三污染热源置换通风热力分层高度实验研究
摘要： 对三个热污染源情况下置换通风系统的热力分层高度进行了实验研究，对送风参数变化的影响进行了分析讨论，研究结果对置换通风应用于工程实践具有指导意义。
关键词： 三污染热源 置换通风 热力分层高度
在置换通风系统中，热力分层高度是很重要的一个参数，其大小变化直接关系到通风房间内人体停留区域空气品质的优劣，是置换通风系统应用设计中的重要参数。影响热力分层高度变化的因素较多，文献[1]对置换通风的有关重要问题进行了阐述，文献[2]和[3]就单一污染热源情况下的置换通风进行了模拟实验研究和计算机数值模拟研究，文献[4]针对两个热源情况下的置换通风进行了实验研究，取得了很有价值的研究成果。置换通风系统在实际应用中，污染源是多个并存，分布没有规律，相互集中或分散的情况均有，因此，笔者就三个污染热源情况下置换通风送风温度、速度及污染源分散问题等进行了实验研究，并对热力分层高度的影响因素进行了分析讨论。
1、实验模型及检测系统
下图1是模拟实验研究的实验模型，其尺寸为：1.8m×1.2m×1.5m，模拟通风房间用有机玻璃板制成。实验台由独立的热风系统、冷风系统、温度自动检测系统、烟气浓度检测系统以及速度测试系统等组成。三个热污染源的位置分别是（900，550，0）、（900，750，0）和（700，550，0）。高度均为0.31m。
图1 模拟实验研究模型
图中：1 测试横杆（带有Pt100铂电阻）2 计算机 3 打印机 4 烟气浓度测定仪 5 风速仪
模拟实验可认为在绝热条件下进行，主要测试在三个热污染源情况下，置换通风房间内的温度场和烟气浓度场。温度的测试采用多个Pt100铂电阻，在计算机程序的控制下进行采样，并生成数据库，由打印机输出。烟气浓度采用英国Kane International Limited生产的KM9106综合烟气分析仪进行测试。送、排风速度用风速仪测试。
2、热力分层高度的确定
置换通风系统气流组织特点是，通风房间内的空气分为上下两层，下层的气流以层流或低紊流的流态流动，空气质量接近送风，由于送风速度很小，气体流动的动量也很小，不会造成吹风感，该区域内污染烟气的流动不会横向扩散。上层空气的流动紊乱，空气质量、温度、污染物浓度接近排风。
就污染烟气气体浓度而言，是以热力分层高度为分界，在热力分层高度之内，烟气浓度很低，而且接近送风。在热力分层高度以上，则浓度较高，接近排风。因此，通过测试
图2 CO浓度变化曲线
模拟通风房间的烟气浓度场，可分析得出热力分层高度的准确值。实验测试时，分别测取（500，300，z）、（500，900，z）、（1200，300，z）和（1200，900，z）等四个不同位置、Z不同高度下的CO浓度值，并将相同水平面内的测点值加以平均。图2是某实验工况下，模拟实验房间CO浓度随房间高度变化曲线。从该变化曲线可得知，热力分层高度是0.90m。本实验研究中，热力分层高度大小的确定方法与此相同。
3、热力分层高度影响因素
3.1 送风温度
在置换通风系统中，送风温度的变化直接影响着通风房间的温度场变化，对热力分层高度、通风效率以及热舒适性等产生影响。表1是污染源热负荷不变情况下送风温度变化实验结果。
从中可得知，送风温度增大，热力分层高度增高，工作区域空气温度与送风温度差减小。因此，增大送风温度，有利于热力分层高度的增高，可避免因送风温度低对人体产生不舒适的吹风感。但送风温度太高，不能够有效消除通风房间的热负荷，如工况1工作区域空气温度为28℃，达不到调节空气温度的目的。相反送风温度也不能太低，否则会影响热力分层高度的大小变化和产生吹风感。所以，兼顾热力分层高度大小和热负荷的有效消
除，工作区域空气温度与送风温度之差Δt在3～4℃比较合适。
送风温度变化工况模拟实验结果 表1
就此问题，笔者进行了计算机数值模拟，得出相同的结论。表2是送风温度变化工况计算机模拟结果。
送风温度变化工况计算机模拟结果 表2
模拟实验中，某一工况的送风速度为0.15m/s，送风温度为23℃，污染热源情况与计算机模拟相同，得到的实验结果是，热力分层高度为0.92m，通风效率为155%。该实验结果与表2中工况4的结果吻合较好，误差均小于5%。
由此可见，不论实验研究，还是计算机数值模拟研究，都反映了同样一个事实，送风温度的变化对通风房间的温度场、热力分层高度、通风效率以及热舒适性等产生影响。说明实验研究或计算机数值模拟研究，其结果可以满足工程设计的要求。
3.2 送风速度
在置换通风系统中，送风速度（送风量）直接影响着通风房间的流场变化，对热力分层高度的变化产生很大影响，本次实验研究中，就三个热源且热负荷为39w/m2、送风温度为21℃，送风速度分别为0.08m/s、0.10 m/s、0.13 m/s、0.17 m/s和0.19 m/s等五个工况进行了实验。下图3是模拟实验得出的热力分层高度Z随送风量Q的变化曲线。
从热力分层高度随送风量变化曲线可知，送风量增大，热力分层高度也在增高，增大送风量有利于热力分层高度的提高，能够形成洁净的工作区域。但增大到一定程度，将会
图3 热力分层高度Z随送风量Q变化曲线
使送风动量增大，破坏置换通风下层气流层流或低紊流的流态流动，另外，送风速度偏大会对人体造成不舒适的吹风感。因此送风速度不宜太大，应在0.13 ～0.17 m/s之间较适宜，此时通风效率较高，送风速度为0.13m/s时是150%，0.17 m/s 时为159%。
3.3 热污染源分散性
在多污染热源置换通风系统中，污染热源的分布对置换通风的温度场、速度场以及热力分层高度、通风效率等产生一定的影响。图4是热力分层高度与热污染源之间距离的关系实验曲线，从中可知，热力分层高度随污染热源之间的距离增大而降低，污染热源之间的距离增大到一定值时，热力分层高度变化很小。
图4 热力分层高度Z与热污染源之间距离L的关系曲线
产生原因是，有多个热污染源的置换通风系统，热污染源集中时，热污染气体在流动中形成的羽状流动相互影响，并且有重叠，水平截面减小，羽状流动中的气体流量减少，热力分层高度增大。当热污染源的布置分散时，热污染气体在流动中形成的羽状流动相互没有影响，或影响很小，水平截面增大，热力分层高度降低。羽状流动占据空间体积较大，洁净空气区域减少。由此可见，分散的污染源对置换通风产生不利的影响。
4 结语
笔者对三个污染热源情况下的置换通风进行了实验研究，并就送风温度变化工况进行了计算机模拟研究，取得了初步成果，为三个或多个污染热源情况下的置换通风系统在工程实践中得到应用做了一些探索性研究。研究结果表明：对于污染热源热负荷不大的置换通风系统中，工作区域空气温度与送风温度之差Δt在3～4℃，送风速度为0.13 ～0.17 m/s比较适宜。热污染源分散布置不利于置换通风热力分层高度的提高。
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