左 濱，鐘 珂，潘李丹，亢燕銘

（1.東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620；2.揚州大學 能源與動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

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

左 濱1，2，鐘 珂1，潘李丹1，亢燕銘1

（1.東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620；2.揚州大學 能源與動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

比較了混合通風、置換通風、地板送風和碰撞射流通風這4種送風方式的特點，利用試驗方法實測了這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)境特點的異同，對比分析了4種送風方式下室內(nèi)熱舒適性、污染物分布特征，并對送風能量利用情況做了估計.

混合通風；置換通風；地板送風；碰撞射流通風；能量利用系數(shù)

送風方式作為空調(diào)系統(tǒng)的一個重要組成部分，對建筑室內(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，選擇合理的送風方式在空調(diào)系統(tǒng)中顯得尤其重要.在常見的混合通風、置換通風、地板送風和碰撞射流通風模式中，混合通風是最傳統(tǒng)的送風方式，通常從房間上部空間向室內(nèi)送風，送風氣流與室內(nèi)空氣完全混合后排出房間［1-2］.置換通風則從房間下部空間（墻或地板）提供低動量的空氣，送風氣流沿地面擴散形成低溫“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)風口排出.由于送風動量較低，置換通風一般只適用于供冷工況［3-4］.地板送風自位于地板的送風口送出較大動量的空氣，送風氣流與房間下部空氣混合后，從上部回風口排出房間［5-6］.碰撞射流通風則是一種較新的送風方式，送風氣流從距地面一定高度的送風口向地面以較高動量送入，與置換通風類似，將在地面形成“空氣湖”形式的氣流分布，同時，由于送風動量高，送入的風可以與室內(nèi)空氣充分混合，因此，碰撞射流通風被認為同時具有置換通風和混合通風的優(yōu)點［7-9］.上述各送風方式的氣流形態(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種送風方式形成的室內(nèi)熱環(huán)境的特點和潛在的節(jié)能效應，本文將在室內(nèi)、外條件相同的情況下，通過對4種送風方式下的室內(nèi)空氣溫度、氣流速度以及CO2質(zhì)量濃度進行實測和比較，分析不同送風方式下的室內(nèi)熱舒適性和能耗特征.

1 試驗方法與測點布置

1.1 試驗方法

試驗在一個帶有空調(diào)系統(tǒng)的全尺度的人工氣候室內(nèi)完成，可以實現(xiàn)對人工氣候室溫度和濕度條件的控制.其中實驗室房間尺寸為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，無窗，設有一尺寸為0.96 m×1.80 m的門供試驗人員進出，墻和地面設有多個尺寸均為0.24 m×0.34 m的送風口.試驗中通過打開不同的送風口實現(xiàn)不同送風方式，如圖3所示.試驗工況調(diào)試過程中，在房間2 m高度處設置了一個溫度測點，以保證4種送風方式下，房間內(nèi)該測點處溫度控制在26℃左右，以滿足人體熱舒適性的要求.

圖3 測試氣候室內(nèi)風口布置Fig.3 Arrangement of the air supply inlet in the test chamber

1.2 室內(nèi)熱源設置

此外，人體模型上部設有一個CO2釋放小孔，該小孔通過軟管與放在模型內(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 測點布置

人工氣候室內(nèi)布置有4根測桿，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.每根測桿上沿高度方向布置有7個測點，共28個測點.測桿的平面位置和測點的布置如圖5所示.

圖5 測試儀器布置Fig.5 Layout of test instruments

1.4 試驗儀器

試驗采用美國TSI公司的TSI-9535型風量流速表測量風口風速和溫度，該儀器可同時測量和記錄室內(nèi)溫度和氣流速度，其中氣流速度測量的量程為0～30 m／s，精 度 為 測 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型風速儀測量室內(nèi)各測點的風速；采用奧地利E＋E公司的EE80-2CT6／T04型溫度／CO2變送器測量室內(nèi)各測點的溫度和CO2質(zhì)量濃度.

1.5 試驗工況設定

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

表1 不同空調(diào)方式的試驗參數(shù)設置Table 1 Set values of the main parameters for the experiments

2 實測結(jié)果與分析

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

2.1 4種送風方式下室內(nèi)熱環(huán)境特征的實測與分析

4種工況下人工氣候室內(nèi)各測點的垂直溫度分布如圖6所示.由圖6可以看出，4種送風方式人員活動區(qū)（2 m以下空間）溫度均為26℃以下，滿足國標中對室內(nèi)溫度的要求［10］.室內(nèi)空氣平均溫度按混合通風、置換通風、地板送風和碰撞射流通風的順序依次降低.4種工況下室內(nèi)4根測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，混合通風垂直溫度梯度最小，置換通風和碰撞射流通風梯度較大；混合通風沿房間高度方向溫度梯度基本相同，置換通風、地板送風和碰撞射流通風室內(nèi)下部空間溫度梯度比上部空間大，尤其是置換通風房間中，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熱舒適影響很大.由圖6可以看出，混合通風房間人體頭足溫差僅為1℃左右，地板送風房間的人體頭足溫差略大，但均小于3℃，置換通風和碰撞射流通風除了1號測桿人體頭足溫差稍大于3℃（約3.3℃）外，其余測點均小于3℃，這可能是由于1號測桿靠近熱源的緣故.由此可見，4種空調(diào)送風方式基本都能滿足人體熱舒適性要求.

圖6 不同送風方式下室內(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測結(jié)果如圖7所示.由圖7可以看出，4種通風方式下室內(nèi)平均氣流速度均小于0.25 m／s，滿足國標中對室內(nèi)氣流速度的要求［10］.其中，置換通風室內(nèi)的平均氣流速度最小，地板送風、碰撞射流通風次之，混合通風最大.4種送風方式下，2號和4號測桿上幾乎所有測點的氣流速度都很小，接近于0；1號和3號測桿上各測點的氣流速度值相對較大，這可能是因為1號和3號測桿靠近熱源，自然對流增大了熱源附近的氣流速度.

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

就氣流速度的空間分布來看，混合通風、置換通風和地板送風基本都是室內(nèi)上部空間較大，下部空間較小，而碰撞射流通風則是上部空間較小，下部空間較大，這是由于碰撞射流送風方式是將一股強氣流垂直沖向地板，空氣在地面展開蔓延，且4號測桿靠近送風口，所以地面附近氣流速度較大.

圖7（d）表明，碰撞射流通風在風口正下方附近的地面氣流速度較大，有可能導致因吹風感引起的不舒適.為進一步了解氣流對人體熱舒適性的影響，對不同送風方式下房間內(nèi)由于吹風感引起的不舒適性進行分析.

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

吹風感敏感性的影響因素有很多，如人體熱感覺、氣流穩(wěn)流強度、性別、氣流方向、人體的活動水平等.Fanger模型是目前最被廣泛應用的一種吹風感預測模型，該模型從動態(tài)和靜態(tài)兩個方面預測吹風感引起的不舒適度，其中靜態(tài)部分體現(xiàn)人體整體熱損失部分，動態(tài)部分體現(xiàn)氣流紊流強度對吹風感的影響部分.吹風感引起的不舒適度PD[11]可表示為

其中：PD表示由于吹風引起空調(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＜0.05 m／s時，令＝0.05 m／s；T u為紊流強度，%.

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

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

2.2 4種送風方式下室內(nèi)CO2質(zhì)量濃度分布

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

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

4種工況下室內(nèi)無量綱CO2濃度垂直分布的實測結(jié)果如圖9所示.由圖9可見，4種通風方式下無量綱CO2濃度均隨室內(nèi)測點高度的增加而增大.其中，混合通風的CO2濃度梯度最小，表明在該送風方式下室內(nèi)CO2濃度分布比較均勻；置換通風、地板送風和碰撞射流通風房間均在室內(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，而地板送風和碰撞射流通風房間的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 不同送風方式的能量利用率

試驗期間，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，無窗，產(chǎn)生的空調(diào)冷負荷很小且基本不變，故負荷主要來自室內(nèi)熱源，試驗過程中保持室內(nèi)熱源條件不變，均為720 W.根據(jù)實測結(jié)果，表2給出了不同送風方式下室內(nèi)熱環(huán)境的各項參數(shù).

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

經(jīng)濟有效的空調(diào)送風方式，是在滿足人員活動區(qū)熱舒適性的基礎上，使空調(diào)送風更有效地排除人員活動區(qū)的余熱，非人員活動區(qū)的余熱可以通過提高排風溫度來實現(xiàn)，無需增加送風冷量，從而達到提高系統(tǒng)經(jīng)濟性的目的.能量利用系數(shù)η可以用于考察送風方式的能量利用有效性，其計算式［13］為

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

3 結(jié) 語

通過一系列對比試驗，實測了采用4種常見空調(diào)送風方式（混合通風、置換通風、地板送風和碰撞射流通風）下室內(nèi)空氣溫度、氣流速度和CO2質(zhì)量濃度的分布特征，分析了不同送風方式下房間熱環(huán)境特征和送風能量利用情況，主要結(jié)論如下所述.

（1）4種送風方式下，室內(nèi)都存在沿房間高度方向的溫度梯度，但均滿足國標對人體頭足溫差的要求.溫度梯度由低到高的順序為混合通風、地板送風、碰撞射流通風和置換通風.

（2）4種送風方式下，室內(nèi)平均氣流速度均小于0.25 m／s，滿足國標對室內(nèi)氣流速度的要求.但碰撞射流送風方式由于送風冷氣流直接進入人員活動區(qū)域，同時送風速度較高，對人體足部形成吹風感的概率較大，吹風感引起的不舒適度高于10%.在實際應用中，對于類似本文實測的小辦公室，建議適當降低送風速度.

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

（4）對能量利用系數(shù)的分析結(jié)果表明，地板送風和置換通風方式對送風能量的利用效果略好于混合通風，而碰撞射流通風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

國家自然科學基金資助項目（51278094）

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

1671-0444（2014）03-0339-06