随着社会的发展和进步，人类对于建筑的需求，从简单满足室内冷热需求逐渐过渡到热舒适性、隔声和噪声控制等私密性、个性化的需求。建筑形式的改变对建筑室内空调气流组织的要求越来越高^[1]。如何协调隔声和空调送风方式及人体舒适度三者之间的关系成为一个关键的技术问题。

　　 很多学者对于隔声进行了研究。郑洁等人针对开窗实现自然通风与营造舒适室内声环境的矛盾，设计了一种新型隔声通风装置，结果表明，装置运行时室内噪声与关闭窗户时相当^[2]。Sohei等人提出了一种新型的住宅隔声通风装置，该装置由中间带有通风孔的薄壁椭圆柱体组成，通过求解波动方程，对椭圆柱体内的声压进行了理论计算，结果表明，在单元体中采用椭圆柱体的隔声效果更好^[3]。Lee对采用自然通风玻璃幕墙建筑的居住者对室外交通噪声的满意度进行了调研，结果表明，在高噪声城市地区，自然通风玻璃建筑外墙的隔声通风孔对建筑室内环境质量具有重要影响^[4]。Kumar等人为解决声学性能和通风效率的矛盾，设计并实验演示了一种通风可调声学超材料，用于目标频率的噪声抑制，实验结果验证了所提出的元面板在小型通风空间低频噪声控制中的潜在应用效果^[5]。可以看出，对于隔声的研究大都集中在解决开窗通风与噪声的矛盾上，与空调系统气流组织形式结合的研究还很少。

　　 良好的室内气流组织对改善室内热环境至关重要^[6],针对不同类型建筑的空调气流组织形式已经有大量的研究。刘鑫等人以8.5 m×5.8 m×3.5 m(长×宽×高)的办公室为研究对象，利用Airpak软件对顶部侧送下回、底部侧送侧回、顶部顶送侧回3种空调送风方式进行了数值模拟，研究结果表明位于中间顶部顶送侧回的空调系统的气流组织效果最佳^[7]。Liu等人以6.0 m×4.0 m×3.5 m(长×宽×高)的学校办公室为研究对象，采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法，模拟了在定点热源条件下，上送下回、上送上回和下送上回3种送风方式对室内热环境的影响。结果表明，上送上回的方式更为舒适^[8]。Zheng等人也以6.0 m×4.0 m×3.5 m(长×宽×高)的办公室为研究对象，采用室内数值模拟和物理实验相结合的方法，对底部送风和分层通风2种空调方式进行了对比分析。探讨了2种送风方式下室内热环境、人体热舒适性和能源利用效率的变化规律。研究结果表明，根据人体热舒适性评价指标和能源利用效率，底部送风空调方式优于分层通风方式^[9]。乐文以6.00 m×3.90 m×2.35 m(长×宽×高)的办公室为研究对象，分别对混合送风、置换通风及个性化送风进行了模拟计算。结果表明，个性化送风模式直接向局部区域送风，直接处理人体附近区域的空气，提高了人体周围的通风效率，人体所在区域热舒适性较高^[10]。代炳荣等人以2.44 m×2.44 m×2.44 m(长×宽×高)的B737NG客舱模型为对象，采用CFD方法在无乘客的工况下分析了天花板送风、行李架送风、天花板和行李架送风、天花板和个人送风口送风4种送风方式下飞机座舱气流速度和温度的分布情况。结果表明，采用天花板和个人送风口送风方式能使座舱气流速度和温度分布更均匀^[11]。李安桂等人^[12]和王小巍^[13]以2.2 m×1.1 m×1.2 m(长×宽×高)的胶囊旅馆为例，采用上送下回方式，数值模拟了贴附式气流组织在这类微小空间中的有效性。前者通过改变送风口的位置，发现送风口的位置对小微空间气流组织有较大影响；后者基于竖壁贴附射流的气流组织形式，提出了顶部水平贴附式、两侧竖壁贴附式和顶部射流撞击式3种不同形式的上送下回式送风方式，结果发现，两侧竖壁贴附式送风易产生吹风感，而撞击式送风的气流需与围护结构多次碰撞后才能送达人体，送风初速度较大，容易产生噪声，因此顶部水平贴附式送风是最佳方式。

　　 研究发现，针对不同的室内建筑面积，有不同的最优送风方式，即使是相同面积的建筑，室内送风口的排布对送风方式的影响也较大。在面积较大的房间中，较多采用下送上回和上送下回式，在面积较小的胶囊旅馆中，由于人大多是躺卧的状态，采用贴附式能有效改善室内气流组织，提高人员的热舒适性。而小型隔声会议室是一种特殊建筑形式，对隔声私密性要求较高。该类型建筑面积较小，人员相对较少，且均为坐姿，使用时间相对集中，一般设立在有空调的大面积房间内，送风温度较普通空调系统高，其空调系统主要靠通风来实现室内温湿度控制，通风量越大，室内热舒适性越高。但隔声的控制则恰恰相反，通风量越大，越易漏声。隔声控制为了消声，管道一般较长和较窄，限制了通风量，两者的需求截然相反。因此对小型隔声会议室送风系统而言，送风管道尺寸偏小，送风量偏小，送风温度偏高，对室内温度控制极为不利。此外，由于小型隔声会议室自身几何尺寸偏小，人体在整个空间占比较大，成为影响气流流动路径的关键因素，而人体又是被冷却的对象，那么寻求适宜的送风方式就极为重要。在一般的大空间中为了降低能耗适合采用定点送风方式，而对于小空间，出于隔声的需求送风量受限，将送风口设置在人员周围的定点送风也适用。

　　 基于小型隔声会议室自身特点、气流组织与隔声的需求，本文结合具体设计案例，对3种常用的送风方式，即下送上回、上送上回和定点送风，在送风量偏小和送风温度偏高的不利约束条件下进行优化，以提高人员的舒适性。通过本案例的优化研究，期望空调系统能够适应隔声的新需求，为此类小型隔声会议室空调系统的优化设计提供建议和参考。

　　 一般的通风、空调系统中气流雷诺数Re>2 300,属于湍流状态，在湍流流动中产生不同尺度的旋涡，这些旋涡常常是产生再生噪声的声源^[14]。直管的气流再生声功率级L_W1计算式为

　　 $L{}_{W1}=10+50\lg v+10\lg s(1)$

　　 式中 v为管道气流平均流速；s为流道截面积。

　　 弯头气流再生声功率级L_W2计算式为

　　 $L{}_{W2}=L^{\prime }{}_{W\text{C}}+10\lg \text{Δ}f+30\text{l}\text{g}d{}_{\text{e}}+50\lg v(2)$

　　 式中 L′_WC为比声功率，L′_WC=f(f_md_e/v),其中，f_m为全频程的中心频率，d_e为当量直径；$\text{Δ}f=f{}_{\text{m}}/\sqrt{2}$。

　　 从式(1)和(2)可以看出，管道流速与气流再生声功率级成正比，因此在对隔声有要求的房间中，管道流速存在最大值。

　　 小型隔声会议室的具体结构特征如文献[15]所述：会议室内最大设计容纳人数为8人，其建筑尺寸为3.0 m×2.0 m×2.2 m(长×宽×高),墙体内全部填充隔声材料。受结构稳定性限制，侧面墙体不允许敷设大面积送风管道，且内部回风口与外部排风口需上下布置，通过选择合适的管道长度和消声材料防止声音外传。在此约束条件下，本文分析下送上回、上送上回及定点送风3种气流组织形式(如图1所示)对人体热舒适的影响。人体各个部位具有不同的热特性和热调节功能，造成各个部位的热感觉和热舒适指标也不同。本文研究基于Nilsson模型^[16],建立类似人体实际形状的矩形节段模型，具体风口尺寸见表1。

　　 求解计算时选用RNG K-ε模型，数值模拟基于连续性方程、动量方程、能量方程，动量、能量、湍动能、耗散率的离散格式均设定为一阶迎风格式，能量方程的收敛准则设定为10^-6,其他方程的收敛准则都设置为10^-3。此外，采用基于压力的分离式求解器，流场数值计算方法采用SIMPLE算法耦合速度场与压力场。

　　 在人体模型的脸部选取1个呼吸口，尺寸为0.04 m×0.04 m, 设置为速度入口，其值为0.2 m/s^[17]。由于隔声会议室所处外部环境一般也是空调房间，因此各壁面按绝热设置，灯具的散热量为34 W/盏^[18]。由于小型隔声会议室属于人群密集的场所，对人体热边界条件采取适当的修正是必要的^[19],修正后的人体热边界条件如表2所示。

　　 本研究采用结构化六面体网格，最大网格尺寸不超过小型隔声会议室尺寸的1/20,即在x、z、y(长、宽、高)各方向上划分网格的最大尺寸分别为0.15、0.10、0.11 m, 对于长方体模型能够形成较好的网格质量。对外部进风口、排风口，内部送风口、回风口及人体呼吸口均进行局部加密。进行网格无关性验证，保证网格质量不影响计算分析结果。由于3种送风方式模型相似，本文以定点送风为例，取坐标(x=0.6 m、z=0.8 m)并对高度方向的温度进行验证，结果如图2所示。随着网格数的增加，模拟值变化很小。考虑计算工作量，确定526 544为文中计算模型的网格数。下送上回和上送上回网格数分别为539 726和446 232。

　　 根据式(1)、(2)对该小型隔声会议室的最大送风量进行计算。考虑到还有其他不可避免的噪声存在，房间总声功率级设定为40 dB,由L_W1+L_W2=20 dB,得出v=2.25 m/s, 由此得到隔声约束下的最大送风量为210.6 m³/h。依据上述计算过程，得到不同风量下直管和弯管的再生声功率级，如图3所示。送风量越小，送风速度越小，从而产生的气流再生声功率级越小，噪声越小，房间的整体隔声效果越好。按风口尺寸和噪声大小确定满足隔声需求的最大送风量，其余风量依据送风方式设定。

　　 根据对满座情况下人员热湿负荷的计算，得出送风参数为：送风温度20 ℃、送风量225 m³/h, 可以基本消除室内热湿负荷。但是与上述满足隔声要求的最大送风量是冲突的。因此，需要探究送风温度保持不变、减少送风量时，3种不同气流组织方式对室内热环境的影响。下面选择具有代表性的截面进行分析对比。

　　 表3为3种送风方式下不同送风量时的温度截面图。可以看出，不同送风方式和送风量下的室内温度场分布不同。降低送风量时，下送上回和上送上回人员周围温度要比定点送风方式高一些，人员舒适性有所下降。

　　 采用下送上回时，如图4a所示，冷空气从地板送风口送出，送入室内人员活动区的下部，先在地面周围产生较低温度的“空气湖”,随后由于人员热羽流的作用，气流向上流动，最终从回风口排出。冷空气进入房间后，由于没有静压层，动压无法转换成静压，不能均匀竖直向上送风，而是向右发生偏离，导致房间左侧温度高于右侧，同时在竖直方向上左侧的温度梯度低于右侧。这种不均匀送风会导致左侧人体感觉偏热，而右侧人体头脚的竖直温度差异过大，引发不舒适感。送风量从225 m³/h 减到210 m³/h, 人体上半身处温度升高，竖直温差增大。送风量进一步减小，冷风堆积在房间右侧的下部，而房间右侧上部温度偏高，从而导致房间整体左右和上下存在明显的温差，尤其是右侧人员的舒适性大大降低。

　　 采用上送上回时，如图4b所示，冷空气从天花板送风口送出，气流顺着侧壁转化成贴附射流，并非竖直均匀向下送风，原因同下送上回。气流先沿墙壁向下流动，在地面附近形成“空气湖”,再向人员区域扩散，当冷空气送到人体周围时，温度已经升高。冷量没有立即送到人员附近，而是先到围护结构四周。送风量从225 m³/h减到210 m³/h, 人体周围温度比四周围护结构温度高，并且上半身周围温度要比下半身周围温度高，存在温度分层。进一步降低送风量，人员周围大部分区域温度升高到300 K,不利于消除人体热负荷。

　　 采用定点送风时，如图4c所示，冷空气从人体前部送风口送出，直接到达人体区域，形成“空气湖”。人员吸入新鲜空气，并由呼出气流将热量迅速带走，热空气上升至回风口排出。从图中可以看出，房间左右两侧温度分布比较均匀，而且冷气流从人体前部风口送出后通过热衰减到达人体呼吸区的温度大约为24 ℃,满足头部温度低于脚部温度的人体热舒适要求。送风量从225 m³/h减到210 m³/h时，房间上部温度升高1～2 ℃,对人员周围影响较小。进一步减少送风量，人员周围部分区域温度从299 K升高到300 K,升高了1 K,但由于送风直接到达人员呼吸区，相比其他2种送风方式短时间内热舒适性还可以维持。

　　 通过对不同送风量下3种不同送风方式的分析可以看出，下送上回不管是大风量还是小风量，右侧人员竖直温差都很大，人员舒适性降低。上送上回在送风量225 m³/h时较舒适，而定点送风在送风量210 m³/h时就可以满足人员热舒适性，且满足隔声要求。

　　 图5显示了3种送风方式在隔声限制下(送风量210 m³/h)不同高度的温度分布。与一般空间相比，人员作为障碍物在小空间中的体积占比过大，导致对气流流动影响较大，直接影响了不同送风方式的气流流向。下送上回和上送上回这2种远离人员的送风方式，在较高送风温度下，经过较长路线到人员周围时，温度已经升高，且受人员阻碍，房间出现较大温度梯度，不利于人员热舒适。对于直接到达人员周围的定点送风，温度分布较为均匀，人员舒适性较高。同时，人员不仅作为障碍物，还是主要热源。定点送风可以直接到达人员周围带走产生的热量，舒适性大大提高。

　　 以下基于基本消除室内热湿负荷的送风参数(送风量225 m³/h和送风温度20 ℃)对3种送风方式进行评价。

　　 ADPI定义为风速与温度符合舒适度条件的测点数占总测点数的比值，通常情况下应使ADPI≥80%。

　　 $AD{\rm P}{\rm I}=\frac{{\rm N}{}_{\text{C}}}{{\rm N}{}_{\text{Ζ}}}\times 100\%(3)$

　　 式中 N_C为满足-1.7 ℃<ΔET<1.1 ℃的测点数，其中，ΔET为有效温差，℃,一般认为当-1.7 ℃<ΔET<1.1 ℃时能符合大部分人的舒适性需求；N_Z为总测点数。

　　 实验数据统计分析表明，有效温差和室内风速之间存在如下关系：

　　 $\text{Δ}E{\rm T}=t{}_i-t{}_{\text{n}}-7.66(u{}_i-0.15)(4)$

　　 式中 t_i、t_n分别为某测点的环境温度和建筑内的设计温度，℃;u_i为某测点的风速，m/s。

　　 在3种不同送风方式的模拟结果中各采用1 000个节点数据，获得不同气流组织形式下的室内空气分布特性指标，如图6所示。

　　 图6中阴影部分表示不满足人员舒适性。当选用定点送风方式时，室内的空气分布特性指标最高，即此刻在空气温度和流速的综合影响下室内大多数位置可使人感到舒适。当选用下送上回方式时，刚刚能够满足舒适性要求。当选用上送上回方式时，无法到达舒适性空调的通常条件，可见该送风方式下有较多位置的有效温差超过舒适性界限。

　　 空气龄是根据追踪送风气流在室内停留时间的长短来表示空气分布情况的好坏。空气龄越小，代表空气在室内停留时间越短，空气龄一般作为评价室内空气新鲜与否与换气效率高低的关键指标。在隔声约束条件下，小型且密闭的人员密集空间，极易造成憋闷、压抑等不良的感觉，维持室内空气的新鲜度能有效改善这种不适感。选取人体附近的区域为观测点，3种送风方式的空气龄如图7所示。

　　 从图7可以看出，下送上回和上送上回空气龄变化较大，定点送风空气龄变化较为平缓。随着房间高度的增加，下送上回方式空气龄存在显著的上升梯度，在人员呼吸区域空气龄在155 s之内；上送上回方式房间整体的空气龄相较下送上回式更高，并且随着房间高度的降低，空气龄逐渐增大，在人员呼吸区域空气龄在164 s之内；定点送风直接将送风气流送到人体呼吸区，人体周围空气龄较小，在人体呼吸区域空气龄在136 s之内，显著小于其他2种送风方式。

　　 PMV(predicted mean vote)即预计平均热感觉指数，是丹麦Fanger教授提出的人体对环境冷热感觉的评价指标。ISO 7730推荐的PMV值在-0.5～0.5之间。后来为了完善舒适度模型，Fanger教授又提出了PPD(predicted percentage of dissatisfied)预测不满意百分比的概念。选取离人体0.05 m附近的区域为观测点，3种送风方式的PMV、PPD分别如图8、9所示。

　　 从图8、9可以看出：对于下送上回方式，在人体腿部附近PMV都低于-0.5,PPD较高，达到12%左右，而在人员身体附近，PMV都在-0.5～0以内，依据热感觉评价标准，此时人体热感觉整体处于舒适状态，然而脚踝处温度过低依旧会影响人员的舒适性；对于上送上回方式，PMV分布较为均匀，在0.25～0.5之间，PPD均在10%之下，人体处于微暖状态；对于定点送风，人员身体附近PMV明显小于腿部PMV,头部温度低于脚部更符合人体热舒适的要求，并且PPD在6%以内，处于较为舒适的状态。

　　 由以上对3种送风方式ADPI、空气龄及PMV-PPD指标的比较分析可知，定点送风方式ADPI最大，人员呼吸区域空气龄最小，PMV-PPD指标符合人体对于热舒适的要求。此外，该送风方式在一定程度上降低了由于送风气流在室内掺混而导致的交叉污染。结合对不同送风量的分析可以明显看出，采用相同的送风量时，定点送风方式下，送风气流直接到达人体附近，人体周围温度较低且均匀，而下送上回和上送上回都要经历较长的路线才能到达人员附近，在送风温度较高的条件下就需要相对较高的送风量才可以满足人员热舒适性。出于隔声的需求，定点送风可以实现在210 m³/h送风量下满足人员热舒适，比基本消除人员热湿负荷的送风量225 m³/h降低了6.67%,协调了隔声和人员舒适性的矛盾。因此，综合考虑隔声要求和人员舒适性，推荐定点送风为最佳的送风气流组织形式。

　　 实验地点为南京师范大学开物楼516隔声室，房间尺寸为3.0 m×2.0 m×2.2 m(长×宽×高),采用上送上回的送风方式，墙壁内除风道位置外均填充多孔吸声材料，具有较好的隔声效果。由于下送上回、上送上回和定点送风模型的边界条件设置相同，这里以上送上回为例对上述模型进行实验验证。

　　 将隔声室送风量设置为210 m³/h, 当温度达到稳定状态时，每隔5 s采集1次测温点的温度，计算3 min时长内的平均温度。在竖直方向上每隔0.2 m布置1个测温点，高度范围为0～2.2 m(z=0.3 m、x=0.6 m)。采用数据采集仪和K型热电偶记录数据。为验证理论计算的准确性，在隔声室内增设3个探点，用于监测不同位置的声功率级。在房间内0.1、1、2 m高度处左、中、右各设1个探点，探点位置如图10所示。监测设备为实时频谱及噪声分析仪，测量精度为±1.5 dB。将隔声室送风量分别设置为194、210、225 m³/h, 在声功率级趋于稳定后，每隔10 min采集1次3个探点的声功率级，计算平均声功率级。

　　 图11显示了温度随高度的变化，温度峰值集中在1.2 m高度附近，这是因为冷风沿着壁面向下流动，在房间底部形成“空气湖”,然后向上部空间扩散，在人体热羽流的叠加作用下，导致地面附近温度低，中部温度高于地面。模拟和实验数据变化趋势相同，都是随着房间高度增加先上升后下降，模拟数据与实验数据的误差在1 ℃之内。因此，理论模型能够很好地预测相同边界条件下室内通风的气流组织变化。

　　 图12为噪声的实测和模拟结果，可以看出，实测值均比理论值大4～6 dB。隔声室的理论计算和模拟都与实验吻合较好，说明在小型隔声室内，噪声满足需求，上述数值模型是可行的。

　　 现如今，人们对于隔声在建筑中的要求越来越严格。隔声导致送风量减小，但是人员热舒适性也会有所降低。本文针对这一问题，提出了定点送风用于风量受限空间通风的思路，尽可能提升人体舒适度，并以一个小型隔声会议室为例，设计了下送上回、上送上回及定点送风3种利用通风槽送风的送风方式。结果表明：在隔声的需求下，同时人员作为主要热源和障碍物影响气流流动，定点送风这种直接将气流送到人员周围的模式更能提高人员的热舒适性，送风量可降低6.67%。定点送风方式不仅适用于高大空间，在有障碍物及送风量受限的小空间同样适用，扩展了定点送风的应用空间。