送风方式对空调室内环境和系统节能性影响的试验研究

左 滨，钟 珂，潘李丹，亢燕铭

（1.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620；2.扬州大学 能源与动力工程学院，江苏 扬州 225127）

送风方式对空调室内环境和系统节能性影响的试验研究

左 滨1，2，钟 珂1，潘李丹1，亢燕铭1

（1.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620；2.扬州大学 能源与动力工程学院，江苏 扬州 225127）

比较了混合通风、置换通风、地板送风和碰撞射流通风这4种送风方式的特点，利用试验方法实测了这4种方式下空调房间的室内温度、气流速度和CO2质量浓度分布，讨论了室内热环境特点的异同，对比分析了4种送风方式下室内热舒适性、污染物分布特征，并对送风能量利用情况做了估计.

混合通风；置换通风；地板送风；碰撞射流通风；能量利用系数

送风方式作为空调系统的一个重要组成部分，对建筑室内热环境的优劣、污染物的分布特性和系统整体能耗都有直接的影响，因此，选择合理的送风方式在空调系统中显得尤其重要.在常见的混合通风、置换通风、地板送风和碰撞射流通风模式中，混合通风是最传统的送风方式，通常从房间上部空间向室内送风，送风气流与室内空气完全混合后排出房间［1-2］.置换通风则从房间下部空间（墙或地板）提供低动量的空气，送风气流沿地面扩散形成低温“空气湖”，冷空气受热源加热后在热浮力作用下汇聚到上部空间，然后经风口排出.由于送风动量较低，置换通风一般只适用于供冷工况［3-4］.地板送风自位于地板的送风口送出较大动量的空气，送风气流与房间下部空气混合后，从上部回风口排出房间［5-6］.碰撞射流通风则是一种较新的送风方式，送风气流从距地面一定高度的送风口向地面以较高动量送入，与置换通风类似，将在地面形成“空气湖”形式的气流分布，同时，由于送风动量高，送入的风可以与室内空气充分混合，因此，碰撞射流通风被认为同时具有置换通风和混合通风的优点［7-9］.上述各送风方式的气流形态示意图如图1所示.

图1 空调系统4种送风方式示意图Fig.1 Schematic diagrams of four air supply modes of air conditioning system

为比较4种送风方式形成的室内热环境的特点和潜在的节能效应，本文将在室内、外条件相同的情况下，通过对4种送风方式下的室内空气温度、气流速度以及CO2质量浓度进行实测和比较，分析不同送风方式下的室内热舒适性和能耗特征.

1 试验方法与测点布置

1.1 试验方法

试验在一个带有空调系统的全尺度的人工气候室内完成，可以实现对人工气候室温度和湿度条件的控制.其中实验室房间尺寸为6.5 m×8.0 m×4.0 m，人工气候室尺寸为3.0 m×3.6 m×2.6 m，试验系统平面布置如图2所示.人工气候室墙体材质为内注发泡聚氨酯保温材料的不锈钢板，无窗，设有一尺寸为0.96 m×1.80 m的门供试验人员进出，墙和地面设有多个尺寸均为0.24 m×0.34 m的送风口.试验中通过打开不同的送风口实现不同送风方式，如图3所示.试验工况调试过程中，在房间2 m高度处设置了一个温度测点，以保证4种送风方式下，房间内该测点处温度控制在26℃左右，以满足人体热舒适性的要求.

图3 测试气候室内风口布置Fig.3 Arrangement of the air supply inlet in the test chamber

1.2 室内热源设置

此外，人体模型上部设有一个CO2释放小孔，该小孔通过软管与放在模型内部的CO2气瓶相连，以模拟人体呼出的CO2气体，房间总CO2污染源的强度为0.04 m3／h.

图4 室内热源布置Fig.4 Locations of the inner heat sources

1.3 测点布置

人工气候室内布置有4根测杆，以记录室内温度、气流速度和CO2质量浓度的瞬态变化.每根测杆上沿高度方向布置有7个测点，共28个测点.测杆的平面位置和测点的布置如图5所示.

图5 测试仪器布置Fig.5 Layout of test instruments

1.4 试验仪器

试验采用美国TSI公司的TSI-9535型风量流速表测量风口风速和温度，该仪器可同时测量和记录室内温度和气流速度，其中气流速度测量的量程为0～30 m／s，精 度 为 测 量 值 的 ±3% 和±0.015 m／s两者的较大值，分辨率为0.01 m／s；温度量程为-17.8～93.3℃，精度为±0.3℃，分辨率为0.1℃.另外，采用Detla公司的HD403TS型风速仪测量室内各测点的风速；采用奥地利E＋E公司的EE80-2CT6／T04型温度／CO2变送器测量室内各测点的温度和CO2质量浓度.

1.5 试验工况设定

4种不同空调送风方式下试验工况所需的基本参数如表1所示.

表1 不同空调方式的试验参数设置Table 1 Set values of the main parameters for the experiments

2 实测结果与分析

根据1.5节的试验设计，在混合通风、置换通风、地板送风和碰撞射流通风4种送风方式下实测了室内温度、气流速度和CO2质量浓度分布，以分析不同送风方式下的室内空气环境特征和送风能量利用率.

2.1 4种送风方式下室内热环境特征的实测与分析

4种工况下人工气候室内各测点的垂直温度分布如图6所示.由图6可以看出，4种送风方式人员活动区（2 m以下空间）温度均为26℃以下，满足国标中对室内温度的要求［10］.室内空气平均温度按混合通风、置换通风、地板送风和碰撞射流通风的顺序依次降低.4种工况下室内4根测杆垂直方向均存在温度梯度，且上部温度较高，下部温度较低.其中，混合通风垂直温度梯度最小，置换通风和碰撞射流通风梯度较大；混合通风沿房间高度方向温度梯度基本相同，置换通风、地板送风和碰撞射流通风室内下部空间温度梯度比上部空间大，尤其是置换通风房间中，温度的垂直变化主要发生在1 m以下空间.

人体头足位置的空气温度差值对热舒适影响很大.由图6可以看出，混合通风房间人体头足温差仅为1℃左右，地板送风房间的人体头足温差略大，但均小于3℃，置换通风和碰撞射流通风除了1号测杆人体头足温差稍大于3℃（约3.3℃）外，其余测点均小于3℃，这可能是由于1号测杆靠近热源的缘故.由此可见，4种空调送风方式基本都能满足人体热舒适性要求.

图6 不同送风方式下室内垂直温度分布Fig.6 Indoor vertical temperature profiles of different air conditioning systems

4种工况下室内气流速度垂直分布的实测结果如图7所示.由图7可以看出，4种通风方式下室内平均气流速度均小于0.25 m／s，满足国标中对室内气流速度的要求［10］.其中，置换通风室内的平均气流速度最小，地板送风、碰撞射流通风次之，混合通风最大.4种送风方式下，2号和4号测杆上几乎所有测点的气流速度都很小，接近于0；1号和3号测杆上各测点的气流速度值相对较大，这可能是因为1号和3号测杆靠近热源，自然对流增大了热源附近的气流速度.

4.1.2 创新教学模式构建特色人文教育体系。构建贯穿于医学教育始终的、科学的医学人文教育体系，增加与职业培养相关的实践活动，提高医学生的职业适应能力，增加人文选修课程，提升医学生的人文素养。

就气流速度的空间分布来看，混合通风、置换通风和地板送风基本都是室内上部空间较大，下部空间较小，而碰撞射流通风则是上部空间较小，下部空间较大，这是由于碰撞射流送风方式是将一股强气流垂直冲向地板，空气在地面展开蔓延，且4号测杆靠近送风口，所以地面附近气流速度较大.

图7（d）表明，碰撞射流通风在风口正下方附近的地面气流速度较大，有可能导致因吹风感引起的不舒适.为进一步了解气流对人体热舒适性的影响，对不同送风方式下房间内由于吹风感引起的不舒适性进行分析.

图7 不同送风方式下室内风速沿高度的变化Fig.7 Indoor vertical velocity distributions of different air conditioning systems

吹风感敏感性的影响因素有很多，如人体热感觉、气流稳流强度、性别、气流方向、人体的活动水平等.Fanger模型是目前最被广泛应用的一种吹风感预测模型，该模型从动态和静态两个方面预测吹风感引起的不舒适度，其中静态部分体现人体整体热损失部分，动态部分体现气流紊流强度对吹风感的影响部分.吹风感引起的不舒适度PD[11]可表示为

其中：PD表示由于吹风引起空调房间使用者的不满意率，%；ti为室内温度，℃；为室内空气平均气流速度，m／s，当＜0.05 m／s时，令＝0.05 m／s；T u为紊流强度，%.

4种送风方式下房间内由于吹风感引起的不舒适度结果如图8所示.由图8可以看出，置换通风和地板送风房间的PD值接近0，即不会因吹风感引起人体不舒适，而混合通风和碰撞射流通风房间内存在有明显吹风感的测点，不同的是，前者的吹风感出现在人体头部高度处，不满意率为10%左右，后者出现在近地面靠近风口处，并且所产生的不舒适度PD值更大一些，不满意率达到了15%～18%，容易使室内人员足部在近风口处感觉到吹风感.

图8 不同送风方式下室内垂直PD值分布Fig.8 Indoor vertical PD value distributions of different air conditioning systems

2.2 4种送风方式下室内CO2质量浓度分布

为了考察送风方式对室内空气品质的影响，对CO2质量浓度空间分布情况进行了测量.由于不同送风方式的通风量不同，为便于分析比较，对CO2质量浓度进行无量纲化，无量纲浓度C［12］可以定义为

其中：ci，c0和cp分别为CO2气体在房间内任一点的质量浓度、送风质量浓度和排风质量浓度，mg／m3.

4种工况下室内无量纲CO2浓度垂直分布的实测结果如图9所示.由图9可见，4种通风方式下无量纲CO2浓度均随室内测点高度的增加而增大.其中，混合通风的CO2浓度梯度最小，表明在该送风方式下室内CO2浓度分布比较均匀；置换通风、地板送风和碰撞射流通风房间均在室内的下部空间出现明显的CO2浓度梯度，上部空间浓度分布趋于均匀.由图9（b）～9（d）可知，置换通风房间的CO2浓度梯度分界线高度大约在1.0 m高度处，而地板送风和碰撞射流通风房间的CO2浓度梯度分界线约在1.3 m处，较高的浓度梯度分界线高度有利于降低人体呼吸面处CO2的质量浓度.

2.3 不同送风方式的能量利用率

试验期间，人工气候室外的房间温度维持在20～22℃.由于人工气候室围护结构材质为内注发泡聚氨酯保温材料的不锈钢板，无窗，产生的空调冷负荷很小且基本不变，故负荷主要来自室内热源，试验过程中保持室内热源条件不变，均为720 W.根据实测结果，表2给出了不同送风方式下室内热环境的各项参数.

表2 送风方式下室内热环境的综合比较Table 2 Integrated comparison of indoor thermal environment of different air conditioning systems

由表2可知，室内排风口温度基本相同，但在4种送风方式下，送风温度和人员活动区（即2 m以下空间）的平均温度均有较大差异.这表明4种送风方式在排除室内余热时，投入能量的利用系数不同，换言之，送风方式将直接影响空调系统能耗.

经济有效的空调送风方式，是在满足人员活动区热舒适性的基础上，使空调送风更有效地排除人员活动区的余热，非人员活动区的余热可以通过提高排风温度来实现，无需增加送风冷量，从而达到提高系统经济性的目的.能量利用系数η可以用于考察送风方式的能量利用有效性，其计算式［13］为

根据表2的实测数据，结合式（3）可以得到4种送风方式对应的能量利用系数，如表2所示.由表2可以看出，混合通风的能量利用系数最小，置换通风和地板送风基本相同，而碰撞射流通风的能量利用系数明显大于其他3种空调方式，即碰撞射流的空调送风能量利用效率最高，经济性最好.图7则表明，碰撞射流的人体头足温差仅略大于混合通风，舒适性较好，但图8的吹风感分析结果表明，碰撞射流通风可能对近风口的人体足部产生吹风感，因此，碰撞射流有可能成为同时满足垂直温差和节能性要求的空调方式.但在类似本文实测的小尺度房间内，需要适当降低送风速度，以减小吹风不适感.

3 结 语

通过一系列对比试验，实测了采用4种常见空调送风方式（混合通风、置换通风、地板送风和碰撞射流通风）下室内空气温度、气流速度和CO2质量浓度的分布特征，分析了不同送风方式下房间热环境特征和送风能量利用情况，主要结论如下所述.

（1）4种送风方式下，室内都存在沿房间高度方向的温度梯度，但均满足国标对人体头足温差的要求.温度梯度由低到高的顺序为混合通风、地板送风、碰撞射流通风和置换通风.

（2）4种送风方式下，室内平均气流速度均小于0.25 m／s，满足国标对室内气流速度的要求.但碰撞射流送风方式由于送风冷气流直接进入人员活动区域，同时送风速度较高，对人体足部形成吹风感的概率较大，吹风感引起的不舒适度高于10%.在实际应用中，对于类似本文实测的小办公室，建议适当降低送风速度.

（3）4种送风方式都存在沿房间高度方向的CO2浓度梯度，但置换通风、地板送风和碰撞射流通风的CO2浓度梯度远大于混合通风，同时，不同送风方式下，室内CO2浓度梯度分界线的位置不同，地板送风和碰撞射流通风的分界线位置高于置换通风.

（4）对能量利用系数的分析结果表明，地板送风和置换通风方式对送风能量的利用效果略好于混合通风，而碰撞射流通风的能量利用效果最优.

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Experimental Study on the Impact of Air Supply Mode on Indoor Environment and Energy Efficiency of Air Conditioning Systems

ZUOBin1，2，ZHONGKe1，PANLi-dan1，KANGYan-ming1

（1.School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.School of Energy and Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou Jiangsu 225127，China）

The characteristics of four air supply modes including mixing ventilation，displacement ventilation，underfloor ventilation，and impinging jet ventilation are compared.Indoor air temperature，air velocity profiles and CO2mass concentration distributions are measured by a series of experiments.The differences of indoor thermal environment among the four air supply modes are discussed and analyzed，and the thermal comfort，pollutant distribution features and energy utilization of the four air supply modes are compared and estimated.

mixing ventilation；displacement ventilation；underfloor ventilation；impinging jet ventilation；energy utilization coefficient

TU 831.3

A

2013-05-08

国家自然科学基金资助项目（51278094）

左 滨（1980—），女，江苏扬州人，讲师，博士研究生，研究方向为室内空气品质.E-mail：zuobin＠yzu.edu.cn

1671-0444（2014）03-0339-06