层式通风不同送风方式对办公室气流组织特性的影响研究

层式通风不同送风方式对办公室气流组织特性的影响研究

层式通风不同送风方式对办公室气流组织特性的影响研究

韩瑞端 王沣浩 郝吉波 张鑫

(西安交通大学人居环境与建筑工程学院，西安 710049)

摘 要 层式通风作为一种新的通风方式，在满足人体呼吸区的热舒适性和空气品质要求的前提下，具有节能优势。本文针对冬季工况下运用层式通风，对办公室环境的温度场、速度场、浓度场和空气龄进行了探索性实验测量。结果表明，和平送风相比，向下送风时房间的下部温度较高，呼吸区的风速小于0.4m/s，满足热舒适要求，向下送风时房间下部的气态污染物浓度较低。实验研究工作对层式通风的设计和研究具有指导意义。

关键词 层式通风 温度场 风速场 浓度场 空气龄

INFLUENCE INVESTIGATON ON THE AIRFLOW CHARACTERISTICS OF STRATUM VENTILATION IN OFFICE BUILDING WITH DIFFERENT

SUPPLYING AIR TYPES

Han Ruiduan Wang Fenghao Hao Jibo Zhang Xin

(School of Human Settlement and Civil Engineerring,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049)

Abstract As a new ventilation method,stratum ventilation has energy-saving advantage based on satisfying thermal comfort and indoor air quality.The temperature field,velocity field,concentration field and air age in a model office was measured in this paper in winter by stratum ventilation.The experimental results show that the temperature at the bottom of the environment chamber is higher than the upper zone when supplying air flows decurrently,compared with supplying horizontally.The velocity in occupants’breathing zone is lower than 0.4m/s,which can satisfy thermal comfort.The concentration of gaseous contaminants at the bottom of the chamber is found to be lower.The experimental research is instructive for the development of the stratum ventilation.

Keywords stratum ventilation;temperature field;velocity field;concentration field;air age

为应对能源危机和减缓温室效应，亚洲各国纷0 前言

纷提高夏季室内空调温度，如香港政府建议将夏季

随着我国经济腾飞，人民生活日益改善，空调

空调温度提至25.5℃，大陆也将公共建筑的夏季指

的应用更为普及，空调系统的能源消耗比例也不断

导温度提至26℃，台湾提至27℃，日本和韩国甚

上升，已占到整个建筑能耗的60%以上。另外，人

至将夏季室内温度提至28℃。ANSI/ASHRAE标准

的一生大约有80%~90%的时间是在室内度过的，

55-2010也提到在夏季可以用提高风速来抵消因温

室内环境与房间使用者的健康以及工作效率密切

度升高而带来的热不舒适[1]。在此背景下，香港城

联系。因而选择既节省能源又能满足人体舒适性要

市大学的林章提出适用于中小房间的层式通风[2]。

求和室内空气品质的通风方式至关重要。

层式通风是以形成新鲜空气层并直接送到工作呼

作者简介：韩瑞端（1986-），男，硕士研究生

层式通风不同送风方式对办公室气流组织特性的影响研究

吸区的送风方式为特点，通过位于侧墙上且略高于工作区高度的送风口来实现。田林等人的研究证明

层式通风可以达到很好的热舒适性[3]

，并用实验和数值模拟研究了层式通风下CO2、甲苯、甲醛的的扩散情况，结果表明层式通风能够保证呼吸区良好

的空气品质[4]

。田林等人还做了层式通风下颗粒物的扩散情况，结果表明在呼吸区浓度小于置换通风[5]

。对于热中性温度，层式通风比混合通风高2.5℃，比置换通风高2.0℃，这可以使层式通风在房

间温度达到27℃时仍可以保证的热舒适[6]

。

作为一种新的通风方式，层式通风对夏季工况下做了大量的数值模拟和实验研究，但尚缺乏冬季工况下室内气流组织的研究。本文在冬季供暖工况下，利用层式通风作为送风方式，以百叶风口作为层式通风的送风口，通过测试不同叶片倾角下办公室内的温度场、速度场、CO2浓度场和空气龄，研究层式通风在供暖季节房间内的热舒适性以及气流组织特性等。

1 实验系统与方法

本实验在一间3.9m（长）×2.9m（宽）×2.6m（高）的环境室内进行，如图1所示。环境室侧面中部设置百叶风口，外形尺寸为0.21m（长）×0.17m（宽），顶部中间设置孔板回风口，尺寸为0.55m×0.55m，向房间送的暖风由江苏台佳SJC-05H型热泵和两个电加热器制取。为模拟典型办公室的状态，实验采用0.4m（长）×0.35m（宽）×1.1m（高）铁箱作为模拟人，内置三个功率为25W的灯泡。采用0.4m（长）×0.4m（宽）×0.4m（高）的铁箱作为模拟电脑，内置三个功率为60W的灯泡。

速度和温度采用SWEMA微风速探头，此探头能同时测量速度和温度，采集时间间隔为0.1s，可测量速度范围为0.05-3.0m/s，在0.05-1.0m/s之间时精度为±0.03m/s，在1.0-3.0m/s之间时精度为读数的3%。温度测量范围是10-40℃，23℃时精度为±0.3℃，其余为±0.5℃.

壁面温度、送风温度、回风温度以及室外温度等采用T型铜-康铜热电偶测量，精度为±0.2℃。

CO2浓度测量采用TSI-IAQCalc

8760，误差为1ppm。以定流量（300ml/min）将CO2通到模拟人的上部并释放到室内（LZB-3WB型流量计精度为4级）。温度、风速以及CO2浓度测量值通过相应软件采集后自动记录在电脑中。

（1 模拟人 2书桌 3 模拟电脑 4

日光灯 5

百叶送风口 6 回风口）

图1 实验室布局

实验共布置四个测点，每个测点沿竖直方向测量16个高度上的温度、风速和CO2浓度，测点布置见图2。实验共分为四种工况：7ach/h叶片下倾60°，7ach/h叶片下倾30°，7ach/h叶片下倾0°（平送风），4ach/h叶片下倾30°。送风量的改变通过风管旁通阀和补偿式微压计（YJB-1500补偿式微压计，精度为0.01）来实现。

空气龄的测试采用浓度衰减法，先向房间内通入一定量的CO2，释放过程及释放结束后一直用电风扇加强混合，等浓度稳定后停止混合，向房间送风，并记录模拟人正前方1.1m高度处的CO2浓度值，直至等于大气中的CO2浓度，绘制曲线，采用下降法计算四种工况下的空气龄。

图2 实验室俯视图（单位：mm）

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2 实验结果与分析

2.1 温度场对比

图3 7ach/h

百叶下倾30°送风时室内温度分布

图4 7ach/h百叶下倾0°（平送）送风时室内温度

分布

层式通风在房间中部创造一个温度较高的空气层，但平送和向下送风时空气层的位置不同，平送时位置较高，在1.2~1.7m处，房间下部温度明显低于上部；向下送风时，高温空气层在0.6~1.1m处，房间下部温度高于或等于上部温度。在冬季，1.2m

以下温度较高更容易感到热舒适。所以，在冬季利用层式通风向下送风时，暖风更能得到充分的利用。

2.2 速度场对比

图5 7ach/h

百叶下倾30°送风时室内风速分布

图6 7ach/h百叶下倾0°（平送）送风时室内风速

分布

当向下送风时，除了一个位置风速大于0.8m/s（原因是百叶风口最上部缺少一个百叶），其余位置的风速均低于0.6m/s，同时工作区的风速均小于0.3m/s，且风速较大的点多处于房间下部；平送风时，所有测点的风速均小于0.6m/s，但工作区的风速部分大于0.4m/s，在1.1~1.7m高度上风速较大，

这恰是人的头部所处区域，冬季送暖风时头部风速过大容易引起热不舒适。

2.3 CO2浓度场对比

图7 7ach/h百叶下倾30°送风时室内CO2浓度分

布

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图8 7ach/h百叶下倾0°（平送）送风时室内CO2

浓度分布

速度场中风速较大的点正对应温度场中温度较高的点，也正对应CO2浓度场中浓度较低的点。当向下送风时，CO2浓度最大点集中在房间上部，平送风时，CO2浓度最大点集中在房间下部。平送风时，1.1~1.7m高度区域内CO2浓度相对较低，呼吸区排污效率较高，向下送风时，呼吸区的CO2浓度并不明显低于其它区域，但可以看出下部的CO2浓度整体低于上部。

2.4 空气龄对比

图9 四种工况下空气龄对比

采用下降法计算房间呼吸区局部空气龄，结果

表1 四种工况下呼吸区局部空气龄 从上表可以看出，同样换气次数下，倾角越小，呼吸区的空气龄越小，这是因为气流越向下送，品质良好温度较高的空气层越居于房间的下部，同时

由于是顶部排风，所以，倾角越大，空气龄越大，平送时呼吸区的空气龄越小。

2.5 呼吸区有效温度差分布

对于舒适性空调而言，相对湿度在较大范围内（30%~70%）对人体舒适性影响较小，主要考虑空气温度与风速对人体的综合作用。本文用有效温度差和空气分布特性指标描述房间呼吸区的热舒适性，当θ值在-1.7~1.1之间时，认为满足人体热舒适性。在一般情况下，应使ADPI≥80%，ADPI的值越大，说明感到舒适的人群比例越大。

对房间呼吸区（即第三测量点）竖直方向16

表2 呼吸区第三测量点的空气分布特性指标 结果表明，同样换气次数下，和平送风相比，层式通风在冬季时向下送风会有更多的热舒适点，且在供暖工况下，能满足室内的热舒适要求。

2.6 温度不均匀系数和速度不均匀系数

为了反映室内的气流组织效果，通过计算房间内温度和速度的分布均匀程度进行评价，分别计算包含所有测点点的温度不均匀系数和速度不均匀系数。计算结果见表3。

7ach/h7ach/h 7ach/h 4ach/h 叶片下叶片下叶片下叶片下倾30°

倾60° 倾0° 倾30°

温度不均匀系0.031 0.038 0.023 0.027

数 速度不均匀系1.089 1.403 1.496 1.316

数

表3 房间的温度不均匀系数和速度不均匀系数 结果表明，利用层式通风向房间送暖风，平送风时房间的温度更为均匀，向下送风时，房间的速

层式通风不同送风方式对办公室气流组织特性的影响研究

度分布更为均匀。

3 结论

本文利用层式通风这种新型的送风方式在供暖工况下对房间内的温度场、速度场、CO2浓度场以及空气龄进行了测试，并对比了不同送风方式下温度、速度、CO2浓度以及空气龄的差异。由以上分析可以得出：

1 层式通风运用在冬季供暖工况时，和平送风相比，向下送风室内下部区域温度较高，更能够满足热舒适性要求，且对新风的利用更为高效；

2 层式通风运用在冬季工况时，向下送风对改善呼吸区的空气品质效果并不显著，但对于整个房间的排污效率应高于平送风。

参考文献

[1] ASHRAE. 2010. ANSI/ASHRAE Standard 55-2010, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating, and Airconditioning Engineers, Inc.

[2] 林章，周天泰等，层式通风——高温空调下的出路[J].化工学报，2005,59（S2）：235-239. [3] L. Tian, Z. Lin, J. Liu, Q.W. Wang, Numerical study of indoor air quality and thermal comfort under stratum ventilation, Progress in Computational Fluid Dynamics. 2008: 541-548.

[4] L. Tian, Z. Lin, Q.W. Wang, J. Liu, Comparison of gaseous contaminant diffusion under stratum ventilation and under displacement ventilation, Building and Environment. 2010,45(9) 2035-2046. [5] L. Tian, Z. Lin, Q.W. Wang, J. Liu, Numerical investigation of indoor aerosol particle dispersion under stratum ventilation and under displacement ventilation, Indoor and Built Environment. 2009,18(4):360-375.

[6] ML Fong, Z Lin, KF Fong, TT Chow, T Yao, 2011. Evaluation of thermal comfort conditions in a classroom with three ventilation methods. Indoor Air, in press.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ypxi.html