窗帘夹层气流研究

关于窗帘夹层的气流流动研究

田新朝 高恬云 许悦

摘 要

目前遮阳的手段大致可分为内遮阳、外遮阳以及内置百页遮阳，其中以内遮阳应用最为广泛。内遮阳具有使用方便，经济耐用等优点，但同时由于内遮阳的遮阳设施吸收和透过部分全部为得热并传到室内，所以其隔热性能要比外遮阳差。

内遮阳对室内温度的影响主要通过以下三个方面，第一是太阳辐射直接透过窗帘照射到室内，使室内温度升高；第二是由于窗帘表面温度升高，向室内的传热；第三是窗户和窗帘间夹层（下文简称夹层）中气体由于受热而与室内产生热压差，从而产生自然对流，将热量通过传质换热带到室内。这三方面中，前两方面都可以通过数值计算得出，而第三方面中夹层中气体与室内气体的交换量却没有太多的文献可以参考。本小组的研究主要放在夹层气体的运动上，目的是要通过实验得出其换气量的计算方法。

利用模型实验，可测出夹层内的温度分布以及夹层气体的流量，其值误差不会太大，而窗帘和窗户的阻力则由手册查得，所以数值并不准确，这是理论计算中遇到的一个难题。只要能准确得到窗帘的阻力系数，用理论计算可以得到比较准确的结果。

关键词：窗帘，自然对流

一． 实验目的

1.1

1.2

通过实验，得到影响夹层换气量的因素及其影响程度，如能得到其计算式，可为今后此类问题的研究做一定的参考。同时这是我们接触专业后第一次由自己设计并完成的实验，可以增加我们对专业的了解，锻炼我们的动手能力和独立完成问题的能力。

实验的主要工作是测定窗帘的不同挂法（主要通过改变窗帘与窗户的距离实现）以及不同辐射强度对夹层换气量的影响。

二． 实验设想及准备

2.1 实验设想

1）定性观察

由于对夹层气体的运动状态并不十分了解，所以在定量测量之前要对其运动方式有一个大体的了解，然后根据定性观察的结果改进或重新设计定量测量的方法和步骤。

试验的主要手段是通过释放烟雾，通过观察烟雾的运动来确定气体的流动方式。

2）定量测量

定量测量主要需要测量的两个数据为窗帘附近的温度场分布以及夹层空气的流量。

其中温度场分布可直接测得，而空气流量直接测量并不容易，因此采用间接法测量，比如可从进气处定量释放失踪气体并在出口处测量其浓度的方法，还可以通过测量出口风速的方法。

3）注意事项

♦ 由于要比较窗帘不同挂法对夹层换气量的影响，所以要保持室外辐射量不变。

♦ 为准确测得换气量，应尽量保持室内温度不变和室内空气尽量不流动。

2.2 实验准备

在实际情况中，要想利用真实的窗户来进行实验存在以下几个主要问题，第一，由于实验时间为春天，所以太阳辐射并不是很强，并且很难保持辐射量均匀；第二，真实窗户的尺寸一般都比较大，并且高度很大，会给测量带来不便；第三，由于窗户边上的墙是不透明的，为定性分析时观察和拍摄烟雾运动造成不便。

综上，实验利用模型来进行，下面对模型简单介绍一下。其外形接近一个一端开口的正方体，材料为大型板，在开口面的对面上安装了9个100W的白炙灯泡（如图1B），在距开口段一定距离处放置一块普通玻璃，这块玻璃起到了窗户的作用。其具体形状和尺寸请参考图1。

A为侧面图

B为正面图

C为实际拍摄图

实验所选窗帘为一块黑绒布，其距玻璃距离可以调节。灯泡所处封闭空间的四周皆贴上铝箔之，以加强射向玻璃的辐射并降低灯箱内的温度。

做实验所选用的房间为清华大学建筑技术科学系系馆一层的一个房间，此房间室温较稳定，关闭门窗后空气流动很小，并且在做实验验期间无人打扰，符合实验的要求。

2.3 实验仪器

♦ Datelog_10RCX 编号：15436，15440

♦ 光声多种气体检测仪 INNOVA 1312 1303

♦ 清华同方控制工程公司 风速/温度表 精度0.01m/s

♦ 四氯化钛 一瓶

♦ 数码摄像机 笔记本电脑 各一台

2.4 可行性分析

利用白炙灯代替太阳作光源，由于白炙灯发光原理和太阳相似，所以可代替太阳做光源，但因为白炙灯的发光效率很低，大部分能量都以热量的形式散发到灯箱中，所以应注意灯箱内的散热。其辐射量从主观感受来看，大约和北京夏天时辐射很强的时候相当，因此以其作为稳定光源是可行的。

对于模型的尺寸，其大小同普通家庭中的小型窗户相当，因此也是可行的。

实验中选用较厚的黑绒布做窗帘主要是为了减小辐射的透过率，使要研究的现象更加明显。

由于真实情况下，夹层气体从夹层中离开后一般都会受到房顶或窗帘盒的阻力，所以实验中定量测量时在夹层出口处使用一渐缩口集气罩，一来可以模拟房顶的阻力，而来可以加大出口的风速，便于测量。

二． 夹层气体运动的数学分析方法

窗帘内外的热压差可由（1）式计算

式中，ρ0 、g、T0 均为常量

Te为窗帘外的温度，K

Ti为窗帘内的温度，K

h为窗帘垂直高度，m

夹层的质量换气量可由（2）式计算

式中，ζ为整个系统的局部阻力之和

F为全部开口的面积，m2

ρ为平均空气密度，kg/m3

整个系统的局部阻力系数由和系统几何形状比较相近的已知局部阻力系数的零件组合而成：

窗帘的入口和出口可看成是从较大空间经过一个狭缝又进入另一个较大空间，其局部阻力系数可由（3）式计算：

式中，F0 为狭缝的面积

F1 为进入狭缝的大空间的截面积

F2 为狭缝出口大空间的截面积

而集气罩的局部阻力系数可认为和屋顶一样，是定值，查得其值为1。

三． 实验过程及结果

4.1 定性分析

定性分析所使用的烟雾为四氯化钛，其只要与空气接触，就会变成白色的烟状物，具有使用方便，烟雾大小可控的优点，但由于其具有腐蚀性，所以在实验进行时应戴橡胶手套。

实验时调整窗帘与窗户距离并在进风口释放烟雾，拍摄下烟雾的运动轨迹，发现几组现象主要有以下的一些特点：

可以从窗帘的中部将系统分为两部分，中线以下的部分空气从左右以及底部流入系统，中线以上部分空气从左右以及顶部流出系统（见图2）。由图2C和D可见，室内空气进入窗帘后主要是沿着窗帘一侧竖直上升(图2D)，只有当下端入口较小时，才会有一部分进入靠玻璃的一侧（图2D）。并且开口越小，气流的速度越快。

4.2 定量分析

定量测量的主要任务是测出窗帘内外的温度分布，以及窗帘夹层的换气量。

测量温度使用的是两个Datelog， 通过其上接出的热电偶探头来测量温度，实验中共接出11个温度探头，其布置方式如图3所示。其中1点测窗内外侧温度，2点为窗内内侧温度，3点测入口温度，4点测室温，5点测出口温度。

实验中测量夹层通风量的方法原计划使用示踪气体浓度法和风速法来进行，但后来由于测量示踪气体的仪器出现故障，所以只能用风速法来完成实验，由于风速仪的精度相对测量示踪气体浓度的仪器低，所以所测得的流量可能会有一些误差，不过这也不会影响对实验结果的分析。

流量的具体测量方法如下。在系统的出风口处放置一渐缩口形的集气罩，其出口面积为18.6 cm×15.5 cm，在其出口处测量风速，则空气流量等于风速与出口面积的乘积。

实验共测得7组数据，前4组为9个灯泡全部点亮，后3组为以“×”形点亮5个灯泡，窗帘距“窗台”下沿距离从近到远分为4格，距离分别为0，2cm，4cm，9.8cm，前4组窗帘的距离由远及近来挂，后3组也是由远及近，但是没有测量距离4cm的一格。以下表格为各温度点的温度，其中表1和表2为室温和出入口温度，表3和表4为窗帘内的温度各点。

以下是实验所测得的数据：

表1 (室温及出、入口温度)

表2

表3 （夹层内部温度分布）

表4

由以上温度可得出如下规律，窗帘内部温度自下而上增加，靠近玻璃一侧的温度比靠近窗帘一侧高（这可能是由于灯箱内温度较高向玻璃传热所造成），进口处温度和室温相差很小，出口温度是所有温度中最高的。由于定性分析时得出了室内空气进入夹层后主要从靠窗帘一侧上升，所以在计算夹层内气流平均温度时应使靠窗帘一侧温度占较大比例，这样做也减小了由于靠玻璃一侧温度较高的影响。

下面是测得的各组的出口风速。

表5

由于风速仪在0.01m/s数量级的结果并不十分可信，所以可以看出，在辐射强度一定的情况下，窗帘所挂的远近对空气流量的影响并不大。

四． 实验结果分析

利用第二部分所列的公式，由所测得的温度计算夹层空气流量的理论值。

首先根据（3）式计算窗帘距窗户不同距离时的局部阻力系数之和以及开口面积，结果如下表

表6

根据（1）式和（2）式计算各组实验的理论空气流量

表7

由集气罩的尺寸和表5中的数据计算空气的实际流量为

表8

表7和表8比较可见理论流量随窗帘挂法不同变化很大，而实际上其变化很小。这可能是当窗帘与窗台距离发生变化时局部阻力系数会随之发生变化，造成流量的变化，而夹层空气温度也会因之变化，从而使窗帘内外热压差向着减小阻力系数影响的方向变化。比如当阻力系数变大时，热压差也会变大，从而由（2）式计算的流量变化并不明显。之所以由温度计算的理论值与实际值会产生很大误差的原因应该是由局部阻力系数的计算方法造成的，（3）式是计算管道摩阻的公式，而实验系统的几何形状其实是很复杂的，且各处局部阻力之和并不等于系统的总局部阻力，所以会造成很大的误差。但比较第二组实验的理论流量和实际流量，可以发现其非常接近，可以假设此时的理论局部损失和实际局部损失很相近，但由于没有测量只开5各灯泡时同样距离的数据，所以无法准确验证以上假设，但用比较内插的方法可猜测此时的理论流量应为95.3 m3/h ，这与实测值有10% 左右的误差，因此这样看，只要局部阻力系数能够准确的知道，则根据出口气体温度和入口气体温度所形成的热压差来计算夹层气体流量的方法还是可以达到工程要求的。

下面取第二组实验的数据计算由夹层气体带到室内的热量和由窗帘传热带到室内的热量。

由夹层气体带到室内的热量可由下式计算

计算得

q1=38 W 。

由窗帘传热带到室内的热量可由下式计算

其中h1与h2在10~20 W/m2·K，Rw 为窗帘热阻，大约等于0.1 m2·K/W，Sw为窗帘面积，为0.4225m2 。计算结果q2取值在7.6 W和12.7 W之间。

由以上计算可以看出窗帘传到室内的热量与夹层气体流动带到室内的热量相比大约是1/4左右。可见，夹层气体带到室内的热量要比通过窗帘的导热大很多。

下面利用所测得的热压差和流量反推系统的总阻力。

由（2）式可得

由上表可见随窗帘距窗台距离的不同，总阻力变化是很大的，所以用（3）式计算阻力系数并不合理。

五． 总结

实验所测得的实际夹层空气流量可以说明其值随窗帘的挂法关系并不大，而随窗外辐射量的增大而增大。而理论计算中由于系统总的局部阻力系数并不能很好的通过理论计算出来，所以并不能很好的得到结论，但只要能够准确地得到总局部阻力系数，再加上窗帘入口温度（或室温）以及出口温度就可比较准确的算出夹层气体的流量。

从试验数据看，如不记辐射透过所带到室内的热量（实际上是必须考虑的），由窗帘直接带入室内的热量（即除去其传给墙体等的热量）大约等于一支40W的灯泡，当然这还要根据窗户的大小以及室外辐射强度来确定。可见在辐射较强时，对于室内热环境的计算中不应忽略窗帘所带来的影响。

本实验是我们接触专业后自己设计并完成的第一个实验，所以在某些方面还有很多考虑不周到的地方，实验中遇到了很多难题，但经过老师的指导和本小组成员的努力，大部分问题都得到了解决，得到的数据也比较可信。可以说这次实验最大的收获除了所测得的数据和得到的结论外，还有我们从中了解了很多有关于专业的知识，体会到了严谨科学作风的重要性，增加了对专业的兴趣。

最后，特别感谢李晓锋老师对实验的耐心指导，同时也对很多给与我们帮助的师兄表示感谢。

在实验和计算中由于经验不足，可能存在很多的问题，希望老师提出指正。

参考书目

[1] 李晓锋，清华大学工程硕士论文

[2] 潭刚， 自然通风建筑气体紊动特性的研究， 清华大学工学硕士学位论文， 2001.5

[3] 孙一坚主编，简明通风设计手册，中国建筑工业出版社，1997.6

[4] 长春冶金建筑学院等，通风工程，中国建筑工业出版社，1981.7

[5] 周谟仁主编，流体力学 泵与风机，中国建筑工业出版社，1994

[6] 章熙民等主编，传热学，中国建筑工业出版社，2001.12

[7] David W.Etheridge Mats Sandberg , Building Ventilation: Theory and Measurement,1996

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/2b32865d866fb84ae45c8d94.html