非均勻室內(nèi)環(huán)境需求下新型疊動(dòng)通風(fēng)性能研究

李晗 李瑾超 李娜娜 孔祥飛

(河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院 天津 300401)

建筑供冷與采暖所消耗的能量占據(jù)了建筑能耗的47%[1]，而且隨著人民生活質(zhì)量的上升，對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的關(guān)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(nèi)環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)建筑節(jié)能具有重要意義。

學(xué)者們針對(duì)應(yīng)用于環(huán)境調(diào)控的不同類型通風(fēng)形式進(jìn)行了研究與對(duì)比[2－6]。研究表明，層式通風(fēng)是應(yīng)用于中小空間的一種非常有效的機(jī)械通風(fēng)方式[7]。新鮮空氣通過較短的距離和時(shí)間水平供應(yīng)到呼吸區(qū)。相較于其他送風(fēng)形式的呼吸區(qū)氣流，層式通風(fēng)送風(fēng)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(yōu)的環(huán)境調(diào)控效果和更高質(zhì)量的吸入空氣[8]。層式通風(fēng)的原理是通過在人員活動(dòng)區(qū)直接送風(fēng)使得在呼吸區(qū)水平上形成新鮮空氣層，同時(shí)提高室內(nèi)空氣溫度和流動(dòng)速度。研究還發(fā)現(xiàn)，層式通風(fēng)可以令室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度相較于混合通風(fēng)提升2.5 ℃，從而產(chǎn)生37.7%的節(jié)能率[9]。因此層式通風(fēng)不僅可以為人員提供一個(gè)舒適的環(huán)境，還可以顯著降低空調(diào)能耗[10]。通過建立合理的速度和溫度耦合關(guān)系，平均熱感覺指數(shù)(PMV)和預(yù)測(cè)不滿意百分比(PPD)以及呼吸區(qū)的高質(zhì)量空氣[11]均可顯著提升。文獻(xiàn)[12－13]表明，與混合通風(fēng)房間相比，層式通風(fēng)環(huán)境下的人員受到空氣中攜帶的病菌感染的風(fēng)險(xiǎn)更低。

但層式通風(fēng)還存在應(yīng)用場(chǎng)所受限的明顯缺陷。隨著射程的增加，由熱浮升力所引發(fā)的冷氣流下沉與熱氣流上升現(xiàn)象明顯，容易造成環(huán)境調(diào)控效果分層。離送風(fēng)口較近與較遠(yuǎn)區(qū)域，人體不舒適性顯著增加。若為了增加層式通風(fēng)對(duì)大空間的適用性，只能通過增大送風(fēng)速度來延長(zhǎng)射程，但同時(shí)又會(huì)給人員帶來顯著的吹風(fēng)感。除此之外，冷負(fù)荷與熱負(fù)荷的實(shí)際分布是存在明顯的空間差異性，而現(xiàn)階段的大部分通風(fēng)形式都是基于冷熱負(fù)荷分布均勻這一特性進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。因此，需求與供應(yīng)的矛盾性會(huì)帶來空間人體舒適性的降低與能耗的浪費(fèi)[14]。

本研究在吸取層式通風(fēng)優(yōu)越性的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化機(jī)械通風(fēng)能源品位，構(gòu)建不同層級(jí)射流間溫度梯度以轉(zhuǎn)變浮力通量作用方向，從而對(duì)浮升力加以轉(zhuǎn)換與利用，提出了全新的通風(fēng)模式——疊動(dòng)通風(fēng)，并將其通風(fēng)性能與室內(nèi)熱舒適性和通風(fēng)效率較高的層式通風(fēng)進(jìn)行了對(duì)比與分析。

1 系統(tǒng)描述

1.1 層式通風(fēng)系統(tǒng)

圖1所示為層式通風(fēng)系統(tǒng)的空氣熱濕處理過程，其中O 點(diǎn)代表室外狀態(tài)點(diǎn)，室外空氣(O)與室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)(R)混合后到達(dá)點(diǎn)1，然后通過組合式空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)過處理后到達(dá)點(diǎn)2，經(jīng)過層式送風(fēng)口，將冷風(fēng)送至人員區(qū)。

圖1 層式通風(fēng)系統(tǒng)焓濕處理過程Fig.1 The enthalpy and humidity treatment process of stratum ventilation system

1.2 疊動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)

相較于層式通風(fēng)的單高度單溫度射流送風(fēng)，疊動(dòng)通風(fēng)在不同高度處引入不同溫度的射流，以此促進(jìn)射流間產(chǎn)生溫度梯度，進(jìn)而使得影響射流送風(fēng)效果的熱浮升力作用方向逆轉(zhuǎn)，從而使得疊動(dòng)通風(fēng)模式下送風(fēng)效果提升，能源利用效率增加。圖2所示為新型疊動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)的空氣處理過程。其中，O 點(diǎn)代表室外狀態(tài)點(diǎn)，室外空氣(O)與室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)(R)混合后到達(dá)點(diǎn)1，上層風(fēng)通過常規(guī)冷源(組合式空調(diào)機(jī)組)，經(jīng)過處理后達(dá)到點(diǎn)2，通過上層風(fēng)口送入室內(nèi)；下層室內(nèi)回風(fēng)通過高溫冷源(低品位能源)進(jìn)行處理后通過下層風(fēng)口送入室內(nèi)。通過上述過程可知，室外新風(fēng)均通過上層風(fēng)口直接送至人員呼吸層，可以增強(qiáng)有效新風(fēng)量，并承擔(dān)室內(nèi)大部分熱濕負(fù)荷，而下層風(fēng)僅通過將室內(nèi)回風(fēng)處理至高溫冷源機(jī)器露點(diǎn)后送入室內(nèi)，承擔(dān)室內(nèi)小部分熱濕負(fù)荷。在上層和下層風(fēng)口向室內(nèi)送風(fēng)的過程中，射流層邊緣可能會(huì)發(fā)生摻混，從而達(dá)到點(diǎn)4向室內(nèi)送風(fēng)。如圖3所示，疊動(dòng)通風(fēng)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(fā)的相互作用來緩解冷風(fēng)下沉與熱風(fēng)上浮的不利現(xiàn)象，由此實(shí)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)在能源應(yīng)用方面的“質(zhì)”與“量”雙層次提升，并進(jìn)一步增強(qiáng)室內(nèi)非均勻環(huán)境營(yíng)造保障效果。與層式通風(fēng)相比，疊動(dòng)通風(fēng)人員區(qū)溫度分布更加合理，更容易滿足人體不同部位對(duì)熱環(huán)境參數(shù)的需求，同時(shí)根據(jù)建筑負(fù)荷的空間分布特性，實(shí)現(xiàn)了“精準(zhǔn)送風(fēng)”。

圖2 疊動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)焓濕處理過程Fig.2 The enthalpy and humidity treatment process of interactive cascade ventilation system

圖3 疊動(dòng)通風(fēng)氣流組織形式Fig.3 Interactive cascade ventilation of air distribution

1.3 射流特性對(duì)比

疊動(dòng)通風(fēng)的核心思想為通過采用多質(zhì)熱能實(shí)現(xiàn)梯級(jí)調(diào)溫。如圖4所示，經(jīng)高溫冷水(低品位能源)制取下層高溫冷風(fēng)送入人員非敏感區(qū)，經(jīng)常規(guī)冷水(高品位能源)制取上層常規(guī)冷風(fēng)送入人員敏感區(qū)。疊動(dòng)通風(fēng)雙層射流進(jìn)入疊加作用區(qū)域后，會(huì)產(chǎn)生由層級(jí)射流間的溫度梯度所引發(fā)的浮力通量，同時(shí)層級(jí)射流間會(huì)存在動(dòng)態(tài)擾流阻力，進(jìn)而引發(fā)原有射流軌跡偏移。

圖4 新型疊動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)Fig.4 Interactive cascade ventilation system

在傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)模式中，由浮力通量所引發(fā)的冷風(fēng)沉降及熱風(fēng)上浮等問題是導(dǎo)致人體不舒適及通風(fēng)高能耗的關(guān)鍵，也是目前改善各類機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)性能的主要方向。如圖5所示，本研究所提出的疊動(dòng)通風(fēng)通過構(gòu)建不同層級(jí)射流間溫度梯度以實(shí)現(xiàn)浮力通量作用方向轉(zhuǎn)變。該浮力通量可對(duì)上層射流產(chǎn)生托舉作用，同時(shí)對(duì)下層射流具有壓制作用，從而顯著降低傳統(tǒng)層式通風(fēng)模式下的冷風(fēng)沉降與熱風(fēng)上浮的不利影響，實(shí)現(xiàn)了熱浮升力“轉(zhuǎn)劣為優(yōu)”。相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)模式，疊動(dòng)通風(fēng)具備以下優(yōu)勢(shì):

圖5 射流特性對(duì)比Fig.5 Comparison of jet charactersitics between traditional stratum ventilation

1)疊動(dòng)通風(fēng)通過利用不同品位射流間的浮力通量，將熱浮升力“轉(zhuǎn)劣為優(yōu)”，可明顯改善“冷風(fēng)下沉”與“熱風(fēng)上浮”現(xiàn)象，目標(biāo)區(qū)域溫度分布更加均勻，顯著提升通風(fēng)效率與人體熱舒適性。

2)疊動(dòng)通風(fēng)可適配平疫聯(lián)動(dòng)模式，將室外新風(fēng)引入至上層風(fēng)——“呼吸層”，以提升有效新風(fēng)量，降低新風(fēng)處理能耗，增強(qiáng)室內(nèi)空氣品質(zhì)；在疫情防控期間，上層風(fēng)可切換至全新風(fēng)模式以減小建筑內(nèi)部人員交叉?zhèn)魅撅L(fēng)險(xiǎn)，遠(yuǎn)離人體呼吸區(qū)的下層風(fēng)經(jīng)室內(nèi)盤管處理保持常態(tài)，可大幅度降低空調(diào)能耗。

3)疊動(dòng)通風(fēng)不僅實(shí)現(xiàn)了能源總量的縮減，而且可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多質(zhì)熱能耦合利用，節(jié)能潛力更大，可為進(jìn)一步降低建筑空調(diào)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(zhǎng)寬高分別為6 m×4 m×3.5 m。運(yùn)用CFD 專業(yè)模擬軟件Airpak 進(jìn)行建模計(jì)算，其模型中所用邊界條件均根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)進(jìn)行設(shè)置，人員發(fā)熱量以及照明功率均按照辦公環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)工況所得。在層式通風(fēng)與疊動(dòng)通風(fēng)兩個(gè)模型中，根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷以及實(shí)驗(yàn)所測(cè)，其送風(fēng)量一致，換氣次數(shù)(ACH)均為10 次/小時(shí)。由于層式通風(fēng)的送風(fēng)口個(gè)數(shù)為2，而疊動(dòng)通風(fēng)的送風(fēng)口個(gè)數(shù)為4(上下層各2 個(gè)送風(fēng)口)，為了排除送風(fēng)速度對(duì)研究結(jié)果的影響，本研究通過改變送風(fēng)口面積來保證兩個(gè)模型的送風(fēng)量與送風(fēng)速度一致。疊動(dòng)通風(fēng)是通過創(chuàng)建送風(fēng)之間的溫度梯度從而實(shí)現(xiàn)熱浮升力作用方向逆轉(zhuǎn)，通過綜合考慮層級(jí)射流間溫度梯度以及送風(fēng)溫差，暫定其上層送風(fēng)溫度為20 ℃，下層送風(fēng)溫度為23 ℃。與此同時(shí)，為了初步探索疊動(dòng)通風(fēng)的可行性與節(jié)能性，在本次研究中暫定疊動(dòng)通風(fēng)上下排送風(fēng)量相同。但需要提出的是，上下排風(fēng)量的匹配是疊動(dòng)通風(fēng)性能優(yōu)化的重點(diǎn)內(nèi)容，該部分將展示在筆者的后續(xù)研究當(dāng)中。由于疊動(dòng)通風(fēng)的送風(fēng)溫度發(fā)生改變，進(jìn)而勢(shì)必引發(fā)其送風(fēng)冷量發(fā)生變化，其推導(dǎo)過程如下。

對(duì)于層式通風(fēng)來說，送風(fēng)冷量計(jì)算公式為:

式中:Q層式為層式通風(fēng)送風(fēng)冷量，kW；c為空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；m為層式通風(fēng)送風(fēng)量，kg/s；tin為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；ts為層式通風(fēng)送風(fēng)溫度，℃。

對(duì)于疊動(dòng)通風(fēng)來說，送風(fēng)冷量計(jì)算式如式(2)至式(4)所示:

式中:Q疊動(dòng)為疊動(dòng)通風(fēng)送風(fēng)冷量，kW；c為空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；m上為疊動(dòng)通風(fēng)上層送風(fēng)量，kg/s；m下為疊動(dòng)通風(fēng)下層送風(fēng)量，kg/s；Tin為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；t上為疊動(dòng)通風(fēng)上層風(fēng)送風(fēng)溫度，℃；t下為疊動(dòng)通風(fēng)下層風(fēng)送風(fēng)溫度，℃。

在本研究中，初步設(shè)定m上＝m下＝0.5m，疊動(dòng)通風(fēng)上層送風(fēng)溫度為20 ℃，下層送風(fēng)溫度為23 ℃。層式通風(fēng)送風(fēng)溫度為20 ℃。因此，tin－ t上＝tin－ ts＝6 ℃，tin－ t下＝3 ℃。可以推導(dǎo)出疊動(dòng)通風(fēng)與層式通風(fēng)在送風(fēng)冷量上的關(guān)系，如式(5)所示。

通過上式可知，疊動(dòng)通風(fēng)的輸入冷量為層式通風(fēng)的75%，縮減了25%的送風(fēng)冷量，而由于冷量的縮減以及送風(fēng)溫度的變化，將引發(fā)室內(nèi)溫度場(chǎng)的變化。為了進(jìn)一步探究疊動(dòng)通風(fēng)氣流組織的優(yōu)越性，本研究同時(shí)提供了層式通風(fēng)送風(fēng)溫度分別為21.5 ℃(疊動(dòng)通風(fēng)等效送風(fēng)溫度)以及23 ℃兩個(gè)對(duì)比工況的研究數(shù)據(jù)。其中，當(dāng)層式通風(fēng)送風(fēng)溫度為21.5 ℃時(shí)，層式通風(fēng)輸入冷量與疊動(dòng)通風(fēng)輸入冷量相同。模型中相關(guān)的邊界條件以及參數(shù)設(shè)置如表1所示。

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

2.2 模型的驗(yàn)證

在本研究中，為了確保CFD 模型的準(zhǔn)確性，對(duì)其進(jìn)行了多工況實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)艙位于寒冷氣候區(qū)內(nèi)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(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的三維空間被劃分成99 個(gè)控制體與監(jiān)測(cè)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(jì)11 個(gè)高度，每個(gè)控制體內(nèi)中心位置均懸掛布置熱電偶，形成動(dòng)態(tài)變化的溫度三維數(shù)據(jù)鏈，進(jìn)而通過監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度場(chǎng)的變化特征來分析疊動(dòng)通風(fēng)的通風(fēng)性能；在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與控制體相對(duì)應(yīng)的投影位置處埋入熱電偶，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對(duì)應(yīng)位置也均勻布置熱流密度計(jì)，以監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(dòng)測(cè)量車監(jiān)測(cè)穩(wěn)態(tài)條件下室內(nèi)的三維速度場(chǎng)；室外氣象參數(shù)可通過小型氣象站來監(jiān)測(cè)與收集。上述所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都同步設(shè)定采集間隔，用于定量分析疊動(dòng)通風(fēng)的能量輸送機(jī)制及射流特性。

圖6 實(shí)驗(yàn)艙實(shí)物Fig.6 A physical picture of the laboratory

如圖7所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由初效過濾器、靜壓箱、熱交換器、組合式空氣處理機(jī)組、實(shí)驗(yàn)艙、控制柜以及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀等組成。實(shí)驗(yàn)所用到的干球溫度由T 型熱電偶測(cè)量，精度為± 0.1 ℃，速度由Testo 440 測(cè)量，精度為±0.03 m/s，量程為0～20 m/s。實(shí)驗(yàn)中，溫度與速度均為測(cè)量變量，數(shù)據(jù)通過捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集，由于本實(shí)驗(yàn)變量均為直接測(cè)量值，所以采用Kline 和McClintock 提出的誤差分析方法。假設(shè)變量R是獨(dú)立變量X1，X2，…，Xn的函數(shù)，即R＝R(X1，X2，…，Xn)，相對(duì)不確定度由下式給出:

通過計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)的溫度和速度測(cè)量精度分別為0.08 %和0.25 %。

為驗(yàn)證Airpak 建立的數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，將模擬的流速和溫度分布分別與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行了比較。本研究所選取的6 個(gè)典型位置如圖8所示。根據(jù)GB/T 50785—2012?民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)?[15]中的相關(guān)要求，本研究選取驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)高度為1.1 m。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所測(cè)的溫度和速度對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 Experimental system

圖8 測(cè)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)值吻合較好，溫度與風(fēng)速的最大差異分別為0.2 ℃與0.02 m/s。可見，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(xù)的研究當(dāng)中。

圖9 溫度與風(fēng)速對(duì)比(模擬vs 實(shí)驗(yàn))Fig.9 Contrast of temperature and velocity(simulation vs experiment)

2.3 氣流組織及熱舒適特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了對(duì)比兩種通風(fēng)模式下的氣流組織特性及熱舒適特性，引入了以下評(píng)價(jià)指標(biāo):

1)溫度分布。

2)通風(fēng)效率。

對(duì)于空間的任意一點(diǎn)，通風(fēng)效率可由式(7)進(jìn)行計(jì)算[16]:

式中:Et為通風(fēng)效率；Ts為送風(fēng)溫度，℃；Te為回風(fēng)溫度，℃；Tx為房間內(nèi)某一點(diǎn)處的溫度，℃。

3)有效通風(fēng)溫度(EDT)。

層式通風(fēng)的有效通風(fēng)溫度同常規(guī)通風(fēng)模式下的計(jì)算方法不同，可由式(8)計(jì)算[17]:

式中:EDTs為層式通風(fēng)的有效通風(fēng)溫度，K，層式通風(fēng)的有效通風(fēng)溫度的舒適區(qū)間為－1.2～1.2 K；Tr為室內(nèi)平均溫度，K；vx為房間內(nèi)某一點(diǎn)的風(fēng)速，m/s。

4)ADPI。

采用空氣分布性能指數(shù)(ADPI)來評(píng)價(jià)室內(nèi)熱舒適性，計(jì)算方法如下[18]:

式中:N為人員區(qū)研究節(jié)點(diǎn)總數(shù)，個(gè)；Ns是EDT和速度同時(shí)落在舒適范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，個(gè)。其中舒適區(qū)范圍為EDT 為－1.2～1.2 K，速度為0～0.8 m/s內(nèi)。若ADPI 越接近100%，則熱環(huán)境越舒適。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 溫度對(duì)比

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

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

3.2 冷量利用率及通風(fēng)效率對(duì)比

冷量利用率可表現(xiàn)為不同高度上的通風(fēng)效率，而冷量利用率與通風(fēng)效率均可體現(xiàn)通風(fēng)模式的節(jié)能性。層式通風(fēng)與疊動(dòng)通風(fēng)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(nèi)，疊動(dòng)通風(fēng)的冷量利用率明顯高于層式送風(fēng)，這是由于疊動(dòng)通風(fēng)在0.75 m 高度上設(shè)置了送風(fēng)口，能夠有效地帶動(dòng)局部范圍內(nèi)的空氣流動(dòng)，并對(duì)上層風(fēng)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(qū)；而在1.0～1.3 m 范圍內(nèi)，層式通風(fēng)冷量利用率要好一點(diǎn)，這是由于層式通風(fēng)送風(fēng)口位置位于1.4 m，從而使得該范圍內(nèi)空氣溫度較低所致。

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

整體來看，疊動(dòng)通風(fēng)的通風(fēng)效率為1.004，而層式通風(fēng)的通風(fēng)效率為0.994。可見，雖然疊動(dòng)通風(fēng)的通風(fēng)效率較高，但與層式通風(fēng)差別不大。為了進(jìn)一步提升人員區(qū)整體通風(fēng)效率，還需對(duì)疊動(dòng)通風(fēng)的配置參數(shù)進(jìn)行深入地優(yōu)化，以獲取更好的節(jié)能特性。

3.3 室內(nèi)熱舒適

EDT、ADPI 以及PMV 均可用來評(píng)價(jià)通風(fēng)模式下的氣流組織合理性以及室內(nèi)熱舒適性。由圖12 可知，疊動(dòng)通風(fēng)的輸入冷量?jī)H為層式通風(fēng)的75 %，因此使得室內(nèi)整體溫度偏高0.27 ℃，從而導(dǎo)致疊動(dòng)通風(fēng)的EDT 在不同高度上均略高于層式通風(fēng)，但仍處于舒適區(qū)范圍內(nèi)，未引發(fā)人體不舒適。綜合有效通風(fēng)溫度及空間速度分布數(shù)據(jù)計(jì)算可知，疊動(dòng)通風(fēng)的ADPI為0.852 4，而層式通風(fēng)的ADPI 為0.841 7。圖13所示為兩種通風(fēng)模式下的空間PMV 分布對(duì)比圖，從圖中可以看出，疊動(dòng)通風(fēng)的平均PMV 為－0.4，方差為0.16；而層式通風(fēng)的平均PMV 為－0.6，方差為0.19。因此疊動(dòng)通風(fēng)相對(duì)于層式通風(fēng)的PMV 分布更加均勻且更接近于熱中性環(huán)境。上述數(shù)據(jù)表明，疊動(dòng)通風(fēng)在減少25 %輸入負(fù)荷的前提下，氣流組織分布更加合理且室內(nèi)熱舒適性有所提升。

圖12 空間有效通風(fēng)溫度對(duì)比Fig.12 Contrast of spatial effective ventilation temperature

圖13 空間PMV 對(duì)比Fig.13 Contrast of spatial PMV

4 結(jié)論

本研究通過優(yōu)化機(jī)械通風(fēng)能源品位，構(gòu)建不同層級(jí)射流間溫度梯度以轉(zhuǎn)變浮力通量作用方向，提出了新型通風(fēng)模式——疊動(dòng)通風(fēng)，并分別從溫度分布、能量利用效率以及室內(nèi)熱舒適性三個(gè)方面進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下:

1)在相對(duì)于層式通風(fēng)減小25 %送風(fēng)負(fù)荷的前提下，疊動(dòng)通風(fēng)模式下的室內(nèi)平均溫度僅升高0.27 ℃，遠(yuǎn)低于同樣送風(fēng)負(fù)荷及送風(fēng)溫度下的層式通風(fēng)室內(nèi)平均溫度值。

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

3)新型疊動(dòng)通風(fēng)的ADPI 為0.852 4，而層式通風(fēng)的ADPI 為0.841 7，疊動(dòng)通風(fēng)相對(duì)于層式通風(fēng)的PMV 分布也更加均勻且更接近于熱中性環(huán)境。上述數(shù)據(jù)表明，新型疊動(dòng)通風(fēng)可在減少25 %輸入負(fù)荷的前提下，室內(nèi)熱舒適性仍有所提升。