非均匀室内环境需求下新型叠动通风性能研究

李晗 李瑾超 李娜娜 孔祥飞

(河北工业大学能源与环境工程学院 天津 300401)

建筑供冷与采暖所消耗的能量占据了建筑能耗的47%[1]，而且随着人民生活质量的上升，对室内空气品质的关注度也不断攀升。因此寻求一种能有效提供舒适、健康的室内环境的空调系统，对建筑节能具有重要意义。

学者们针对应用于环境调控的不同类型通风形式进行了研究与对比[2－6]。研究表明，层式通风是应用于中小空间的一种非常有效的机械通风方式[7]。新鲜空气通过较短的距离和时间水平供应到呼吸区。相较于其他送风形式的呼吸区气流，层式通风送风气流具有更高的温度、速度和更短的空气龄，人员可以得到更优的环境调控效果和更高质量的吸入空气[8]。层式通风的原理是通过在人员活动区直接送风使得在呼吸区水平上形成新鲜空气层，同时提高室内空气温度和流动速度。研究还发现，层式通风可以令室内设计温度相较于混合通风提升2.5 ℃，从而产生37.7%的节能率[9]。因此层式通风不仅可以为人员提供一个舒适的环境，还可以显著降低空调能耗[10]。通过建立合理的速度和温度耦合关系，平均热感觉指数(PMV)和预测不满意百分比(PPD)以及呼吸区的高质量空气[11]均可显著提升。文献[12－13]表明，与混合通风房间相比，层式通风环境下的人员受到空气中携带的病菌感染的风险更低。

但层式通风还存在应用场所受限的明显缺陷。随着射程的增加，由热浮升力所引发的冷气流下沉与热气流上升现象明显，容易造成环境调控效果分层。离送风口较近与较远区域，人体不舒适性显著增加。若为了增加层式通风对大空间的适用性，只能通过增大送风速度来延长射程，但同时又会给人员带来显著的吹风感。除此之外，冷负荷与热负荷的实际分布是存在明显的空间差异性，而现阶段的大部分通风形式都是基于冷热负荷分布均匀这一特性进行设计与优化。因此，需求与供应的矛盾性会带来空间人体舒适性的降低与能耗的浪费[14]。

本研究在吸取层式通风优越性的基础上，通过优化机械通风能源品位，构建不同层级射流间温度梯度以转变浮力通量作用方向，从而对浮升力加以转换与利用，提出了全新的通风模式——叠动通风，并将其通风性能与室内热舒适性和通风效率较高的层式通风进行了对比与分析。

1 系统描述

1.1 层式通风系统

图1所示为层式通风系统的空气热湿处理过程，其中O 点代表室外状态点，室外空气(O)与室内状态点(R)混合后到达点1，然后通过组合式空调系统，经过处理后到达点2，经过层式送风口，将冷风送至人员区。

图1 层式通风系统焓湿处理过程Fig.1 The enthalpy and humidity treatment process of stratum ventilation system

1.2 叠动通风系统

相较于层式通风的单高度单温度射流送风，叠动通风在不同高度处引入不同温度的射流，以此促进射流间产生温度梯度，进而使得影响射流送风效果的热浮升力作用方向逆转，从而使得叠动通风模式下送风效果提升，能源利用效率增加。图2所示为新型叠动通风系统的空气处理过程。其中，O 点代表室外状态点，室外空气(O)与室内状态点(R)混合后到达点1，上层风通过常规冷源(组合式空调机组)，经过处理后达到点2，通过上层风口送入室内；下层室内回风通过高温冷源(低品位能源)进行处理后通过下层风口送入室内。通过上述过程可知，室外新风均通过上层风口直接送至人员呼吸层，可以增强有效新风量，并承担室内大部分热湿负荷，而下层风仅通过将室内回风处理至高温冷源机器露点后送入室内，承担室内小部分热湿负荷。在上层和下层风口向室内送风的过程中，射流层边缘可能会发生掺混，从而达到点4向室内送风。如图3所示，叠动通风采用不同品位能源制取不同温度射流，依靠射流间由浮力通量所引发的相互作用来缓解冷风下沉与热风上浮的不利现象，由此实现机械通风在能源应用方面的“质”与“量”双层次提升，并进一步增强室内非均匀环境营造保障效果。与层式通风相比，叠动通风人员区温度分布更加合理，更容易满足人体不同部位对热环境参数的需求，同时根据建筑负荷的空间分布特性，实现了“精准送风”。

图2 叠动通风系统焓湿处理过程Fig.2 The enthalpy and humidity treatment process of interactive cascade ventilation system

图3 叠动通风气流组织形式Fig.3 Interactive cascade ventilation of air distribution

1.3 射流特性对比

叠动通风的核心思想为通过采用多质热能实现梯级调温。如图4所示，经高温冷水(低品位能源)制取下层高温冷风送入人员非敏感区，经常规冷水(高品位能源)制取上层常规冷风送入人员敏感区。叠动通风双层射流进入叠加作用区域后，会产生由层级射流间的温度梯度所引发的浮力通量，同时层级射流间会存在动态扰流阻力，进而引发原有射流轨迹偏移。

图4 新型叠动通风系统Fig.4 Interactive cascade ventilation system

在传统机械通风模式中，由浮力通量所引发的冷风沉降及热风上浮等问题是导致人体不舒适及通风高能耗的关键，也是目前改善各类机械通风系统性能的主要方向。如图5所示，本研究所提出的叠动通风通过构建不同层级射流间温度梯度以实现浮力通量作用方向转变。该浮力通量可对上层射流产生托举作用，同时对下层射流具有压制作用，从而显著降低传统层式通风模式下的冷风沉降与热风上浮的不利影响，实现了热浮升力“转劣为优”。相对于传统机械通风模式，叠动通风具备以下优势:

图5 射流特性对比Fig.5 Comparison of jet charactersitics between traditional stratum ventilation

1)叠动通风通过利用不同品位射流间的浮力通量，将热浮升力“转劣为优”，可明显改善“冷风下沉”与“热风上浮”现象，目标区域温度分布更加均匀，显著提升通风效率与人体热舒适性。

2)叠动通风可适配平疫联动模式，将室外新风引入至上层风——“呼吸层”，以提升有效新风量，降低新风处理能耗，增强室内空气品质；在疫情防控期间，上层风可切换至全新风模式以减小建筑内部人员交叉传染风险，远离人体呼吸区的下层风经室内盘管处理保持常态，可大幅度降低空调能耗。

3)叠动通风不仅实现了能源总量的缩减，而且可同时实现多质热能耦合利用，节能潜力更大，可为进一步降低建筑空调能耗提供新思路。

2 研究方法

2.1 研究案例

本研究所选取的研究房间长宽高分别为6 m×4 m×3.5 m。运用CFD 专业模拟软件Airpak 进行建模计算，其模型中所用边界条件均根据实验所测进行设置，人员发热量以及照明功率均按照办公环境下标准工况所得。在层式通风与叠动通风两个模型中，根据室内负荷以及实验所测，其送风量一致，换气次数(ACH)均为10 次/小时。由于层式通风的送风口个数为2，而叠动通风的送风口个数为4(上下层各2 个送风口)，为了排除送风速度对研究结果的影响，本研究通过改变送风口面积来保证两个模型的送风量与送风速度一致。叠动通风是通过创建送风之间的温度梯度从而实现热浮升力作用方向逆转，通过综合考虑层级射流间温度梯度以及送风温差，暂定其上层送风温度为20 ℃，下层送风温度为23 ℃。与此同时，为了初步探索叠动通风的可行性与节能性，在本次研究中暂定叠动通风上下排送风量相同。但需要提出的是，上下排风量的匹配是叠动通风性能优化的重点内容，该部分将展示在笔者的后续研究当中。由于叠动通风的送风温度发生改变，进而势必引发其送风冷量发生变化，其推导过程如下。

对于层式通风来说，送风冷量计算公式为:

式中:Q层式为层式通风送风冷量，kW；c为空气比热容，kJ/(kg·℃)；m为层式通风送风量，kg/s；tin为室内设计温度，℃；ts为层式通风送风温度，℃。

对于叠动通风来说，送风冷量计算式如式(2)至式(4)所示:

式中:Q叠动为叠动通风送风冷量，kW；c为空气比热容，kJ/(kg·℃)；m上为叠动通风上层送风量，kg/s；m下为叠动通风下层送风量，kg/s；Tin为室内设计温度，℃；t上为叠动通风上层风送风温度，℃；t下为叠动通风下层风送风温度，℃。

在本研究中，初步设定m上＝m下＝0.5m，叠动通风上层送风温度为20 ℃，下层送风温度为23 ℃。层式通风送风温度为20 ℃。因此，tin－ t上＝tin－ ts＝6 ℃，tin－ t下＝3 ℃。可以推导出叠动通风与层式通风在送风冷量上的关系，如式(5)所示。

通过上式可知，叠动通风的输入冷量为层式通风的75%，缩减了25%的送风冷量，而由于冷量的缩减以及送风温度的变化，将引发室内温度场的变化。为了进一步探究叠动通风气流组织的优越性，本研究同时提供了层式通风送风温度分别为21.5 ℃(叠动通风等效送风温度)以及23 ℃两个对比工况的研究数据。其中，当层式通风送风温度为21.5 ℃时，层式通风输入冷量与叠动通风输入冷量相同。模型中相关的边界条件以及参数设置如表1所示。

表1 CFD 模型中的边界条件及内热扰参数Tab.1 Boundary conditions and internal heat disturbance parameters in CFD model

2.2 模型的验证

在本研究中，为了确保CFD 模型的准确性，对其进行了多工况实验验证。实验舱位于寒冷气候区内的天津，尺寸为6 m×4 m×3.5 m，与CFD 模型一致。如图6所示，实验舱内部的三维空间被划分成99 个控制体与监测模块，纵向方向被划分为0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m 与2.4 m 共计11 个高度，每个控制体内中心位置均悬挂布置热电偶，形成动态变化的温度三维数据链，进而通过监测室内温度场的变化特征来分析叠动通风的通风性能；在建筑围护结构与控制体相对应的投影位置处埋入热电偶，围护结构内表面对应位置也均匀布置热流密度计，以监测实验舱壁面温度及热流密度，用于精确CFD 模型的边界条件；还通过安装有速度传感器的移动测量车监测稳态条件下室内的三维速度场；室外气象参数可通过小型气象站来监测与收集。上述所有监测数据都同步设定采集间隔，用于定量分析叠动通风的能量输送机制及射流特性。

图6 实验舱实物Fig.6 A physical picture of the laboratory

如图7所示，实验系统主要由初效过滤器、静压箱、热交换器、组合式空气处理机组、实验舱、控制柜以及数据自动采集仪等组成。实验所用到的干球温度由T 型热电偶测量，精度为± 0.1 ℃，速度由Testo 440 测量，精度为±0.03 m/s，量程为0～20 m/s。实验中，温度与速度均为测量变量，数据通过捷伦数据采集仪采集，由于本实验变量均为直接测量值，所以采用Kline 和McClintock 提出的误差分析方法。假设变量R是独立变量X1，X2，…，Xn的函数，即R＝R(X1，X2，…，Xn)，相对不确定度由下式给出:

通过计算，本实验的温度和速度测量精度分别为0.08 %和0.25 %。

为验证Airpak 建立的数值模型的准确性，将模拟的流速和温度分布分别与实验测量值进行了比较。本研究所选取的6 个典型位置如图8所示。根据GB/T 50785—2012«民用建筑室内热湿环境评价标准»[15]中的相关要求，本研究选取验证实验的测点高度为1.1 m。模拟结果与实验所测的温度和速度对比结果如图9所示。

图7 实验系统Fig.7 Experimental system

图8 测点位置Fig.8 The position of the measuring point

由图9 可知，模拟的速度和温度与实验值吻合较好，温度与风速的最大差异分别为0.2 ℃与0.02 m/s。可见，本研究所采用的CFD 模型精度较高且满足需求，可以用于后续的研究当中。

图9 温度与风速对比(模拟vs 实验)Fig.9 Contrast of temperature and velocity(simulation vs experiment)

2.3 气流组织及热舒适特性的评价指标

为了对比两种通风模式下的气流组织特性及热舒适特性，引入了以下评价指标:

1)温度分布。

2)通风效率。

对于空间的任意一点，通风效率可由式(7)进行计算[16]:

式中:Et为通风效率；Ts为送风温度，℃；Te为回风温度，℃；Tx为房间内某一点处的温度，℃。

3)有效通风温度(EDT)。

层式通风的有效通风温度同常规通风模式下的计算方法不同，可由式(8)计算[17]:

式中:EDTs为层式通风的有效通风温度，K，层式通风的有效通风温度的舒适区间为－1.2～1.2 K；Tr为室内平均温度，K；vx为房间内某一点的风速，m/s。

4)ADPI。

采用空气分布性能指数(ADPI)来评价室内热舒适性，计算方法如下[18]:

式中:N为人员区研究节点总数，个；Ns是EDT和速度同时落在舒适范围内的节点数，个。其中舒适区范围为EDT 为－1.2～1.2 K，速度为0～0.8 m/s内。若ADPI 越接近100%，则热环境越舒适。

3 结果分析与讨论

3.1 温度对比

图10所示为层式通风在送风温度为20 ℃，21.5℃(叠动通风等效送风温度)以及23.0 ℃下与叠动通风沿高度方向上各层平均温度的变化对比。由图10 可知，在叠动通风相对于层式通风(送风温度为20℃)减小25 %送风负荷的前提下，层式通风模式下室内平均温度为26.37 ℃，叠动通风模式下的室内平均温度为26.64 ℃，室内平均温度仅仅升高了0.27 ℃，且二者在1.2 m 高度处出现最大差值仅为0.35 ℃。当层式通风送风温度为21.5 ℃时，此时层式通风的送风冷量与叠动通风的送风冷量相同，相对于层式通风送风温度为20 ℃工况，室内平均温度上升约1.2℃，相对于叠动通风，室内平均温度也提升1 ℃。当层式通风送风温度提升至23 ℃时，室内平均温度高达28.27 ℃，该值远高于层式通风送风温度为20 ℃以及叠动通风模式下的室内平均温度。综上所述，叠动通风模式下室内平均温度相对于送风温度为20 ℃工况下层式通风的室内平均温度略有提升是由于输入冷量降低所致，但该值却远低于相同输入冷量的层式通风(送风温度为21.5 ℃)模式下的室内平均温度值。这是由于叠动通风双层射流的交互影响以及针对负荷空间分布特征的精准送风的优越性与节能性所致。因此在送风负荷大幅度降低的情况下，叠动通风模式下的室内整体温度并没有出现显著上升，且温度分布愈加合理。

图10 不同高度温度对比(层式通风vs 叠动通风)Fig.10 Temperature contrast at different heights(stratum ventilation vs interactive cascate ventilation)

3.2 冷量利用率及通风效率对比

冷量利用率可表现为不同高度上的通风效率，而冷量利用率与通风效率均可体现通风模式的节能性。层式通风与叠动通风两种模式下的不同高度的冷量利用率如图11所示。在0.1～1.0 m 高度范围内，叠动通风的冷量利用率明显高于层式送风，这是由于叠动通风在0.75 m 高度上设置了送风口，能够有效地带动局部范围内的空气流动，并对上层风口的冷气流下沉起到抑制作用，使得更多的冷量留在了人员区；而在1.0～1.3 m 范围内，层式通风冷量利用率要好一点，这是由于层式通风送风口位置位于1.4 m，从而使得该范围内空气温度较低所致。

图11 冷量利用率对比(层式通风vs 叠动通风)Fig.11 Contrast of cooling capacity utilization(stratum ventilation vs interactive cascate ventilation)

整体来看，叠动通风的通风效率为1.004，而层式通风的通风效率为0.994。可见，虽然叠动通风的通风效率较高，但与层式通风差别不大。为了进一步提升人员区整体通风效率，还需对叠动通风的配置参数进行深入地优化，以获取更好的节能特性。

3.3 室内热舒适

EDT、ADPI 以及PMV 均可用来评价通风模式下的气流组织合理性以及室内热舒适性。由图12 可知，叠动通风的输入冷量仅为层式通风的75 %，因此使得室内整体温度偏高0.27 ℃，从而导致叠动通风的EDT 在不同高度上均略高于层式通风，但仍处于舒适区范围内，未引发人体不舒适。综合有效通风温度及空间速度分布数据计算可知，叠动通风的ADPI为0.852 4，而层式通风的ADPI 为0.841 7。图13所示为两种通风模式下的空间PMV 分布对比图，从图中可以看出，叠动通风的平均PMV 为－0.4，方差为0.16；而层式通风的平均PMV 为－0.6，方差为0.19。因此叠动通风相对于层式通风的PMV 分布更加均匀且更接近于热中性环境。上述数据表明，叠动通风在减少25 %输入负荷的前提下，气流组织分布更加合理且室内热舒适性有所提升。

图12 空间有效通风温度对比Fig.12 Contrast of spatial effective ventilation temperature

图13 空间PMV 对比Fig.13 Contrast of spatial PMV

4 结论

本研究通过优化机械通风能源品位，构建不同层级射流间温度梯度以转变浮力通量作用方向，提出了新型通风模式——叠动通风，并分别从温度分布、能量利用效率以及室内热舒适性三个方面进行了分析，主要结论如下:

1)在相对于层式通风减小25 %送风负荷的前提下，叠动通风模式下的室内平均温度仅升高0.27 ℃，远低于同样送风负荷及送风温度下的层式通风室内平均温度值。

2)新型叠动通风的通风效率为1.004，而层式通风的通风效率为0.994，由此可知，新型叠动通风的通风效率略高，但差距较小。

3)新型叠动通风的ADPI 为0.852 4，而层式通风的ADPI 为0.841 7，叠动通风相对于层式通风的PMV 分布也更加均匀且更接近于热中性环境。上述数据表明，新型叠动通风可在减少25 %输入负荷的前提下，室内热舒适性仍有所提升。