送風(fēng)方式對(duì)空調(diào)室內(nèi)環(huán)境和系統(tǒng)節(jié)能性影響的試驗(yàn)研究

左 濱，鐘 珂，潘李丹，亢燕銘

（1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.揚(yáng)州大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

送風(fēng)方式對(duì)空調(diào)室內(nèi)環(huán)境和系統(tǒng)節(jié)能性影響的試驗(yàn)研究

左 濱1，2，鐘 珂1，潘李丹1，亢燕銘1

（1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.揚(yáng)州大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

比較了混合通風(fēng)、置換通風(fēng)、地板送風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)這4種送風(fēng)方式的特點(diǎn)，利用試驗(yàn)方法實(shí)測(cè)了這4種方式下空調(diào)房間的室內(nèi)溫度、氣流速度和CO2質(zhì)量濃度分布，討論了室內(nèi)熱環(huán)境特點(diǎn)的異同，對(duì)比分析了4種送風(fēng)方式下室內(nèi)熱舒適性、污染物分布特征，并對(duì)送風(fēng)能量利用情況做了估計(jì).

混合通風(fēng)；置換通風(fēng)；地板送風(fēng)；碰撞射流通風(fēng)；能量利用系數(shù)

送風(fēng)方式作為空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)劣、污染物的分布特性和系統(tǒng)整體能耗都有直接的影響，因此，選擇合理的送風(fēng)方式在空調(diào)系統(tǒng)中顯得尤其重要.在常見(jiàn)的混合通風(fēng)、置換通風(fēng)、地板送風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)模式中，混合通風(fēng)是最傳統(tǒng)的送風(fēng)方式，通常從房間上部空間向室內(nèi)送風(fēng)，送風(fēng)氣流與室內(nèi)空氣完全混合后排出房間［1-2］.置換通風(fēng)則從房間下部空間（墻或地板）提供低動(dòng)量的空氣，送風(fēng)氣流沿地面擴(kuò)散形成低溫“空氣湖”，冷空氣受熱源加熱后在熱浮力作用下匯聚到上部空間，然后經(jīng)風(fēng)口排出.由于送風(fēng)動(dòng)量較低，置換通風(fēng)一般只適用于供冷工況［3-4］.地板送風(fēng)自位于地板的送風(fēng)口送出較大動(dòng)量的空氣，送風(fēng)氣流與房間下部空氣混合后，從上部回風(fēng)口排出房間［5-6］.碰撞射流通風(fēng)則是一種較新的送風(fēng)方式，送風(fēng)氣流從距地面一定高度的送風(fēng)口向地面以較高動(dòng)量送入，與置換通風(fēng)類似，將在地面形成“空氣湖”形式的氣流分布，同時(shí)，由于送風(fēng)動(dòng)量高，送入的風(fēng)可以與室內(nèi)空氣充分混合，因此，碰撞射流通風(fēng)被認(rèn)為同時(shí)具有置換通風(fēng)和混合通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)［7-9］.上述各送風(fēng)方式的氣流形態(tài)示意圖如圖1所示.

圖1 空調(diào)系統(tǒng)4種送風(fēng)方式示意圖Fig.1 Schematic diagrams of four air supply modes of air conditioning system

為比較4種送風(fēng)方式形成的室內(nèi)熱環(huán)境的特點(diǎn)和潛在的節(jié)能效應(yīng)，本文將在室內(nèi)、外條件相同的情況下，通過(guò)對(duì)4種送風(fēng)方式下的室內(nèi)空氣溫度、氣流速度以及CO2質(zhì)量濃度進(jìn)行實(shí)測(cè)和比較，分析不同送風(fēng)方式下的室內(nèi)熱舒適性和能耗特征.

1 試驗(yàn)方法與測(cè)點(diǎn)布置

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在一個(gè)帶有空調(diào)系統(tǒng)的全尺度的人工氣候室內(nèi)完成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人工氣候室溫度和濕度條件的控制.其中實(shí)驗(yàn)室房間尺寸為6.5 m×8.0 m×4.0 m，人工氣候室尺寸為3.0 m×3.6 m×2.6 m，試驗(yàn)系統(tǒng)平面布置如圖2所示.人工氣候室墻體材質(zhì)為內(nèi)注發(fā)泡聚氨酯保溫材料的不銹鋼板，無(wú)窗，設(shè)有一尺寸為0.96 m×1.80 m的門(mén)供試驗(yàn)人員進(jìn)出，墻和地面設(shè)有多個(gè)尺寸均為0.24 m×0.34 m的送風(fēng)口.試驗(yàn)中通過(guò)打開(kāi)不同的送風(fēng)口實(shí)現(xiàn)不同送風(fēng)方式，如圖3所示.試驗(yàn)工況調(diào)試過(guò)程中，在房間2 m高度處設(shè)置了一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，以保證4種送風(fēng)方式下，房間內(nèi)該測(cè)點(diǎn)處溫度控制在26℃左右，以滿足人體熱舒適性的要求.

圖3 測(cè)試氣候室內(nèi)風(fēng)口布置Fig.3 Arrangement of the air supply inlet in the test chamber

1.2 室內(nèi)熱源設(shè)置

此外，人體模型上部設(shè)有一個(gè)CO2釋放小孔，該小孔通過(guò)軟管與放在模型內(nèi)部的CO2氣瓶相連，以模擬人體呼出的CO2氣體，房間總CO2污染源的強(qiáng)度為0.04 m3／h.

圖4 室內(nèi)熱源布置Fig.4 Locations of the inner heat sources

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

人工氣候室內(nèi)布置有4根測(cè)桿，以記錄室內(nèi)溫度、氣流速度和CO2質(zhì)量濃度的瞬態(tài)變化.每根測(cè)桿上沿高度方向布置有7個(gè)測(cè)點(diǎn)，共28個(gè)測(cè)點(diǎn).測(cè)桿的平面位置和測(cè)點(diǎn)的布置如圖5所示.

圖5 測(cè)試儀器布置Fig.5 Layout of test instruments

1.4 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用美國(guó)TSI公司的TSI-9535型風(fēng)量流速表測(cè)量風(fēng)口風(fēng)速和溫度，該儀器可同時(shí)測(cè)量和記錄室內(nèi)溫度和氣流速度，其中氣流速度測(cè)量的量程為0～30 m／s，精 度 為 測(cè) 量 值 的 ±3% 和±0.015 m／s兩者的較大值，分辨率為0.01 m／s；溫度量程為-17.8～93.3℃，精度為±0.3℃，分辨率為0.1℃.另外，采用Detla公司的HD403TS型風(fēng)速儀測(cè)量室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速；采用奧地利E＋E公司的EE80-2CT6／T04型溫度／CO2變送器測(cè)量室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度和CO2質(zhì)量濃度.

1.5 試驗(yàn)工況設(shè)定

4種不同空調(diào)送風(fēng)方式下試驗(yàn)工況所需的基本參數(shù)如表1所示.

表1 不同空調(diào)方式的試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 1 Set values of the main parameters for the experiments

2 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

根據(jù)1.5節(jié)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在混合通風(fēng)、置換通風(fēng)、地板送風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)4種送風(fēng)方式下實(shí)測(cè)了室內(nèi)溫度、氣流速度和CO2質(zhì)量濃度分布，以分析不同送風(fēng)方式下的室內(nèi)空氣環(huán)境特征和送風(fēng)能量利用率.

2.1 4種送風(fēng)方式下室內(nèi)熱環(huán)境特征的實(shí)測(cè)與分析

4種工況下人工氣候室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的垂直溫度分布如圖6所示.由圖6可以看出，4種送風(fēng)方式人員活動(dòng)區(qū)（2 m以下空間）溫度均為26℃以下，滿足國(guó)標(biāo)中對(duì)室內(nèi)溫度的要求［10］.室內(nèi)空氣平均溫度按混合通風(fēng)、置換通風(fēng)、地板送風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)的順序依次降低.4種工況下室內(nèi)4根測(cè)桿垂直方向均存在溫度梯度，且上部溫度較高，下部溫度較低.其中，混合通風(fēng)垂直溫度梯度最小，置換通風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)梯度較大；混合通風(fēng)沿房間高度方向溫度梯度基本相同，置換通風(fēng)、地板送風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)室內(nèi)下部空間溫度梯度比上部空間大，尤其是置換通風(fēng)房間中，溫度的垂直變化主要發(fā)生在1 m以下空間.

人體頭足位置的空氣溫度差值對(duì)熱舒適影響很大.由圖6可以看出，混合通風(fēng)房間人體頭足溫差僅為1℃左右，地板送風(fēng)房間的人體頭足溫差略大，但均小于3℃，置換通風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)除了1號(hào)測(cè)桿人體頭足溫差稍大于3℃（約3.3℃）外，其余測(cè)點(diǎn)均小于3℃，這可能是由于1號(hào)測(cè)桿靠近熱源的緣故.由此可見(jiàn)，4種空調(diào)送風(fēng)方式基本都能滿足人體熱舒適性要求.

圖6 不同送風(fēng)方式下室內(nèi)垂直溫度分布Fig.6 Indoor vertical temperature profiles of different air conditioning systems

4種工況下室內(nèi)氣流速度垂直分布的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖7所示.由圖7可以看出，4種通風(fēng)方式下室內(nèi)平均氣流速度均小于0.25 m／s，滿足國(guó)標(biāo)中對(duì)室內(nèi)氣流速度的要求［10］.其中，置換通風(fēng)室內(nèi)的平均氣流速度最小，地板送風(fēng)、碰撞射流通風(fēng)次之，混合通風(fēng)最大.4種送風(fēng)方式下，2號(hào)和4號(hào)測(cè)桿上幾乎所有測(cè)點(diǎn)的氣流速度都很小，接近于0；1號(hào)和3號(hào)測(cè)桿上各測(cè)點(diǎn)的氣流速度值相對(duì)較大，這可能是因?yàn)?號(hào)和3號(hào)測(cè)桿靠近熱源，自然對(duì)流增大了熱源附近的氣流速度.

4.1.2 創(chuàng)新教學(xué)模式構(gòu)建特色人文教育體系。構(gòu)建貫穿于醫(yī)學(xué)教育始終的、科學(xué)的醫(yī)學(xué)人文教育體系，增加與職業(yè)培養(yǎng)相關(guān)的實(shí)踐活動(dòng)，提高醫(yī)學(xué)生的職業(yè)適應(yīng)能力，增加人文選修課程，提升醫(yī)學(xué)生的人文素養(yǎng)。

就氣流速度的空間分布來(lái)看，混合通風(fēng)、置換通風(fēng)和地板送風(fēng)基本都是室內(nèi)上部空間較大，下部空間較小，而碰撞射流通風(fēng)則是上部空間較小，下部空間較大，這是由于碰撞射流送風(fēng)方式是將一股強(qiáng)氣流垂直沖向地板，空氣在地面展開(kāi)蔓延，且4號(hào)測(cè)桿靠近送風(fēng)口，所以地面附近氣流速度較大.

圖7（d）表明，碰撞射流通風(fēng)在風(fēng)口正下方附近的地面氣流速度較大，有可能導(dǎo)致因吹風(fēng)感引起的不舒適.為進(jìn)一步了解氣流對(duì)人體熱舒適性的影響，對(duì)不同送風(fēng)方式下房間內(nèi)由于吹風(fēng)感引起的不舒適性進(jìn)行分析.

圖7 不同送風(fēng)方式下室內(nèi)風(fēng)速沿高度的變化Fig.7 Indoor vertical velocity distributions of different air conditioning systems

吹風(fēng)感敏感性的影響因素有很多，如人體熱感覺(jué)、氣流穩(wěn)流強(qiáng)度、性別、氣流方向、人體的活動(dòng)水平等.Fanger模型是目前最被廣泛應(yīng)用的一種吹風(fēng)感預(yù)測(cè)模型，該模型從動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩個(gè)方面預(yù)測(cè)吹風(fēng)感引起的不舒適度，其中靜態(tài)部分體現(xiàn)人體整體熱損失部分，動(dòng)態(tài)部分體現(xiàn)氣流紊流強(qiáng)度對(duì)吹風(fēng)感的影響部分.吹風(fēng)感引起的不舒適度PD[11]可表示為

其中：PD表示由于吹風(fēng)引起空調(diào)房間使用者的不滿意率，%；ti為室內(nèi)溫度，℃；為室內(nèi)空氣平均氣流速度，m／s，當(dāng)＜0.05 m／s時(shí)，令＝0.05 m／s；T u為紊流強(qiáng)度，%.

4種送風(fēng)方式下房間內(nèi)由于吹風(fēng)感引起的不舒適度結(jié)果如圖8所示.由圖8可以看出，置換通風(fēng)和地板送風(fēng)房間的PD值接近0，即不會(huì)因吹風(fēng)感引起人體不舒適，而混合通風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)房間內(nèi)存在有明顯吹風(fēng)感的測(cè)點(diǎn)，不同的是，前者的吹風(fēng)感出現(xiàn)在人體頭部高度處，不滿意率為10%左右，后者出現(xiàn)在近地面靠近風(fēng)口處，并且所產(chǎn)生的不舒適度PD值更大一些，不滿意率達(dá)到了15%～18%，容易使室內(nèi)人員足部在近風(fēng)口處感覺(jué)到吹風(fēng)感.

圖8 不同送風(fēng)方式下室內(nèi)垂直P(pán)D值分布Fig.8 Indoor vertical PD value distributions of different air conditioning systems

2.2 4種送風(fēng)方式下室內(nèi)CO2質(zhì)量濃度分布

為了考察送風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響，對(duì)CO2質(zhì)量濃度空間分布情況進(jìn)行了測(cè)量.由于不同送風(fēng)方式的通風(fēng)量不同，為便于分析比較，對(duì)CO2質(zhì)量濃度進(jìn)行無(wú)量綱化，無(wú)量綱濃度C［12］可以定義為

其中：ci，c0和cp分別為CO2氣體在房間內(nèi)任一點(diǎn)的質(zhì)量濃度、送風(fēng)質(zhì)量濃度和排風(fēng)質(zhì)量濃度，mg／m3.

4種工況下室內(nèi)無(wú)量綱CO2濃度垂直分布的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9所示.由圖9可見(jiàn)，4種通風(fēng)方式下無(wú)量綱CO2濃度均隨室內(nèi)測(cè)點(diǎn)高度的增加而增大.其中，混合通風(fēng)的CO2濃度梯度最小，表明在該送風(fēng)方式下室內(nèi)CO2濃度分布比較均勻；置換通風(fēng)、地板送風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)房間均在室內(nèi)的下部空間出現(xiàn)明顯的CO2濃度梯度，上部空間濃度分布趨于均勻.由圖9（b）～9（d）可知，置換通風(fēng)房間的CO2濃度梯度分界線高度大約在1.0 m高度處，而地板送風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)房間的CO2濃度梯度分界線約在1.3 m處，較高的濃度梯度分界線高度有利于降低人體呼吸面處CO2的質(zhì)量濃度.

2.3 不同送風(fēng)方式的能量利用率

試驗(yàn)期間，人工氣候室外的房間溫度維持在20～22℃.由于人工氣候室圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)為內(nèi)注發(fā)泡聚氨酯保溫材料的不銹鋼板，無(wú)窗，產(chǎn)生的空調(diào)冷負(fù)荷很小且基本不變，故負(fù)荷主要來(lái)自室內(nèi)熱源，試驗(yàn)過(guò)程中保持室內(nèi)熱源條件不變，均為720 W.根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，表2給出了不同送風(fēng)方式下室內(nèi)熱環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù).

表2 送風(fēng)方式下室內(nèi)熱環(huán)境的綜合比較Table 2 Integrated comparison of indoor thermal environment of different air conditioning systems

由表2可知，室內(nèi)排風(fēng)口溫度基本相同，但在4種送風(fēng)方式下，送風(fēng)溫度和人員活動(dòng)區(qū)（即2 m以下空間）的平均溫度均有較大差異.這表明4種送風(fēng)方式在排除室內(nèi)余熱時(shí)，投入能量的利用系數(shù)不同，換言之，送風(fēng)方式將直接影響空調(diào)系統(tǒng)能耗.

經(jīng)濟(jì)有效的空調(diào)送風(fēng)方式，是在滿足人員活動(dòng)區(qū)熱舒適性的基礎(chǔ)上，使空調(diào)送風(fēng)更有效地排除人員活動(dòng)區(qū)的余熱，非人員活動(dòng)區(qū)的余熱可以通過(guò)提高排風(fēng)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需增加送風(fēng)冷量，從而達(dá)到提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的目的.能量利用系數(shù)η可以用于考察送風(fēng)方式的能量利用有效性，其計(jì)算式［13］為

根據(jù)表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合式（3）可以得到4種送風(fēng)方式對(duì)應(yīng)的能量利用系數(shù)，如表2所示.由表2可以看出，混合通風(fēng)的能量利用系數(shù)最小，置換通風(fēng)和地板送風(fēng)基本相同，而碰撞射流通風(fēng)的能量利用系數(shù)明顯大于其他3種空調(diào)方式，即碰撞射流的空調(diào)送風(fēng)能量利用效率最高，經(jīng)濟(jì)性最好.圖7則表明，碰撞射流的人體頭足溫差僅略大于混合通風(fēng)，舒適性較好，但圖8的吹風(fēng)感分析結(jié)果表明，碰撞射流通風(fēng)可能對(duì)近風(fēng)口的人體足部產(chǎn)生吹風(fēng)感，因此，碰撞射流有可能成為同時(shí)滿足垂直溫差和節(jié)能性要求的空調(diào)方式.但在類似本文實(shí)測(cè)的小尺度房間內(nèi)，需要適當(dāng)降低送風(fēng)速度，以減小吹風(fēng)不適感.

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)一系列對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)測(cè)了采用4種常見(jiàn)空調(diào)送風(fēng)方式（混合通風(fēng)、置換通風(fēng)、地板送風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)）下室內(nèi)空氣溫度、氣流速度和CO2質(zhì)量濃度的分布特征，分析了不同送風(fēng)方式下房間熱環(huán)境特征和送風(fēng)能量利用情況，主要結(jié)論如下所述.

（1）4種送風(fēng)方式下，室內(nèi)都存在沿房間高度方向的溫度梯度，但均滿足國(guó)標(biāo)對(duì)人體頭足溫差的要求.溫度梯度由低到高的順序?yàn)榛旌贤L(fēng)、地板送風(fēng)、碰撞射流通風(fēng)和置換通風(fēng).

（2）4種送風(fēng)方式下，室內(nèi)平均氣流速度均小于0.25 m／s，滿足國(guó)標(biāo)對(duì)室內(nèi)氣流速度的要求.但碰撞射流送風(fēng)方式由于送風(fēng)冷氣流直接進(jìn)入人員活動(dòng)區(qū)域，同時(shí)送風(fēng)速度較高，對(duì)人體足部形成吹風(fēng)感的概率較大，吹風(fēng)感引起的不舒適度高于10%.在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于類似本文實(shí)測(cè)的小辦公室，建議適當(dāng)降低送風(fēng)速度.

（3）4種送風(fēng)方式都存在沿房間高度方向的CO2濃度梯度，但置換通風(fēng)、地板送風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)的CO2濃度梯度遠(yuǎn)大于混合通風(fēng)，同時(shí)，不同送風(fēng)方式下，室內(nèi)CO2濃度梯度分界線的位置不同，地板送風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)的分界線位置高于置換通風(fēng).

（4）對(duì)能量利用系數(shù)的分析結(jié)果表明，地板送風(fēng)和置換通風(fēng)方式對(duì)送風(fēng)能量的利用效果略好于混合通風(fēng)，而碰撞射流通風(fēng)的能量利用效果最優(yōu).

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51278094）

左 濱（1980—），女，江蘇揚(yáng)州人，講師，博士研究生，研究方向?yàn)槭覂?nèi)空氣品質(zhì).E-mail：zuobin＠yzu.edu.cn

1671-0444（2014）03-0339-06