热环境

的影响，对上部非空调区向下部空调区转移的对流转移热研究很有意义。

对于回风汇流特性的研究和建筑中、上部回风对室内热环境特性影响等方面

的研究，虽然现阶段相关文献较少，但这部分成果对大空间下送中回分层空调对流

上海理工大学硕士学位论文

转移热的研究具有较大借鉴意义。南华大学的彭小勇引用苏联学者谢列列夫的微

元汇流叠加原理，对微元进行积分，建立了罩口汇流气流速度半经验公式，理论上

能得到与实验值较吻合的结果，且该半经验公式能够给出汇流气流流谱[10]。

石家庄铁道学院的胡定科等人以高 5m，面积为 4.2×3.0m2，采用下送上回置换

式分层空调的房间为研究对象，利用有限元分析法研究了不同回风位置和不同热

源位置、强度时，室内温度场和速度场的变化特性。研究结果表明，由于室内空气

流的主导因素是室内热源，空调区内温度场和速度场主要受地面热源位置与强度

影响，而受回风高度变化（分别分析了回风高度 3.4m、4.2m 和5.0m）影响很小，

回风高度的变化只对附近气流产生影响，而对下部流场影响很小[11]。

针对下送风分层空调对流转移热的研究，西安建筑科技大学的张莉搭建了一

4.73m2.84m3.40m 的房间模型，气流组织形式为下送顶回，并定义人员工作区的

高度（2.0m）为热分层高度。作者运用 PHEONIX 软件对其进行数值模拟研究，发

现对流转移热与热源强度、热源数目、送风量及送风速度等有关。文中规定室内空

调负荷由工作区常规负荷和非工作区向工作区的对流转移热构成的负荷所组成，

利用数值模拟求解的速度场和温度场，分别获得了非工作区向工作区转移的风量

和转移气流的温度描述，最终计算得到不同实验工况下的对流转移热量[12]。

1.2.2 盐水模型实验研究现状

从前述大空间下送中回分层空调研究发现，回风口的汇流特性对回风携带建

筑上部非空调区的热量影响较大，并最终形成上部非空调区向下部空调区的对流

转移热。由于直接在实际大空间建筑内对回风口汇流特性和对流转移热进行实验

研究会有一定的难度，为此引入盐水缩尺模型实验和 PIV 测速技术，能够微观地

研究回风汇流特性对建筑热环境及回风携带上部非空调区热量的影响。

盐水模型实验由于其能够直观地实现流场流动可视化，易于实验操作又便于

分析流体运动机理等特点，在国内外被大量的学者和研究人员所运用。实际建筑根

据相似理论缩尺设计成模型，在模型实验中实测获得流体流动结果，再经相似比例

尺折算后能够很好地推广并预测实际建筑内气流运动的信息。

盐水模型实验在火灾烟气运动，建筑通风及气流组织等领域被广泛地研究运

用。在火灾烟气运动研究领域，中国科技大学的张和平，张人杰和麻柏坤等人于

1993 年设计建立了我国第一座盐水模拟实验台，运用盐水模型实验的方法研究了

受限空间初起火灾烟气运动的准稳态结构和运动特性[13]。

天津大学的那艳玲等人采用盐水模型实验与 CFD 相结合的方法对地铁火灾进

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