《BUILDING AND ENVIRONMENT》：The potential of unsteady versus steady room ventilation methods – A comparative study
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不稳定通风模式与稳态模式在机械通风系统中对速度分布、涡旋结构和混合效率的影响进行了对比研究。采用2D粒子图像测速（PIV）和统计实验设计方法，分析不同供气流量波动下的流场特性。结果表明，不稳定通风在某些工况下能显著改善涡旋分布均匀性，增强混合效果，但所有不稳定案例均观察到流场动态变化，如涡旋数量和强度增加，速度波动范围缩小。研究为优化非稳态通风策略提供了实验依据。
Eva Mesenh?ller | Steffen Jacobs | Peter Vennemann
能源、建筑服务与环境工程系，明斯特应用技术大学，Stegewaldstr. 39，Steinfurt，48565，北莱茵-威斯特法伦州，德国
摘要
高效通风是现代建筑设计的关键方面，它需要在良好的室内空气质量与提高能源效率之间取得平衡。因此，本研究探讨了非稳态通风技术的应用方法，即在短时间内改变送风量。通过使用二维粒子图像测速（PIV）技术和实验的统计设计方法，研究了等温条件下机械通风系统在稳态和非稳态运行模式下的性能差异。分析了雷诺数缩放模型房间纵轴上的时间平均速度场和瞬时速度场，以评估动态送风速率对占用区域速度的影响，并通过观察时空主导结构和涡流来研究混合效果。将非稳态情景的结果与稳态通风情景及该领域的现有文献进行了比较，同时也参考了脉动射流领域的相关研究。研究发现，在某些运行模式下，速度和大小尺度流动结构存在显著差异，这些差异有助于改善混合效果并使速度分布更加均匀。但在所有非稳态情况下，都观察到了送风速率变化对研究区域的影响，例如涡流数量的变化或占用区域内速度的波动。
引言
建筑行业面临着诸如气候变化、能源危机或新冠疫情等挑战，这些挑战对新鲜空气的需求与节能目标之间存在矛盾。建筑物的气密性以及健康问题增加了对暖通空调（HVAC）系统的需求，因此这些系统的能耗将会增加，高效运行对于满足法规要求及应对不断上涨的能源价格至关重要。
本文重点关注机械通风领域，其中需求控制型系统是当前的技术前沿（通常通过二氧化碳浓度进行控制）。送风速率在几分钟到几小时的时间内发生变化。主要有三种通风方式：
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混合通风：通过高动量的送风在整个房间内创造均匀的空气条件。
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置换通风：利用浮力机制将清洁空气（呼吸区）与污染空气（天花板下方）分开。
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分层通风：通过减少混合（类似活塞流动）来保持占用区域的清洁空气。
为了降低能耗，通常采用热回收系统或需求控制送风速率等成熟方法。另一种方法是利用较短时间尺度（几秒到几分钟）内的时变送风速率。以下段落简要总结了关于非稳态房间通风在温度和速度分布、混合效果以及舒适性方面的主要研究结果。更全面的综述可参见[1]。
多项研究表明，间歇性通风可以减少垂直温度梯度或使温度分布更加均匀[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。关于速度的研究结果并不一致：在某些情况下，占用区域的速度比稳态通风时更高[3]、[8]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]，而在其他情况下则更低[3]、[4]、[9]、[15]；不过所有研究都指出温度分布更加均匀[2]、[5]、[6]、[7]、[12]、[13]、[14]。Kabanshi等人[16]通过水模型实验进一步探讨了振荡运动在温度分层中的作用，发现当振荡频率接近Brunt–V?is?l?频率时，温度梯度的衰减速度更快。
许多研究指出，非稳态通风能够提高通风效果并降低污染物浓度或使浓度分布更加均匀[2]、[5]、[6]、[12]、[13]、[14]、[17]、[18]、[19]、[20]。此外，还有研究表明大涡流结构/再循环区域的破碎或移动[12]、[13]、[14]、[15]、[21]、[22]、[23]、[24]。这些效果似乎取决于非稳态通风的具体类型：
Kandzia等人[15]和Schmidt等人[21]发现，“2D正弦波运行”在较长周期内更有效地破坏了主导流动结构，而“3D正弦波运行”即使在较短周期内也能达到类似的效果。
Kabanshi等人[16]使用加热水模型和不同位置的桨叶，证实当脉动频率接近Brunt–V?is?l?频率时，特别是在桨叶位于中间或下部区域时，混合效果得到增强。
Tawackolian等人[8]在气候室实验中发现，送风空气与室内空气之间的温度混合效果有所改善，尤其是在较高平均速度下。
Van Hooff和Blocken[13]、[14]以及Thysen等人[12]发现，更大的振荡幅度进一步降低了污染物浓度并提高了通风效率，而周期长度或信号形式对此没有显著影响。
Fallenius[22]、Fallenius等人[23]和Sattari[24]使用二维模型和PIV测量方法发现，非稳态通风减少了停滞区域并增加了湍流动能（TKE）。与非稳态条件相比，稳态条件下产生的涡流数量减少了40%，涡流强度提高了50%，同时涡流的大小和旋转方向分布更加均匀。将脉动频率从0.3Hz增加到0.5Hz时，这些效果更加明显，尤其是产生了更小的涡流。
较长的周期持续时间（10秒至30秒）在低风速下会增加穿堂风的风险，而在冷却场景中高风速可能会降低这一风险[25]、[26]。夏季的冷却效果取决于送风速率变化的频率[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。此外，非稳态通风的效果还取决于季节（冬季或夏季）或周围环境条件。夏季情况下预测的平均投票值（PMV）较高，与冬季稳态通风情景相当[19]；尽管在非稳态通风的冷却场景中，较高的温度被认为是“舒适的”[10]、[11]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。在较冷的条件下，非稳态流动被认为不够舒适[42]、[43]。较高接受温度的另一个积极效果是可以提高设定温度（例如），从而在保持舒适性的同时节省能源[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。这表明为稳态通风系统制定的舒适性标准可能不适用于非稳态运行模式。
先前的研究表明，非稳态通风可以改善空气质量、混合效果和舒适性，并降低能耗。然而，导致这些效果的物理机制尚未完全理解。在没有这种理解的情况下，很难优化非稳态通风策略或预测其与稳态运行模式的性能对比。大多数先前的研究基于点测量或使用RANS模型的CFD分析。因此，实验研究提供的空间信息有限，而RANS模拟不适用于评估小尺度涡流。此外，许多关于流动结构和混合的研究依赖于IEA附件20中的案例（1990年）。尽管这一案例仍具有参考价值，但目前许多通风系统中仍使用旋流扩散器。在这种条件下研究非稳态通风可以提供宝贵的见解。
为填补这些研究空白，本研究在等温条件下使用旋流扩散器和标准喷嘴配置进行了二维PIV实验，以保持设置的简单性和实际相关性。因此，研究重点关注速度分布、流动结构和涡流特性，而非舒适性参数或热影响。目的是通过回答以下问题来初步了解基本情况下的物理机制：
非稳态通风能否影响占用区域的速度？
稳态和非稳态条件下的流动结构有何差异？
涡流及其特性起什么作用？
实验设置
实验装置
所研究的模型房间在几何形状和物理特性上与实验室中的全尺寸HVAC测试房间（以下简称“放大模型房间”）相似，这使得结果具有可比性，并扩展了实验范围（例如非等温条件、不同的测量技术、人员研究等）。为了在房间纵中心线进行PIV测量，虽然两个房间的雷诺数相同（），但采用了尺寸缩放方法以保持动态相似性。
结果
磁感应流量计记录了送风速率，喷嘴的平均偏差为-1.28%至1.70%，旋流扩散器的平均偏差为-0.77%至0.90%，以确保结果的可比性。
选择喷嘴作为实验对象是因为自由射流已经被广泛研究，并且代表了实验和数值模拟的“标准参考案例”。由于这种案例在实际应用中意义不大，因此速度分析并未将其与旋流扩散器进行直接比较。
讨论
本文将回答引言中提出的三个主要问题。为此，本节根据问题进行了细分，并补充了关于实际应用意义的部分。
结论
在非稳态和稳态条件下，主要流动模式保持不变。相比之下，占用区域的速度发生了显著变化，尤其是在使用旋流扩散器的实验中。在许多（但并非所有）实验中，时间平均速度分布更加均匀。FFT分析显示，在大多数情况下，送风速率的变化对整个房间产生了影响。
与稳态情况不同，SPOD（谱密度）峰值出现在变化点附近。
展望
本文仅关注稳态和非稳态通风场景之间的差异。由于实验设计基于统计设计方法（同时改变多个因素），因此需要分析每个参数的影响以及参数之间的相互作用，以便更好地理解非稳态房间通风的影响因素并得出实用建议。
作者贡献声明
Eva Mesenh?ller：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源管理、方法论、实验设计、数据分析、概念化。
Steffen Jacobs：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、软件使用。
Peter Vennemann：撰写——审稿与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
