大型公共建筑是指建筑面积在20 000 m²以上,采用集中空调的公用和商用建筑.目前我国此类建筑仅占城镇总建筑面积的5％～6％,但其用电量为100～300 kW·h·m^-2·a^-1,为住宅建筑用电量的10倍以上(不包括供暖).因此大型公共建筑的节能是我国当前节能工作的重点^[1].目前大空间建筑空调设计多采用分层空调方式,即仅对建筑内下部工作区域(称下部空调区)进行空气调节,使工作区域具有良好的热舒适环境,对建筑上部非工作区域(称上部非空调区)则不进行空调或采用通风排热,以降低整个建筑的空调能耗.与全室空调相比,分层空调通常可以节省15%～40%的供冷量^[2].分层空调常用的送风方式有喷口送风和柱状下送风.两种送风方式下的室内气流组织和热环境有着各自迥然不同的特点.目前国内外对不同气流组织的分层空调热环境及能耗研究大都局限于CFD(computational fluid dynamics)模拟^{[3, 4]},而对于实际建筑的实验研究不多,尤其对使用单侧回风口的大空间建筑在变送风量、变室外气象参数时的实验研究则更少^{[5, 6]}.

本文以某工程实训中心为研究对象,通过实验比较分析喷口送风与柱状下送风两种常用的分层空调气流组织条件下的垂直温度分布、工作区温度分布等热环境以及空调供冷量等,为大空间建筑选用气流组织提供依据.

建筑平面图及建筑北立面图分别如图 1、2所示.研究对象为位于工程实训中心北侧的大空间数控机床空调区.空调区面积500 m²,其中建筑南北方向长18 m,东西方向长27.8 m,双坡屋顶结构,坡顶高12 m,双坡坡底位于建筑中部距东墙9.6 m,靠近东边一屋顶具有天窗结构,天窗最高处为14.5 m^[7].

图 1

Fig. 1

图 1 建筑平面图 Fig. 1 Plan of the architecture

图 2

Fig. 2

图 2 建筑北立面图 Fig. 2 Vertical section on the north side of the architecture

工程实训中心数控机床区大空间的空调系统冷、热源分别采用地源热泵和空气源热泵复合供能系统,夏季利用冷冻水向空调箱空气提供冷量,室内所采用的全空气系统最大风量可达30 000 m³·h^-1.数控机床区大空间采用喷口送风、柱状下送风两种可独立使用的分层空调形式.喷口送风的两排喷口安装高度分别为5.5、8.2 m,每排有8个间距为1.5 m、孔径为0.373 m的喷口.喷口送风末端如图 3所示.4个柱状下送风口对称落地布置在数控机床空调区的南墙和北墙,送风口为直径1 m、高度1.5 m的半圆柱形,其设计风量为3 500 m³·h^-1.柱状下送风末端如图 4所示.喷口送风和柱状下送风均采用同一种侧下回形式,回风口尺寸为3 m×2 m,落地布置于东墙.本文主要对安装高度为5.5 m的喷口送风和落地布置的柱状下送风两种气流组织在夏季所形成的热环境和供冷量进行实验对比分析.

图 3

Fig. 3

图 3 喷口送风末端 Fig. 3 End of nozzle air supply

图 4

Fig. 4

图 4 柱状下送风末端 Fig. 4 End of column air supply at lower side

喷口送风和柱状下送风两种气流组织热环境和供冷量实验中主要测试内容有:①室外气象参数,如室外温湿度、太阳辐射量等;②空调系统送回风温湿度、风量;③室内工作区水平温度分布、垂直温度分布等.

图 5为室内温度测点位置平面图,有A、B、C、D、E、F、I、J、K共9个测点位置.由于喷口多股射流的中心并非为房间中心,因此图 5中9个测点位置并未对称布置.在每个测点位置离地面3 m以上区域布置固定的垂直温度测点,测点垂直间距为1 m,3 m以下区域离地面0.1、1.1、1.7 m布置可移动温度测点.另外,9个测点位置离地面1.7 m处均布置风速测点.9个测点位置室内温度测点立面图如图 6所示.

图 5

Fig. 5

图 5 室内温度测点位置平面图(单位:mm) Fig. 5 Plan of indoor temperature measuring points(unit:mm)

图 6

Fig. 6

图 6 室内温度测点立面图(单位:mm) Fig. 6 Vertical section of indoor temperature measuring points(unit:mm)

实验各工况开机时间均在测试当日8点左右,待基本稳定后约10点开始记录数据,每隔半小时记录一次.设计实验工况时以不同气流组织和室外空气综合温度为设计原则,选择在室外空气综合温度和空调送风量基本相同时对不同气流组织的实验结果进行对比研究.

表 1为各实验工况下的测试结果.按室外空气综合温度高低分为工况1和工况2,工况1和工况2再根据不同气流组织分成工况P1、X1及工况P2、X2两组,P表示喷口送风,X表示柱状下送风.表 1中:室外空气综合温度作为室外扰量,包含了室外空气温度及太阳辐射;室内工作区平均温度则采用在9个测点位置离地面1.7 m处温度测点的平均值.由表 1可以看出,4种工况下室内工作区平均温度均维持在25 ℃左右.表 1中供冷量为

表 1 Table 1

表 1 各实验工况下的测试结果 Tab.1 Experimental results in each case 参数名称 P1 X1 P2 X2 风量/(m3·h-1) 30 000 28 450 19 000 18 000 室外空气温度/℃ 28.96 29.76 28.61 31.87 太阳辐射强度/(W·m-2) 185 157 624 520 室外空气综合温度/℃ 35.03 34.91 49.07 48.92 送风温度/℃ 21.8 19.8 16.7 20.7 供冷量/kW 57.73 43.63 68.22 54.05 室内工作区平均温度/℃ 25.04 24.56 25.17 25.99 温度不均匀系数/% 1.14 1.23 0.72 1.71

表 1 各实验工况下的测试结果 Tab.1Experimental results in each case

式中:ρ为空气密度,kg·m^-3;G为送风总量,m³·h^-1;h₁、h₂分别为送、回风比焓,J·kg^-1.

实验结果表明:不同工况下室外空气综合温度偏差均低于0.4%,离地面1.7 m气流组织下处的室内工作区平均温度偏差均低于4%时,喷口送风空调供冷量大于柱状下送风空调供冷量,在室外空气综合温度低时大24.4%,高时大20.8%.这说明喷口送风能耗显著大于柱状下送风.分析其原因主要是由于喷口送风和柱状下送风这两种气流组织的回风口设置相同,而喷口送风时由于喷口高度为5.5 m,其供冷量需负责离地面5.5 m以下的室内环境,而柱状下送风由于是侧下送风,因此它所负责的环境基本上是离回风口高度2 m以下的区域.此外,喷口送风时下部空调区空气混合流动,而柱状下送风时空调区空气置换流动,置换空调只需满足人员活动区域的环境舒适即可.而喷口送风受安装高度的影响,其空调区域所需供冷量要大很多,其能耗也相应较大.此外,虽然工况2风量小于工况1,但由于其室外空气综合温度较高,系统供冷量较大.与工况1相比,在室外空气综合温度提高28.6%时,工况2喷口送风和柱状送风的空调供冷量分别增加15.4%、19.3%,即增加相同的外界干扰时,喷口送风所增加的供冷量要低于柱状下送风,分析原因主要是由于喷口送风空调区大于柱状下送风空调区,增加相同的外界干扰,对空调区的影响较小,故喷口送风抗外界干扰能力较强.此外,由于柱状下送风比较占用空间,对于空调场地较小,无法布置柱状下送风口的场合则选取喷口送风为好.

定义表 1中的温度不均匀系数为

式中:σ_t为在9个测点位置离地面1.7 m处测点的温度标准差;t为9个测点的平均温度.

不均匀系数k_t越低表示温度均匀性越好.

从表 1可以看出,喷口送风时水平温度均匀性略好于柱状下送风.工况2下喷口送风时温度不均匀系数为0.72%明显低于柱状下送风的1.71%,而工况1下喷口送风时温度不均匀系数为1.14%亦低于柱状下送风的1.23%.主要是由于喷口送风的原理是下部空调区混合流动,而柱状下送风是下部空调区置换流动,即喷口送风的混合优势会使室内温度更均匀.但对于柱状下送风而言,由于送风温度较低,在低风量时,小风速时的置换作用容易受其他干扰因素影响,均匀性变差.图 7为离地面1.7 m处水平温度分布,可以发现:柱状下送风时东西方向最大温差在E、J和C、K两组测点位置处均为1.2 ℃,南北方向最大温差在J、K两个测点为1 ℃,南北方向温度分布均匀性略好;对于喷口送风,亦是南北方向最大温差在D、E两个测点为0.6 ℃,而东西方向最大温差在B、E两个测点为0.9 ℃,南北方向温度分布均匀性亦好于东西方向.实验结果表明:受单向回风影响,东西方向热环境均匀性略差于南北方向.

图 7

Fig. 7

图 7 工作区水平温度分布 Fig. 7 Horizontal temperature distribution in the air-conditioning zone

图 8为4种工况下室内比较有代表性测点位置(A、E、K)垂直温度测试结果.从图中可以看出:横梁前的测点位置(A)在离地面5.5 m处的喷口送风下,两种送风量时在离地面5 m处都出现了较明显的温度分层;而对于横梁后的测点位置(E、K),由于喷口射流的卷吸和室内离地面6 m处横梁的阻挡作用,分层高度均出现在离地面9 m处,高出喷口3.5 m.分层高度以下,由于气流混合作用,A、E、K三个测点位置的垂直温度分布都较均匀,头足温差都在1℃内.而对于柱状下送风,温度随离地面高度的增加呈上升趋势,且下部温度梯度略小于上部温度梯度,尤其是在测点位置E,上部气温升高趋势非常显著.由于温度梯度较大,A、E、K三个测点位置的头足温差都较大,尤其在工况X1下,头足温差分别为2.4、2.6、2.2 ℃,仍然符合ASHRAE规定的3 ℃^[8].此外,从三个测点位置次高点温度梯度可以看出,无论是喷口送风还是柱状下送风,温度梯度均达到最大,说明屋顶附近空气温度受室外空气综合温度影响均较大.

图 8

Fig. 8

图 8 A、E、K测点位置垂直温度分布 Fig. 8 Vertical temperature distribution at the point of A,E and K

4种工况下室内工作区水平风速分布如图 9(a)所示.柱状下送风工况时工作区平均风速为0.03～0.08 m·s^-1,最大风速仅为0.13 m·s^-1,低于夏季室内标准风速0.3 m·s^{-1[9].而工况P1时室内平均风速为0.43 m·s-1,工况P2时平均风速为0.34 m·s-1,均高于标准风速.最高风速均出现在喷口中轴区域,工况P1时达到1.11 m·s-1,工况P2时达到0.81 m·s-1,远远高出标准要求.}

图 9

Fig. 9

图 9 工作区水平风速和吹风感指数分布 Fig. 9 Horizontal air velocity and PD distribution in the air-conditioning zone

由吹风感引起的人群中的不满意率用吹风感指数PD表示,有

式中:v为空气流速,m·s^-1;t_a为空气温度,℃;T_u为湍流度.

4种工况下工作区吹风感指数分布如图 9(b)所示.工况P1、P2时吹风感指数分别为15.64%、11.23%,且中心区域(E测点位置)吹风感指数分别达到36.36%、25.13%.而对于柱状下送风,工况X1、X2时吹风感指数分别为4.17%、2.40%,均低于5%.故如果以风速和吹风感指数评价室内环境热舒适性,柱状下送风优于喷口送风.

本文对某大空间建筑两种回风相同、送风气流组织不同时分层空调的水平温度、垂直温度以及空调供冷量等进行实验分析,得出了以下结论:

(1) 两种室外气象条件下,喷口送风空调系统供冷量显著大于柱状下送风空调系统,分别高出20.8%、24.4%.由于喷口送风空调区域较大,其抗外界干扰能力亦较强.

(2) 在下部空调区中,因喷口送风有较大的混合作用,无论是水平温度分布还是垂直温度分布,喷口送风时室内温度分布均匀性均略好于柱状下送风,头足温差亦较小.两种气流组织下室内水平温度分布均匀性受回风口影响较大,且南北方向均匀性好于东西方向.此外,屋顶附近空气温度受室外空气综合温度影响均较大.

(3) 喷口送风时工作区水平风速超过标准规定,而柱状下送风则符合设计要求.两种风量下喷口送风时吹风感指数分别为15.64%、11.23%,而柱状下送风时吹风感指数分别为4.17%、2.40%.故若以吹风感指数评价室内环境热舒适性,柱状下送风要明显优于喷口送风.

从节能和热舒适性角度综合考虑,受单侧回风限制的大空间建筑应尽可能采用柱状下送风分层空调;而对于外界干扰较大、空调场地较小,无法布置柱状下送风口场合,则选取喷口送风较好.