非均勻室內環境需求下新型疊動通風性能研究

李晗 李瑾超 李娜娜 孔祥飛

(河北工業大學能源與環境工程學院 天津 300401)

建筑供冷與采暖所消耗的能量占據了建筑能耗的47%[1]，而且隨著人民生活質量的上升，對室內空氣品質的關注度也不斷攀升。因此尋求一種能有效提供舒適、健康的室內環境的空調系統，對建筑節能具有重要意義。

學者們針對應用于環境調控的不同類型通風形式進行了研究與對比[2－6]。研究表明，層式通風是應用于中小空間的一種非常有效的機械通風方式[7]。新鮮空氣通過較短的距離和時間水平供應到呼吸區。相較于其他送風形式的呼吸區氣流，層式通風送風氣流具有更高的溫度、速度和更短的空氣齡，人員可以得到更優的環境調控效果和更高質量的吸入空氣[8]。層式通風的原理是通過在人員活動區直接送風使得在呼吸區水平上形成新鮮空氣層，同時提高室內空氣溫度和流動速度。研究還發現，層式通風可以令室內設計溫度相較于混合通風提升2.5 ℃，從而產生37.7%的節能率[9]。因此層式通風不僅可以為人員提供一個舒適的環境，還可以顯著降低空調能耗[10]。通過建立合理的速度和溫度耦合關系，平均熱感覺指數(PMV)和預測不滿意百分比(PPD)以及呼吸區的高質量空氣[11]均可顯著提升。文獻[12－13]表明，與混合通風房間相比，層式通風環境下的人員受到空氣中攜帶的病菌感染的風險更低。

但層式通風還存在應用場所受限的明顯缺陷。隨著射程的增加，由熱浮升力所引發的冷氣流下沉與熱氣流上升現象明顯，容易造成環境調控效果分層。離送風口較近與較遠區域，人體不舒適性顯著增加。若為了增加層式通風對大空間的適用性，只能通過增大送風速度來延長射程，但同時又會給人員帶來顯著的吹風感。除此之外，冷負荷與熱負荷的實際分布是存在明顯的空間差異性，而現階段的大部分通風形式都是基于冷熱負荷分布均勻這一特性進行設計與優化。因此，需求與供應的矛盾性會帶來空間人體舒適性的降低與能耗的浪費[14]。

本研究在吸取層式通風優越性的基礎上，通過優化機械通風能源品位，構建不同層級射流間溫度梯度以轉變浮力通量作用方向，從而對浮升力加以轉換與利用，提出了全新的通風模式——疊動通風，并將其通風性能與室內熱舒適性和通風效率較高的層式通風進行了對比與分析。

1 系統描述

1.1 層式通風系統

圖1所示為層式通風系統的空氣熱濕處理過程，其中O 點代表室外狀態點，室外空氣(O)與室內狀態點(R)混合后到達點1，然后通過組合式空調系統，經過處理后到達點2，經過層式送風口，將冷風送至人員區。

圖1 層式通風系統焓濕處理過程Fig.1 The enthalpy and humidity treatment process of stratum ventilation system

1.2 疊動通風系統

相較于層式通風的單高度單溫度射流送風，疊動通風在不同高度處引入不同溫度的射流，以此促進射流間產生溫度梯度，進而使得影響射流送風效果的熱浮升力作用方向逆轉，從而使得疊動通風模式下送風效果提升，能源利用效率增加。圖2所示為新型疊動通風系統的空氣處理過程。其中，O 點代表室外狀態點，室外空氣(O)與室內狀態點(R)混合后到達點1，上層風通過常規冷源(組合式空調機組)，經過處理后達到點2，通過上層風口送入室內；下層室內回風通過高溫冷源(低品位能源)進行處理后通過下層風口送入室內。通過上述過程可知，室外新風均通過上層風口直接送至人員呼吸層，可以增強有效新風量，并承擔室內大部分熱濕負荷，而下層風僅通過將室內回風處理至高溫冷源機器露點后送入室內，承擔室內小部分熱濕負荷。在上層和下層風口向室內送風的過程中，射流層邊緣可能會發生摻混，從而達到點4向室內送風。如圖3所示，疊動通風采用不同品位能源制取不同溫度射流，依靠射流間由浮力通量所引發的相互作用來緩解冷風下沉與熱風上浮的不利現象，由此實現機械通風在能源應用方面的“質”與“量”雙層次提升，并進一步增強室內非均勻環境營造保障效果。與層式通風相比，疊動通風人員區溫度分布更加合理，更容易滿足人體不同部位對熱環境參數的需求，同時根據建筑負荷的空間分布特性，實現了“精準送風”。

圖2 疊動通風系統焓濕處理過程Fig.2 The enthalpy and humidity treatment process of interactive cascade ventilation system

圖3 疊動通風氣流組織形式Fig.3 Interactive cascade ventilation of air distribution

1.3 射流特性對比

疊動通風的核心思想為通過采用多質熱能實現梯級調溫。如圖4所示，經高溫冷水(低品位能源)制取下層高溫冷風送入人員非敏感區，經常規冷水(高品位能源)制取上層常規冷風送入人員敏感區。疊動通風雙層射流進入疊加作用區域后，會產生由層級射流間的溫度梯度所引發的浮力通量，同時層級射流間會存在動態擾流阻力，進而引發原有射流軌跡偏移。

圖4 新型疊動通風系統Fig.4 Interactive cascade ventilation system

在傳統機械通風模式中，由浮力通量所引發的冷風沉降及熱風上浮等問題是導致人體不舒適及通風高能耗的關鍵，也是目前改善各類機械通風系統性能的主要方向。如圖5所示，本研究所提出的疊動通風通過構建不同層級射流間溫度梯度以實現浮力通量作用方向轉變。該浮力通量可對上層射流產生托舉作用，同時對下層射流具有壓制作用，從而顯著降低傳統層式通風模式下的冷風沉降與熱風上浮的不利影響，實現了熱浮升力“轉劣為優”。相對于傳統機械通風模式，疊動通風具備以下優勢:

圖5 射流特性對比Fig.5 Comparison of jet charactersitics between traditional stratum ventilation

1)疊動通風通過利用不同品位射流間的浮力通量，將熱浮升力“轉劣為優”，可明顯改善“冷風下沉”與“熱風上浮”現象，目標區域溫度分布更加均勻，顯著提升通風效率與人體熱舒適性。

2)疊動通風可適配平疫聯動模式，將室外新風引入至上層風——“呼吸層”，以提升有效新風量，降低新風處理能耗，增強室內空氣品質；在疫情防控期間，上層風可切換至全新風模式以減小建筑內部人員交叉傳染風險，遠離人體呼吸區的下層風經室內盤管處理保持常態，可大幅度降低空調能耗。

3)疊動通風不僅實現了能源總量的縮減，而且可同時實現多質熱能耦合利用，節能潛力更大，可為進一步降低建筑空調能耗提供新思路。

2 研究方法

2.1 研究案例

本研究所選取的研究房間長寬高分別為6 m×4 m×3.5 m。運用CFD 專業模擬軟件Airpak 進行建模計算，其模型中所用邊界條件均根據實驗所測進行設置，人員發熱量以及照明功率均按照辦公環境下標準工況所得。在層式通風與疊動通風兩個模型中，根據室內負荷以及實驗所測，其送風量一致，換氣次數(ACH)均為10 次/小時。由于層式通風的送風口個數為2，而疊動通風的送風口個數為4(上下層各2 個送風口)，為了排除送風速度對研究結果的影響，本研究通過改變送風口面積來保證兩個模型的送風量與送風速度一致。疊動通風是通過創建送風之間的溫度梯度從而實現熱浮升力作用方向逆轉，通過綜合考慮層級射流間溫度梯度以及送風溫差，暫定其上層送風溫度為20 ℃，下層送風溫度為23 ℃。與此同時，為了初步探索疊動通風的可行性與節能性，在本次研究中暫定疊動通風上下排送風量相同。但需要提出的是，上下排風量的匹配是疊動通風性能優化的重點內容，該部分將展示在筆者的后續研究當中。由于疊動通風的送風溫度發生改變，進而勢必引發其送風冷量發生變化，其推導過程如下。

對于層式通風來說，送風冷量計算公式為:

式中:Q層式為層式通風送風冷量，kW；c為空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；m為層式通風送風量，kg/s；tin為室內設計溫度，℃；ts為層式通風送風溫度，℃。

對于疊動通風來說，送風冷量計算式如式(2)至式(4)所示:

式中:Q疊動為疊動通風送風冷量，kW；c為空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；m上為疊動通風上層送風量，kg/s；m下為疊動通風下層送風量，kg/s；Tin為室內設計溫度，℃；t上為疊動通風上層風送風溫度，℃；t下為疊動通風下層風送風溫度，℃。

在本研究中，初步設定m上＝m下＝0.5m，疊動通風上層送風溫度為20 ℃，下層送風溫度為23 ℃。層式通風送風溫度為20 ℃。因此，tin－ t上＝tin－ ts＝6 ℃，tin－ t下＝3 ℃。可以推導出疊動通風與層式通風在送風冷量上的關系，如式(5)所示。

通過上式可知，疊動通風的輸入冷量為層式通風的75%，縮減了25%的送風冷量，而由于冷量的縮減以及送風溫度的變化，將引發室內溫度場的變化。為了進一步探究疊動通風氣流組織的優越性，本研究同時提供了層式通風送風溫度分別為21.5 ℃(疊動通風等效送風溫度)以及23 ℃兩個對比工況的研究數據。其中，當層式通風送風溫度為21.5 ℃時，層式通風輸入冷量與疊動通風輸入冷量相同。模型中相關的邊界條件以及參數設置如表1所示。

表1 CFD 模型中的邊界條件及內熱擾參數Tab.1 Boundary conditions and internal heat disturbance parameters in CFD model

2.2 模型的驗證

在本研究中，為了確保CFD 模型的準確性，對其進行了多工況實驗驗證。實驗艙位于寒冷氣候區內的天津，尺寸為6 m×4 m×3.5 m，與CFD 模型一致。如圖6所示，實驗艙內部的三維空間被劃分成99 個控制體與監測模塊，縱向方向被劃分為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 與2.4 m 共計11 個高度，每個控制體內中心位置均懸掛布置熱電偶，形成動態變化的溫度三維數據鏈，進而通過監測室內溫度場的變化特征來分析疊動通風的通風性能；在建筑圍護結構與控制體相對應的投影位置處埋入熱電偶，圍護結構內表面對應位置也均勻布置熱流密度計，以監測實驗艙壁面溫度及熱流密度，用于精確CFD 模型的邊界條件；還通過安裝有速度傳感器的移動測量車監測穩態條件下室內的三維速度場；室外氣象參數可通過小型氣象站來監測與收集。上述所有監測數據都同步設定采集間隔，用于定量分析疊動通風的能量輸送機制及射流特性。

圖6 實驗艙實物Fig.6 A physical picture of the laboratory

如圖7所示，實驗系統主要由初效過濾器、靜壓箱、熱交換器、組合式空氣處理機組、實驗艙、控制柜以及數據自動采集儀等組成。實驗所用到的干球溫度由T 型熱電偶測量，精度為± 0.1 ℃，速度由Testo 440 測量，精度為±0.03 m/s，量程為0～20 m/s。實驗中，溫度與速度均為測量變量，數據通過捷倫數據采集儀采集，由于本實驗變量均為直接測量值，所以采用Kline 和McClintock 提出的誤差分析方法。假設變量R是獨立變量X1，X2，…，Xn的函數，即R＝R(X1，X2，…，Xn)，相對不確定度由下式給出:

通過計算，本實驗的溫度和速度測量精度分別為0.08 %和0.25 %。

為驗證Airpak 建立的數值模型的準確性，將模擬的流速和溫度分布分別與實驗測量值進行了比較。本研究所選取的6 個典型位置如圖8所示。根據GB/T 50785—2012?民用建筑室內熱濕環境評價標準?[15]中的相關要求，本研究選取驗證實驗的測點高度為1.1 m。模擬結果與實驗所測的溫度和速度對比結果如圖9所示。

圖7 實驗系統Fig.7 Experimental system

圖8 測點位置Fig.8 The position of the measuring point

由圖9 可知，模擬的速度和溫度與實驗值吻合較好，溫度與風速的最大差異分別為0.2 ℃與0.02 m/s?？梢?，本研究所采用的CFD 模型精度較高且滿足需求，可以用于后續的研究當中。

圖9 溫度與風速對比(模擬vs 實驗)Fig.9 Contrast of temperature and velocity(simulation vs experiment)

2.3 氣流組織及熱舒適特性的評價指標

為了對比兩種通風模式下的氣流組織特性及熱舒適特性，引入了以下評價指標:

1)溫度分布。

2)通風效率。

對于空間的任意一點，通風效率可由式(7)進行計算[16]:

式中:Et為通風效率；Ts為送風溫度，℃；Te為回風溫度，℃；Tx為房間內某一點處的溫度，℃。

3)有效通風溫度(EDT)。

層式通風的有效通風溫度同常規通風模式下的計算方法不同，可由式(8)計算[17]:

式中:EDTs為層式通風的有效通風溫度，K，層式通風的有效通風溫度的舒適區間為－1.2～1.2 K；Tr為室內平均溫度，K；vx為房間內某一點的風速，m/s。

4)ADPI。

采用空氣分布性能指數(ADPI)來評價室內熱舒適性，計算方法如下[18]:

式中:N為人員區研究節點總數，個；Ns是EDT和速度同時落在舒適范圍內的節點數，個。其中舒適區范圍為EDT 為－1.2～1.2 K，速度為0～0.8 m/s內。若ADPI 越接近100%，則熱環境越舒適。

3 結果分析與討論

3.1 溫度對比

圖10所示為層式通風在送風溫度為20 ℃，21.5℃(疊動通風等效送風溫度)以及23.0 ℃下與疊動通風沿高度方向上各層平均溫度的變化對比。由圖10 可知，在疊動通風相對于層式通風(送風溫度為20℃)減小25 %送風負荷的前提下，層式通風模式下室內平均溫度為26.37 ℃，疊動通風模式下的室內平均溫度為26.64 ℃，室內平均溫度僅僅升高了0.27 ℃，且二者在1.2 m 高度處出現最大差值僅為0.35 ℃。當層式通風送風溫度為21.5 ℃時，此時層式通風的送風冷量與疊動通風的送風冷量相同，相對于層式通風送風溫度為20 ℃工況，室內平均溫度上升約1.2℃，相對于疊動通風，室內平均溫度也提升1 ℃。當層式通風送風溫度提升至23 ℃時，室內平均溫度高達28.27 ℃，該值遠高于層式通風送風溫度為20 ℃以及疊動通風模式下的室內平均溫度。綜上所述，疊動通風模式下室內平均溫度相對于送風溫度為20 ℃工況下層式通風的室內平均溫度略有提升是由于輸入冷量降低所致，但該值卻遠低于相同輸入冷量的層式通風(送風溫度為21.5 ℃)模式下的室內平均溫度值。這是由于疊動通風雙層射流的交互影響以及針對負荷空間分布特征的精準送風的優越性與節能性所致。因此在送風負荷大幅度降低的情況下，疊動通風模式下的室內整體溫度并沒有出現顯著上升，且溫度分布愈加合理。

圖10 不同高度溫度對比(層式通風vs 疊動通風)Fig.10 Temperature contrast at different heights(stratum ventilation vs interactive cascate ventilation)

3.2 冷量利用率及通風效率對比

冷量利用率可表現為不同高度上的通風效率，而冷量利用率與通風效率均可體現通風模式的節能性。層式通風與疊動通風兩種模式下的不同高度的冷量利用率如圖11所示。在0.1～1.0 m 高度范圍內，疊動通風的冷量利用率明顯高于層式送風，這是由于疊動通風在0.75 m 高度上設置了送風口，能夠有效地帶動局部范圍內的空氣流動，并對上層風口的冷氣流下沉起到抑制作用，使得更多的冷量留在了人員區；而在1.0～1.3 m 范圍內，層式通風冷量利用率要好一點，這是由于層式通風送風口位置位于1.4 m，從而使得該范圍內空氣溫度較低所致。

圖11 冷量利用率對比(層式通風vs 疊動通風)Fig.11 Contrast of cooling capacity utilization(stratum ventilation vs interactive cascate ventilation)

整體來看，疊動通風的通風效率為1.004，而層式通風的通風效率為0.994?？梢?，雖然疊動通風的通風效率較高，但與層式通風差別不大。為了進一步提升人員區整體通風效率，還需對疊動通風的配置參數進行深入地優化，以獲取更好的節能特性。

3.3 室內熱舒適

EDT、ADPI 以及PMV 均可用來評價通風模式下的氣流組織合理性以及室內熱舒適性。由圖12 可知，疊動通風的輸入冷量僅為層式通風的75 %，因此使得室內整體溫度偏高0.27 ℃，從而導致疊動通風的EDT 在不同高度上均略高于層式通風，但仍處于舒適區范圍內，未引發人體不舒適。綜合有效通風溫度及空間速度分布數據計算可知，疊動通風的ADPI為0.852 4，而層式通風的ADPI 為0.841 7。圖13所示為兩種通風模式下的空間PMV 分布對比圖，從圖中可以看出，疊動通風的平均PMV 為－0.4，方差為0.16；而層式通風的平均PMV 為－0.6，方差為0.19。因此疊動通風相對于層式通風的PMV 分布更加均勻且更接近于熱中性環境。上述數據表明，疊動通風在減少25 %輸入負荷的前提下，氣流組織分布更加合理且室內熱舒適性有所提升。

圖12 空間有效通風溫度對比Fig.12 Contrast of spatial effective ventilation temperature

圖13 空間PMV 對比Fig.13 Contrast of spatial PMV

4 結論

本研究通過優化機械通風能源品位，構建不同層級射流間溫度梯度以轉變浮力通量作用方向，提出了新型通風模式——疊動通風，并分別從溫度分布、能量利用效率以及室內熱舒適性三個方面進行了分析，主要結論如下:

1)在相對于層式通風減小25 %送風負荷的前提下，疊動通風模式下的室內平均溫度僅升高0.27 ℃，遠低于同樣送風負荷及送風溫度下的層式通風室內平均溫度值。

2)新型疊動通風的通風效率為1.004，而層式通風的通風效率為0.994，由此可知，新型疊動通風的通風效率略高，但差距較小。

3)新型疊動通風的ADPI 為0.852 4，而層式通風的ADPI 為0.841 7，疊動通風相對于層式通風的PMV 分布也更加均勻且更接近于熱中性環境。上述數據表明，新型疊動通風可在減少25 %輸入負荷的前提下，室內熱舒適性仍有所提升。