本文摘自论文《高大空间空气处理机采暖性能研究》作者：朱彦波
摘要
相比常规单体建筑，高大空间冬建筑具有高度高、跨度大的几何特征，使得其冬季采暖较为复杂，容易产生严重的垂直温度分层以及水平舒适度分布不均匀的问题，上部空气温度过高导致无用耗热量增大，进而采暖运行能耗显著升高。尽管国内外学者对此作了大量的研究和发展，但目前的采暖方式仍难以很好地解决该问题，其根本原因在于无法解决热空气上浮。为此，本文提出一种能够很好解决垂直温度热分层现象的采暖方式–––高大空间空气处理机。
本文首先对高大空间空气处理机进行了现场试验，检验其解决不利温度热分层现象的能力；与理论计算结果进行比较，探寻高大空间空气处理机采暖的设计计算方法；并在试验条件下进行了数值模拟计算，与试验结果进行比较，验证数值模拟在预测高大空间空气处理机温度分布及气流组织的准确性；提出可提供新风的新型采暖方式–––一种冷风环绕式热风分散采暖装置，并进行了数值模拟，验证其采暖效果；采用CFD计算方法对五种不同采暖方式进行仿真计算，比较不同采暖方式的采暖、节能效果；最后考虑到温度分层的不同，已有的热负荷计算方式不适于高大空间空气处理机的采暖热负荷计算，本文提出通过区域模型法对高大空间空气处理机采暖热负荷进行计算，并与CFD计算结果比较，验证其可行性。
本文的研究表明，高大空间空气处理机能够满足采暖舒适度要求，可较好地解决不利垂直温度热分层问题，能够实现良好的节能效果。而在需要提供新风时，冷风环绕式热风分散采暖装置的采暖、节能效果更佳。同时区域模型法相比其他计算方法，能够更加准确、快速地计算高大空间空气处理机的采暖热负荷。
本文的研究内容将会较好地解决高大空间冬季采暖的关键问题，并为设计人员提供了重要的参考价值。
第 1 章
绪 论
1.1
课题来源及研究的目的和意义
1.1.1
课题来源
与企业协作课题，研究和开发更加高效、节能的高大空间冬季采暖设备。
1.1.2
课题研究的目的和意义
随着经济的飞速发展，生活质量不断提高，人们对室内环境的舒适度要求逐年攀升，导致为达到要求的舒适度而产生的建筑能耗越来越高，根据前瞻产业研究院《2013-2017年中国智能建筑行业市场前景与投资战略规划分析报告》数据显示，我国建筑能耗在能源总消费量中所占的比例逐年攀升，由二十世纪七十年代末10%
的比例，上升到如今的 27.45% ，逐渐接近三成[ 1 ]。目前我国城镇民用建筑运行耗电已占总发电量的22-24%[ 2 - 3 ]。国家建设部科技司的相关研究表明，在城市化不断的推进，城市人口逐年增加，同时人民的生活质量要求也在提高，最终我国建筑耗能所占的比重甚至将会达到35%[ 4 ] 。显然，建筑耗能将会成为我国经济发展过程中必须重视的一个问题。而在建筑能耗中，采暖、空调能耗又占有主要比例，约为2/3左右[5]。因此，减少建筑采暖、空调能耗刻不容缓。
近年来，由于经济的发展、技术的进步、行业的需求，高大空间建筑的出现频率越来越高，充斥于各类公共建筑、商业建筑、工业建筑中，如机场、车站、厂房、商场等等。高大空间建筑具有高度高、空间大、人员活动区域相对较小的特点，致使在冬季进行采暖时，气流组织分布异常复杂，热气流在浮力的作用下上升，温度较高的空气容易集聚在无人员停留的上部区域，热量通过屋面直接散失到室外，而人员活动区的下部因为得不到充足的热量温度明显低于上部，产生热分层现象，使得上部空间热量耗散严重，造成能量的极大浪费。因此，高大空间建筑的采暖、空调能耗节能潜力巨大，研究一种适用于高大空间、并能减少热分层现象的采暖方式至关重要。
1.2
国内外研究现状及分析
1.2.1
国外研究现状
高大空间在冬季采用传统方式进行采暖时，热空气会在浮力的作用下上升，使得整个空间在垂直方向上产生温度分层，上部空间的温度明显要高于下部工作区的温度，为使工作区保持一定的温度，只能依靠增加供热量，而且温差越大，增加量也越多，因此，垂直温差一直是国内外研究高大空间采暖的重点，也是技术瓶颈所在。
Bottcher[6]在研究一个高5.2m的厂房的采暖方式时发现，靠近屋面处空气温度和靠近地面处空气温度相差达到10℃，其采用的采暖方式是，在3m高度处设置一个加热器，室内空气靠一个布置于屋面的风机进行循环。
Dean[7]在对一个建筑面积约3159㎡、高度为6.0m的厂房进行研究时发现，在冬季采暖季，地面和屋面附近的空气温差不小于5.6℃。
M.N.A.Said和R.A.MacDonald[8]对飞机库采暖季的热分层现象进行了测试，并分析了其对能耗的影响，得出结论，当地面和屋面温差达到8℃时，能耗要比没有垂直热分层现象时高出近38%，而且屋面和地面附近处空气温差每增大
1℃，则采暖能耗平均增加4.8%。
可见，垂直温度分层增加的能耗巨大，必须开发新型采暖方式以减少能耗。
Bagheri和Gorton[9]等人对一个建筑面积为334 ㎡、高度为12.5m的核反应堆设施式的温度分布进行了测量，他们的目的是评价专门为夏季制冷而设计的分层空调，在采暖季时的性能，结果发现，在采暖季垂直温差并不大，这表明了分层空调尽管在夏季供冷时能够产生明显的温度分层效果，但在采暖季并不会产生明显的垂直温度分层。
Hee-Jin Park 和Dale Holland[10]通过CFD对一个二维区域进行计算模拟，验证在夏季进行置换送风时，热源的位置对室内温度场的影响。结果表明，热源位置越高，从热源到下部工作区域的对流换热越少，进而引起温度场的变化。即热源位置越高，垂直温差越大，温度分层现象越明显，而这恰恰对冬季采暖热源的位置确定具有重要的指导意义。
Josephine Lau[11]通过现场测试和CFD模拟两种方法对一个高度为25m的中庭的温度场进行研究，发现采用置换通风时，温度场将会出现垂直分层现象，但头、脚的温度差不超过0.5℃，能够很好地满足舒适度要求。
Are Myhren 和Sture Holmberg[12]利用CFD技术比较了在一个采用机械通风的房间内，高温辐射采暖、中温辐射采暖、低温地板辐射采暖和墙壁低温采暖系统的不同以及对室内温度场分布的影响，结果表明，低温采暖系统相比高温采暖系统，能够显著提升室内的热环境，减小垂直温差，但缺点是对通风时下沉的冷气流的阻碍效果差，因此辐射板位置的布置和通风系统的设计显得异常重要。
Maxime Tye-Gingras 和Louis Gosselin[13]对一个采用顶棚辐射采暖的典型居住房间进行了数值模拟，发现采暖热媒的温度对室内不舒适性的影响比辐射板的布置更明显，因此对于高大空间顶棚辐射采暖系统，最大的挑战是热媒的温度控制，必须综合成本和技术等因素进行选择。
1.2.2
国内研究现状
尽管目前厂房散热器采暖方式在国内仍占有很大比重，但国内研究人员很早就意识到在对高大空间厂房建筑的采暖方式进行选择时，散热器不仅很难达到设计要求，而且温度垂直分层现象严重，能耗巨大，寻找更为可靠和节能的采暖方式最早可以追溯到上世纪80年代。
1983年，邹月琴[14]研究发现，当在高空厂房采用分层空调时，其节能效果可以达到30%，并对通过实验研究得到了采用分层空调时的负荷变化规律和主要影响因素，进而提出了计算分层空调负荷的方法。
1997年许志浩、蔡德源等[15]通过k-ε湍流模型对采用横向热风幕分层供热的太原机务厂房，进行了数值计算，并与现场测试对比。结果表明，该采暖方式是完全可行的，能够显著改善厂房内温度分布，很好地抑制了热气流的上浮，进而减少上部的热量损失。
1998年，龚光彩、梅炽等人[16]采用标准k-ε湍流模型对半敞开式大空间的温度场进行了模拟计算，发现影响其温度分布的因素主要是干扰风量的大小、温度以及送风温度和速度。
进入21世纪后，随着科技的进步以及经济的发展，人们对工作环境的舒适度要求越来越高，传统的采暖方式已难以达到要求，国内涌现出了各种各样的高大空间厂房采暖方式，包括热风采暖、低温地板辐射采暖、高温燃气辐射采暖以及多种采暖方式组合的复合采暖方式。
杨胜峻[17]在对新疆克拉玛依发电厂的天然气压缩机厂房单体进行采暖系统设计时，考虑到建筑面积巨大、层高较高的特点，单纯采用一种采暖方式难以满足采暖要求，选择散热器与中温辐射板的复合采暖方式，运行状况良好。
李晓燕[18]在设计某联合厂房采暖方式时，采用散热器加热风采暖方式，并在采暖系统运行时进行了现场测试，结果发现尽管工作区温度、风速达到了设计要求，而且克服了工作区温度不均匀的问题，但垂直温度梯度达到了
0.4℃/m，因此上部空间的空气温度仍然很高，屋顶散热量依然很大。
王汉青[19-20]利用CFD技术进行大涡模拟，研究了高大空间上送上回和侧送侧回两种情况下的热分层现象和基本规律，并提出热分层现象的判断公式，能够较好地预测不同采暖方式下的温度分层现象，有助于高大空间采暖方式的选择和确定。周权、杨灵艳等人[21]利用CFD模拟技术比较了高大厂房采用散热器采暖、暖风机采暖和燃气红外线采暖三种供暖方式，得出结论，当采用燃气红外线采暖方式时，温度分布明显优于散热器采暖。邓立军[22]利用计算流体商业软件FLUENT，对一个采用侧送风和低温地板辐射采暖的中庭进行了模拟分析，发现能够取得良好供暖效果，除此之外，当地板辐射采暖系统承担的负荷所占比例达到60%时，效果最好。王海霞、由世俊等人[23]利用CFD模拟软件
Airpak2.1对天津国际展览中心新馆B展厅进行了模拟分析，其采暖方式为燃气供暖与分层空调送风相结合，结果表明该采暖方式能够满足工作区的舒适性要求，气流组织设计合理。
1.2.3
国内外研究现状分析
高大空间建筑在进行采暖方式选择时，通常考虑以下几个因素：舒适性、能耗、空气品质[24]，一种好的采暖方式必须同时满足三方面的要求。因此，开发新型的采暖方式或设备时，要综合、全面考虑各方面因素，这就对高大空间采暖方式的研究、设计、评价提出了更高的要求。考虑到高大空间高度高、体量大，气流组织非常复杂，单纯使用射流理论为基础的气流组织计算很难精确反映事实；而若通过现场测试，工作量巨大，不可控因素多，具有很大的限制性。因此，在计算机发达的今天，计算流体力学技术在高大空间采暖领域的应用已占据主体地位。
早期的研究重点主要在垂直方向温度分布，发现垂直方向温差越大，即热分层现象越严重，采暖能耗越大，工作区热舒适越差，故得出结论，降低热分层现象的产生是高大空间采暖技术是否可行的关键、难点和主要的评价标准，对研究更加高效、节能的采暖方式具有重要的指导意义。
截止到目前，国内外学者提出的常用的几种高大空间或厂房的采暖方式主要有普通散热器采暖、辐射采暖和热风采暖[25]。
（1）普通散热器采暖：当前我国北方既有的高大厂房，大部分采用该采暖方式。由于高大厂房的面积很大，造成散热器的布置困难，使得距离散热器较远的区域温度达不到要求；同时，高大建筑的高度很高，导致在使用散热器采暖时，热空气在浮力的作用上升，垂直方向温度分布不均，产生热分层现象，造成不必要的能耗，而且热舒适度也很低，故目前在新建厂房中很少使用。
（2）辐射采暖：又可分为低温辐射采暖系统、中温辐射板采暖和高温燃气辐射采暖系统[26]。
低温辐射采暖：由于具有舒适、卫生、温度分布均匀、热舒适度高、运行费用低等特点[27-30]，近年来应用广泛。然而，低温采暖方式的使用受地面使用性质、障碍物及地面荷载的限制，在地面复杂的高大厂房中，则通常不宜采用。
中温辐射采暖：在高大厂房中，中温辐射采暖板通常布置于厂房顶部，也可布置在墙壁上，热媒多为温度为95-130℃的蒸汽或者热水，可以直接取自供热外网。然而，由于距离人员活动区较远，热媒温度不是很高，导致到达活动区的热量不足；而且在刚开启时，室内升温缓慢，热舒适度差。
高温辐射采暖：是指利用天然气、液化石油气，在特殊的燃烧装置—辐射器内燃烧，辐射出各种波长的红外线进行采暖，通常温度可以达到几百摄氏度[31-32]，在满足相同舒适度的条件下，其室内空气温度可比对流采暖低2-3℃[33-34]。然而由于采用天然气等作为燃料，燃烧温度很高，安全性较低，使用场合受到极大限制。
（3）热风采暖：可分为横向热风幕分层采暖和循环空气处理机采暖，类似于暖风机，横向分层采暖系统通常布置于墙壁上，利用横向喷射的气流将空间分为下部工作区和上部非工作区[35]，气流分布容易受障碍物影响，而且经常受射程的影响；而循环空气处理机则通常布置于高大厂房的顶部，空气在风机的加压下通过换热器进行加热，然后通过旋流送风口直接喷射至工作区[36-37]，送风集中，耗散较少，避免产生热分层现象，降低了能耗水平，提高了热舒适度，因此循环空气处理机组采暖应用潜力巨大[38]，对其进行深入研究及改进具有重要意义。
