陳帥+黃晨+張亞林+劉雷明+劉俊+劉昊儒

摘要：以某大空間實(shí)驗(yàn)基地為研究對(duì)象，針對(duì)噴口送風(fēng)和柱狀下送風(fēng)兩種分層空調(diào)的熱環(huán)境及供冷量進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究.研究結(jié)果表明：因噴口送風(fēng)空調(diào)區(qū)較大，在夏季室外氣象參數(shù)基本相同的兩種室外氣象條件下，噴口送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)供冷量比柱狀下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的供冷量分別高出20.8%、24.4%，且噴口送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)抗干擾能力較柱狀下送風(fēng)強(qiáng)；噴口送風(fēng)時(shí)工作區(qū)溫度均勻性好于柱狀下送風(fēng)，頭足溫差較小，但其工作區(qū)風(fēng)速超過標(biāo)準(zhǔn)，而柱狀下送風(fēng)時(shí)工作區(qū)風(fēng)速則符合環(huán)境設(shè)計(jì)要求；兩種不同送風(fēng)量下噴口送風(fēng)時(shí)吹風(fēng)感指數(shù)分別為15.64%、11.23%，而柱狀下送風(fēng)時(shí)吹風(fēng)感指數(shù)分別為4.17%、2.40%，柱狀下送風(fēng)要明顯優(yōu)于噴口送風(fēng).故從節(jié)能及熱舒適性角度綜合考慮，單側(cè)回風(fēng)的大空間建筑應(yīng)盡可能采用柱狀下送風(fēng)分層空調(diào)，而對(duì)于干擾比較大，空調(diào)場(chǎng)地較小，無法布置柱狀下送風(fēng)口的場(chǎng)合，則選取噴口送風(fēng)較好.

關(guān)鍵詞：噴口送風(fēng)； 柱狀下送風(fēng)； 大空間； 室內(nèi)熱環(huán)境； 供冷量

中圖分類號(hào)： TU 831 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：The thermal environment and cooling load in a large space were studied in summer under stratified air conditioning with two air supply modes of nozzle air supply at middle side and column air supply at lower side.The results showed that the total cooling load of the former under two different outdoor weather conditions in summer was 20.8% and 24.4% higher than that of the latter， due to the larger airconditioned area of the former.Furthermore， the antijamming capability of air conditioning system with nozzle air supply was better.The temperature uniformity in the workplace of the former was better than that of the latter.The temperature difference between the head and feet was smaller.But the air velocity in the airconditioning zone of the former has exceeded the standards while the latter could meet the design requirements of the environment.The windbeing index PD in the mode of nozzle air supply was 15.64% and 11.23% while the other one was 4.17% and 2.40% under two different air supply flow.Therefore， the column air supply mode at lower side was better than the nozzle airsupply mode in this aspect.The conclusions could be drawn in terms of energy efficiency and thermal comfort that the airconditioning system in a large space building with unilateral return air should use the column air supply mode at lower side.And it was better to use the nozzle air supply mode in the building where the interference was large or the column outlet couldnt be arranged at lower side.

Keywords：nozzle air supply； column air supply at lower side； large space； indoor thermal environment； cooling load

大型公共建筑是指建筑面積在20 000 m2以上，采用集中空調(diào)的公用和商用建筑.目前我國(guó)此類建筑僅占城鎮(zhèn)總建筑面積的5%～6%，但其用電量為100～300 kW·h·m-2·a-1，為住宅建筑用電量的10倍以上（不包括供暖）.因此大型公共建筑的節(jié)能是我國(guó)當(dāng)前節(jié)能工作的重點(diǎn)[1].目前大空間建筑空調(diào)設(shè)計(jì)多采用分層空調(diào)方式，即僅對(duì)建筑內(nèi)下部工作區(qū)域（稱下部空調(diào)區(qū)）進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，使工作區(qū)域具有良好的熱舒適環(huán)境，對(duì)建筑上部非工作區(qū)域（稱上部非空調(diào)區(qū)）則不進(jìn)行空調(diào)或采用通風(fēng)排熱，以降低整個(gè)建筑的空調(diào)能耗.與全室空調(diào)相比，分層空調(diào)通常可以節(jié)省15%～40%的供冷量 [2].分層空調(diào)常用的送風(fēng)方式有噴口送風(fēng)和柱狀下送風(fēng).兩種送風(fēng)方式下的室內(nèi)氣流組織和熱環(huán)境有著各自迥然不同的特點(diǎn).目前國(guó)內(nèi)外對(duì)不同氣流組織的分層空調(diào)熱環(huán)境及能耗研究大都局限于CFD（computational fluid dynamics）模擬[3-4]，而對(duì)于實(shí)際建筑的實(shí)驗(yàn)研究不多，尤其對(duì)使用單側(cè)回風(fēng)口的大空間建筑在變送風(fēng)量、變室外氣象參數(shù)時(shí)的實(shí)驗(yàn)研究則更少[5-6].

本文以某工程實(shí)訓(xùn)中心為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)比較分析噴口送風(fēng)與柱狀下送風(fēng)兩種常用的分層空調(diào)氣流組織條件下的垂直溫度分布、工作區(qū)溫度分布等熱環(huán)境以及空調(diào)供冷量等，為大空間建筑選用氣流組織提供依據(jù).

1 實(shí)測(cè)概況

1.1 建筑概況

建筑平面圖及建筑北立面圖分別如圖1、2所示.研究對(duì)象為位于工程實(shí)訓(xùn)中心北側(cè)的大空間數(shù)控機(jī)床空調(diào)區(qū).空調(diào)區(qū)面積500 m2，其中建筑南北方向長(zhǎng)18 m，東西方向長(zhǎng)27.8 m，雙坡屋頂結(jié)構(gòu)，坡頂高12 m，雙坡坡底位于建筑中部距東墻9.6 m，靠近東邊一屋頂具有天窗結(jié)構(gòu)，天窗最高處為14.5 m[7].

1.2 空調(diào)系統(tǒng)概況

工程實(shí)訓(xùn)中心數(shù)控機(jī)床區(qū)大空間的空調(diào)系統(tǒng)冷、熱源分別采用地源熱泵和空氣源熱泵復(fù)合供能系統(tǒng)，夏季利用冷凍水向空調(diào)箱空氣提供冷量，室內(nèi)所采用的全空氣系統(tǒng)最大風(fēng)量可達(dá)30 000 m3·h-1.數(shù)控機(jī)床區(qū)大空間采用噴口送風(fēng)、柱狀下送風(fēng)兩種可獨(dú)立使用的分層空調(diào)形式.噴口送風(fēng)的兩排噴口安裝高度分別為5.5、8.2 m，每排有8個(gè)間距為1.5 m、孔徑為0.373 m的噴口.噴口送風(fēng)末端如圖3所示.4個(gè)柱狀下送風(fēng)口對(duì)稱落地布置在數(shù)控機(jī)床空調(diào)區(qū)的南墻和北墻，送風(fēng)口為直徑1 m、高度1.5 m的半圓柱形，其設(shè)計(jì)風(fēng)量為3 500 m3·h-1.柱狀下送風(fēng)末端如圖4所示.噴口送風(fēng)和柱狀下送風(fēng)均采用同一種側(cè)下回形式，回風(fēng)口尺寸為3 m×2 m，落地布置于東墻.本文主要對(duì)安裝高度為5.5 m的噴口送風(fēng)和落地布置的柱狀下送風(fēng)兩種氣流組織在夏季所形成的熱環(huán)境和供冷量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析.

2 測(cè)試方案

噴口送風(fēng)和柱狀下送風(fēng)兩種氣流組織熱環(huán)境和供冷量實(shí)驗(yàn)中主要測(cè)試內(nèi)容有：① 室外氣象參數(shù)，如室外溫濕度、太陽(yáng)輻射量等；② 空調(diào)系統(tǒng)送回風(fēng)溫濕度、風(fēng)量；③ 室內(nèi)工作區(qū)水平溫度分布、垂直溫度分布等.

圖5為室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)位置平面圖，有A、B、C、D、E、F、I、J、K共9個(gè)測(cè)點(diǎn)位置.由于噴口多股射流的中心并非為房間中心，因此圖5中9個(gè)測(cè)點(diǎn)位置并未對(duì)稱布置.在每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置離地面3 m以上區(qū)域布置固定的垂直溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)垂直間距為1 m，3 m以下區(qū)域離地面0.1、1.1、1.7 m布置可移動(dòng)溫度測(cè)點(diǎn).另外，9個(gè)測(cè)點(diǎn)位置離地面1.7 m處均布置風(fēng)速測(cè)點(diǎn).9個(gè)測(cè)點(diǎn)位置室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)立面圖如圖6所示.

實(shí)驗(yàn)各工況開機(jī)時(shí)間均在測(cè)試當(dāng)日8點(diǎn)左右，待基本穩(wěn)定后約10點(diǎn)開始記錄數(shù)據(jù)，每隔半小時(shí)記錄一次.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工況時(shí)以不同氣流組織和室外空氣綜合溫度為設(shè)計(jì)原則，選擇在室外空氣綜合溫度和空調(diào)送風(fēng)量基本相同時(shí)對(duì)不同氣流組織的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究.

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 平均室溫和供冷量

表1為各實(shí)驗(yàn)工況下的測(cè)試結(jié)果.按室外空氣綜合溫度高低分為工況1和工況2，工況1和工況2再根據(jù)不同氣流組織分成工況P1、X1及工況P2、X2兩組，P表示噴口送風(fēng)，X表示柱狀下送風(fēng).表1中：室外空氣綜合溫度作為室外擾量，包含了室外空氣溫度及太陽(yáng)輻射；室內(nèi)工作區(qū)平均溫度則采用在9個(gè)測(cè)點(diǎn)位置離地面1.7 m處溫度測(cè)點(diǎn)的平均值.由表1可以看出，4種工況下室內(nèi)工作區(qū)平均溫度均維持在25 ℃左右.表1中供冷量為

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同工況下室外空氣綜合溫度偏差均低于0.4%，離地面1.7 m氣流組織下處的室內(nèi)工作區(qū)平均溫度偏差均低于4%時(shí)，噴口送風(fēng)空調(diào)供冷量大于柱狀下送風(fēng)空調(diào)供冷量，在室外空氣綜合溫度低時(shí)大24.4%，高時(shí)大20.8%.這說明噴口送風(fēng)能耗顯著大于柱狀下送風(fēng).分析其原因主要是由于噴口送風(fēng)和柱狀下送風(fēng)這兩種氣流組織的回風(fēng)口設(shè)置相同，而噴口送風(fēng)時(shí)由于噴口高度為5.5 m，其供冷量需負(fù)責(zé)離地面5.5 m以下的室內(nèi)環(huán)境，而柱狀下送風(fēng)由于是側(cè)下送風(fēng)，因此它所負(fù)責(zé)的環(huán)境基本上是離回風(fēng)口高度2 m以下的區(qū)域.此外，噴口送風(fēng)時(shí)下部空調(diào)區(qū)空氣混合流動(dòng)，而柱狀下送風(fēng)時(shí)空調(diào)區(qū)空氣置換流動(dòng)，置換空調(diào)只需滿足人員活動(dòng)區(qū)域的環(huán)境舒適即可.而噴口送風(fēng)受安裝高度的影響，其空調(diào)區(qū)域所需供冷量要大很多，其能耗也相應(yīng)較大.此外，雖然工況2風(fēng)量小于工況1，但由于其室外空氣綜合溫度較高，系統(tǒng)供冷量較大.與工況1相比，在室外空氣綜合溫度提高28.6%時(shí)，工況2噴口送風(fēng)和柱狀送風(fēng)的空調(diào)供冷量分別增加15.4%、19.3%，即增加相同的外界干擾時(shí)，噴口送風(fēng)所增加的供冷量要低于柱狀下送風(fēng)，分析原因主要是由于噴口送風(fēng)空調(diào)區(qū)大于柱狀下送風(fēng)空調(diào)區(qū)，增加相同的外界干擾，對(duì)空調(diào)區(qū)的影響較小，故噴口送風(fēng)抗外界干擾能力較強(qiáng).此外，由于柱狀下送風(fēng)比較占用空間，對(duì)于空調(diào)場(chǎng)地較小，無法布置柱狀下送風(fēng)口的場(chǎng)合則選取噴口送風(fēng)為好.

3.2 水平溫度與垂直溫度分布

式中：σt為在9個(gè)測(cè)點(diǎn)位置離地面1.7 m處測(cè)點(diǎn)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差；t—為9個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度.

不均勻系數(shù)kt越低表示溫度均勻性越好.

從表1可以看出，噴口送風(fēng)時(shí)水平溫度均勻性略好于柱狀下送風(fēng).工況2下噴口送風(fēng)時(shí)溫度不均勻系數(shù)為0.72%明顯低于柱狀下送風(fēng)的1.71%，而工況1下噴口送風(fēng)時(shí)溫度不均勻系數(shù)為1.14%亦低于柱狀下送風(fēng)的1.23%.主要是由于噴口送風(fēng)的原理是下部空調(diào)區(qū)混合流動(dòng)，而柱狀下送風(fēng)是下部空調(diào)區(qū)置換流動(dòng)，即噴口送風(fēng)的混合優(yōu)勢(shì)會(huì)使室內(nèi)溫度更均勻.但對(duì)于柱狀下送風(fēng)而言，由于送風(fēng)溫度較低，在低風(fēng)量時(shí)，小風(fēng)速時(shí)的置換作用容易受其他干擾因素影響，均勻性變差.圖7為離地面1.7 m處水平溫度分布，可以發(fā)現(xiàn)：柱狀下送風(fēng)時(shí)東西方向最大溫差在E、J和C、K兩組測(cè)點(diǎn)位置處均為1.2 ℃，南北方向最大溫差在J、K兩個(gè)測(cè)點(diǎn)為1 ℃，南北方向溫度分布均勻性略好；對(duì)于噴口送風(fēng)，亦是南北方向最大溫差在D、E兩個(gè)測(cè)點(diǎn)為0.6 ℃，而東西方向最大溫差在B、E兩個(gè)測(cè)點(diǎn)為0.9 ℃，南北方向溫度分布均勻性亦好于東西方向.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：受單向回風(fēng)影響，東西方向熱環(huán)境均勻性略差于南北方向.

圖8為4種工況下室內(nèi)比較有代表性測(cè)點(diǎn)位置（A、E、K）垂直溫度測(cè)試結(jié)果.從圖中可以看出：橫梁前的測(cè)點(diǎn)位置（A）在離地面5.5 m處的噴口送風(fēng)下，兩種送風(fēng)量時(shí)在離地面5 m處都出現(xiàn)了較明顯的溫度分層；而對(duì)于橫梁后的測(cè)點(diǎn)位置（E、K），由于噴口射流的卷吸和室內(nèi)離地面6 m處橫梁的阻擋作用，分層高度均出現(xiàn)在離地面9 m處，高出噴口3.5 m.分層高度以下，由于氣流混合作用，A、E、K三個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的垂直溫度分布都較均勻，頭足溫差都在1℃內(nèi).而對(duì)于柱狀下送風(fēng)，溫度隨離地面高度的增加呈上升趨勢(shì)，且下部溫度梯度略小于上部溫度梯度，尤其是在測(cè)點(diǎn)位置E，上部氣溫升高趨勢(shì)非常顯著.由于溫度梯度較大，A、E、K三個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的頭足溫差都較大，尤其在工況X1下，頭足溫差分別為2.4、2.6、2.2 ℃，仍然符合ASHRAE規(guī)定的3 ℃[8].此外，從三個(gè)測(cè)點(diǎn)位置次高點(diǎn)溫度梯度可以看出，無論是噴口送風(fēng)還是柱狀下送風(fēng)，溫度梯度均達(dá)到最大，說明屋頂附近空氣溫度受室外空氣綜合溫度影響均較大.

4種工況下工作區(qū)吹風(fēng)感指數(shù)分布如圖9（b）所示.工況P1、P2時(shí)吹風(fēng)感指數(shù)分別為15.64%、11.23%，且中心區(qū)域（E測(cè)點(diǎn)位置）吹風(fēng)感指數(shù)分別達(dá)到36.36%、25.13%.而對(duì)于柱狀下送風(fēng)，工況X1、X2時(shí)吹風(fēng)感指數(shù)分別為4.17%、2.40%，均低于5%.故如果以風(fēng)速和吹風(fēng)感指數(shù)評(píng)價(jià)室內(nèi)環(huán)境熱舒適性，柱狀下送風(fēng)優(yōu)于噴口送風(fēng).

4 結(jié) 論

本文對(duì)某大空間建筑兩種回風(fēng)相同、送風(fēng)氣流組織不同時(shí)分層空調(diào)的水平溫度、垂直溫度以及空調(diào)供冷量等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得出了以下結(jié)論：

（1） 兩種室外氣象條件下，噴口送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)供冷量顯著大于柱狀下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，分別高

出20.8%、24.4%.由于噴口送風(fēng)空調(diào)區(qū)域較大，其抗外界干擾能力亦較強(qiáng).

（2） 在下部空調(diào)區(qū)中，因噴口送風(fēng)有較大的混合作用，無論是水平溫度分布還是垂直溫度分布，噴口送風(fēng)時(shí)室內(nèi)溫度分布均勻性均略好于柱狀下送風(fēng)，頭足溫差亦較小.兩種氣流組織下室內(nèi)水平溫度分布均勻性受回風(fēng)口影響較大，且南北方向均勻性好于東西方向.此外，屋頂附近空氣溫度受室外空氣綜合溫度影響均較大.

（3） 噴口送風(fēng)時(shí)工作區(qū)水平風(fēng)速超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而柱狀下送風(fēng)則符合設(shè)計(jì)要求.兩種風(fēng)量下噴口送風(fēng)時(shí)吹風(fēng)感指數(shù)分別為15.64%、11.23%，而柱狀下送風(fēng)時(shí)吹風(fēng)感指數(shù)分別為4.17%、2.40%.故若以吹風(fēng)感指數(shù)評(píng)價(jià)室內(nèi)環(huán)境熱舒適性，柱狀下送風(fēng)要明顯優(yōu)于噴口送風(fēng).

從節(jié)能和熱舒適性角度綜合考慮，受單側(cè)回風(fēng)限制的大空間建筑應(yīng)盡可能采用柱狀下送風(fēng)分層空調(diào)；而對(duì)于外界干擾較大、空調(diào)場(chǎng)地較小，無法布置柱狀下送風(fēng)口場(chǎng)合，則選取噴口送風(fēng)較好.

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