新型壁面贴附式送风模式人员热舒适研究

尹海国，李安桂，刘志永

（1．西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安710055；

2．河南省高等学校供热空调重点学科开放实验室，郑州450007）

 [摘要]为解决现有通风空调系统中采用混合送风或置换送风模式存在的问题，在传统顶板水平贴附送风的基础上，提出了一种基于壁面贴附的空气幕式送风技术。采用实验测试的方法研究了与这一新型送风模式热舒适性相关的气流组织特性参数，并通过热舒适指标计算分析了该模式下室内人员的热舒适性。研究表明，壁面贴附式送风具有工作区人员热舒适强的特点，并且采用该模式送风时，工作区允许风速和温度较我国的传统设计要求可以有一定的提高，因此适用范围更为广泛。

 [关键词]通风；气流组织；壁面贴附式送风；人员热舒适；实验测试；预计平均热感觉指数；预计不满意者百分数

0  引言

 在送风口初动量一定的前提下，贴附送风模式能够将处理后的空气送至较远的区域，拓展送风在建筑空间内的作用范围。同时，已有研究还表明贴附送风能够有效减少直接送风对工作区人员带来的“吹风感”。因此，贴附送风模式在建筑通风、空调系统中得到了广泛的应用。

 传统的贴附送风主要基于混合通风模式，例如顶板水平贴附送风。但这种送风方式下，人员工作区往往位于回风或排风环境中，卫生条件较差，送风效率也相对较低。为了解决这些问题，Karimipanah等对上置半圆形风口竖直壁面贴附送风模式特性进行了研究，发现它的通风效率和送风效果优于传统的顶板贴附送风，并将其应用于工厂、教室等场合；在此基础上，Cho等进而对多股喷嘴汇合式送风模式沿竖直壁面的流动特性进行了研究，通过与置换通风的对比，得出上述送风模式更适用于办公类建筑。

 在已有研究基础上，课题组也提出了1种基于竖直壁面的贴附式送风模式。与上述2种模式的不同点在于选用的送风散流器形式不同。并且在房间内部并没有布置管道，气流由上部风口送出后，沿着墙壁这个虚拟送风管，以贴附式空气幕的形式进入人员工作区。已有研究表明，这种新型送风模式具有传统顶板水平贴附送风便于布置、不占用房间有效空间的优点，并能解决已有模式中存在的诸多问题。本文将对该模式下工作区人员的热舒适性进行研究。

1壁面贴附式送风模式原理

如图1所示，由于布置及安装要求，实际工程中送风口距侧墙均有一定的距离。因此送风进入房间后并不会立刻与壁面形成贴附，而是会在康达效应的作用下逐步向壁面靠近，进而形成贴附。因此气流运动过程会存在一定长度的偏转区。此后送风主体将沿壁面向下流动，接近地面时逆压梯度增加，射流主体与竖直壁面分离，冲击角落区域后方向转为水平向。然后与地面形成贴附，以辐射流动方式沿地板向前延伸扩散流动。已有研究表明，新型壁面贴附式送风能在工作区形成类似于置换通风的空气湖状速度及温度分布。本文将在此基础上进一步研究该模式是否具有工作区人员热舒适性强的优点。

2  人员热舒适评价指标

 壁面贴附式送风模式作为一种新型的气流组织形式，需要采用一定的指标对其送风时人员的热舒适性进行评价。常见的有基于整体考虑的热舒适评价指标PMV/PPD，和基于局部热不舒适考虑的吹风感危险率( Draught Rate，DR)、房间垂直方向空气温差等。

 对于本文研究来说，人员整体热舒适主要采用PMV/PPD来评价。同时，送风直吹工作区的下送风模式容易造成区域内人员的吹风感。壁面贴附式送风模式风口虽然位于房间上部，但是在原理上属于下送风的一种。送风进入工作区后沿地面延伸扩散的送风主体内存在较大的速度及温度梯度。因此引入吹风感危险率DR来评判该模式下工作区人员的局部不舒适性。对于房间垂直方向空气温差来说，已有研究表明壁面贴附式送风模式是惯性力主导下的送风，温度梯度主要存在于送风主体之中。而沿房间高度方向，工作区范围内温差较小，人员头脚温差满足不高于3℃的规范要求。因此本文不再对垂直温差进行研究。

 此外，本文研究送风模式的机理是在工作区形成空气湖状速度和温度分布样式。空气湖形成要求湖内速度和温度分布均匀，以避免湖内人员出现局部热不舒适。为了验证这一湖状分布理论，选用速度、温度不均匀系数这一与气流组织相关的热舒适指标来评判湖区内气流分布的均匀程度。三个指标分别描述如下。

2.1  不均匀系数

速度不均匀系数K。和温度不均匀系数K。的定义分别见式(1)和式(2)：

式中：n为测点数目，个；u．为各测点速度，m／8；t．为各测点温度，℃；u为各测点平均速度，m／s；t为各测点平均温度，℃。

2.2吹风感危险率DR

送风速度u。选择较大时，容易对工作区人员造成局部吹风感的危险，采用吹风感危险率DR来对送风模式进行评价，定义见式(3):

式中：u；为对应测点温度t。处的平均风速，m/s；，．为对应测点温度ti处的湍流强度，可直接由式(1)计算得到。

2.3  热舒适评价指标PMV/PPD

壁面贴附式送风模式的理念是在提高送风效率、降低能源消耗的同时，提高工作区人员的整体热舒适性。而舒适与否主要采用热舒适评价指标PMV和PPD[8。91来评价，定义分别见式(4)和式(5):

式中：M为人体能量代谢率，W/m2；W为人体所作的机械功，J；P。为人体周围空气的水蒸气分压力，Pa；t。为室内空气温度，℃；t，为室内各墙壁的平均辐射温度，℃；f，为穿衣面积系数；t。，为衣服外表面温度，℃；h。，为对流换热系数，W/( m2.℃)。

 壁面贴附式送风模式大多用于办公类建筑，结合此类建筑中人员的特点，考虑室内人员为静坐，轻度劳动，取M=1.2 met= 70 W/m2；对于办公建筑来说取W=0；P。可以由室内相对湿度①间接求出，考虑夏季典型空调房间湿度要求，取由= 50%；办公建筑围护结构保温性能较好，壁面上无明显辐射热源，可近似取t。=t。；fc,和t。，两者均可由服装热阻，。，决定，考虑夏季典型空调房间人员衣着情况，取I=． -0.5 clo =0. 080( m2.K)/W；hcl为是风速u的函数。

 对上面两式中8个变量的分析可知，PMV/PPD主要与M、函、f。、t，、，。，和“这6个参数有关，本例中的M、中和，。1可以由国外的IS0 7730[8]、ASHRAE55或国内的GB/T 18049等标准规范确定，t。近似可以用室内空气温度t。代替，因此只要确定出室内空气温度和风速即可求得相应的PMV/PPD数值，进而对设计工况下的热舒适性进行评价。

3  典型房间热环境测试

上述指标的计算需要确定出房间工作区的速度和温度分布，为此在图2所示的西安建筑科技大学室内空气环境（空气调节）研究所实验室中对这些参数进行测试。

 图2所示办公用空调房间尺寸（长×宽×高）为5.4 mx7.0 mx3.16 m，条缝风口均匀送风用静压箱装置尺寸（长×宽×高）为2.5 mx0.5 m×0.5 m。条缝出风口长度为2.0 m、宽度b为0.05m，出风口垂直导流板高度为0. 06 m，出风断面距地面垂直距离为2.6 m。

 测点布置方面，前期研究表明壁面贴附式送风在工作区延伸扩散过程中，送风主体厚度均位于0.5 m高度内。因此高度y测试方向采用均匀布点，间距0. 04 m，测试范围0.04~0.52 m；条缝送风口长度为2.0 m，工作区送风主体宽度大致也在2.0m。因此宽度z方向测试也采用均匀布点，间距0. 10 m，测试范围-0,9—0.9 m；送风主体沿房间长度x方向扩散测试采用不均匀布点，冲击转向区测点较密、地面贴附区测点布置较疏。各测点间距见图2，测试范围0. 35—4.4 m。

 测试仪器采用瑞典SWEMA公司的SWA 03万向微风速探头配合Swema多点测试采集系统，以实现速度和温度数据的多点实时同步监测。该探头的测速范围为0. 05~3.0 m/s，测量精度为±0.02 m/s(0. 07~0.50 m/s)和±0.03 m/s(0.50~3.0 m/s);测温范围为10~ 40℃，测量精度为±0.1℃。测量时所用SWA 03探头全部经过厂家标定，标定结果显示，本文速度测试范围内(0. 05~2.0 m/s)最高误差为0. 012 m/s．温度测试范围内(17~28℃)最高误差为0. 03℃，仪器精度符合测试要求。

4人员热舒适评价与分析

4.1不均匀系数评价

对于壁面贴附式送风来说，工作区能够形成空气湖状速度及温度分布模式，沿房间高度方向速度和温度分布相对均匀，速度和温度梯度主要位于送风主体内。因此用于不均匀系数评价的测点主要取送风主体范围内。方向不同速度、温度轴线位置处测试数据。计算得到沿送风运动方向不同位置断面处的速度和温度不均匀系数见表1。

 由表1可知，壁面贴附式送风模式工作区范围内（距送风口所在贴附墙面Im以外的区域、x//>0. 18，x//=0.17作为工作区边界点）速度和温度不均匀系数相对较低。不同测试断面处速度和温度不均匀系数平均值分别为0. 22和0.014，工作区域速度和温度均匀性较好。速度不均匀系数方面，后4个测点处速度不均匀性较高，此时各测点之间的偏差主要是由于低风速下(0. 06~0.19 m/s)仪器较大的测试误差造成的。如果忽略这些测点的数据，不同断面处速度不均匀系数降低到0. 12，能够较好满足设计要求。相对速度分布来说，工作区温度分布均匀性较好。并且随流动距离的增加，温度均匀性呈现增强的趋势，这种温度分布模式能够更好的满足工作区人员的热舒适性要求。

4.2  吹风感危险率DR评价

 对于壁面贴附式送风来说，工作区人员吹风感主要是由于送风主体轴线处较大的风速和较低的空气温度造成的，并且已有研究表明风口长度方向中截面处(z=0)的轴线速度相对较大。因此取z=0断面上轴线位置处的测试数据作为研究对象，计算得到工作区内沿送风运动方向不同位置处的吹风感危险率见表2。ASHRAE 55规定由于风感引起的吹风感危险率不应大于20%。由以上数据可知工作区各测点处的吹风感危险率均满足要求，沿射流运动方向危险率数值整体呈现递减的趋势。因此如果室内人员活动区域主要位于工作区后部，则可以适当增加风口速度u。数值，以更好的满足设计要求。对于本文研究来说，在满足DR<20%要求的前提下，工作区最大允许风速可为0.55 m/s。高于GB 50736_2012规定热舒适空调供冷工况工作区风速不大于0. 30 m/s，以及IS0 7730B级标准规定的不大于0. 19 m/s的数值要求。同时也高于传统置换通风0. 25  m/s的出风速度要求。而ASHRAE 55采用标准有效温度SET模型对温度进行补偿，并给出了不同操作温度下室内空气流速限值。查文献中的表可知，本文工况设置下，室内空气速度上限约为0. 70 m/s，因此本文研究得到的0. 55 m/s的工作区风速在实际工程中是可以应用的。

4.3  热舒适评价指标PMV/PPD评价

PMV/PPD是评价工作区整体热舒适性的重要指标。对于本文测试来说，工作区整体平均温度为t。= 27.1℃、平均速度为0.24 m/s，同时为了比较，考虑工作区空气流速分别为GB 50736规定的最大值0. 30 m/s和大于这一值的0.50 m/s作为对比工况。测试并计算得到本研究工作区热舒适指标见表3。

 由表中计算数值可知，工作区整体热舒适性符合ASHRAE 55、GB/T 18049-2000《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》给出的I级热舒适度等级和IS07730给出的B级热舒适度等级设计要求：- 0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%。并且在室内空气流速0.24 m/s的基础上，工作区空气流速的增加并不会造成热舒适性的降低，反而会增强工作区的热舒适性，降低人员不满意率。这主要是因为本文研究工作区设计温度选取较高，此时增加空气流速利于人员闷热感的消除。基于本文给出的设计参数，采用式(4)和式(5)反算得到满足不同规范中I级或B级热舒适度等级要求下工作区空气温度大致位于24.2—27.2℃之间，较GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定的24~26℃的工作区温度范围有一定的拓展。

5  结论

 本文研究了新型壁面贴附式送风模式下室内人员的热舒适，得到以下结论：

 1)新型壁面贴附式送风模式能在工作区形成空气湖状速度及温度分布，人员热舒适强于传统顶板水平贴附混合式通风。

 2)与传统下部侧送式置换通风相比，壁面贴附式送风模式采用上置送风散流器，不占用下部工作区有效空间，并且能够采用更大的送风速度和较低的送风温度，以应对较大的室内负荷。

 3)采用壁面贴附式送风模式，在满足热舒适吹风感危险率要求的前提下，工作区最高允许风速可以提高到0. 55 m/s。对应不同规范中I级或B级热舒适度等级要求下工作区空气温度大致位于24.2~27.2℃之间。