随着生活水平的提高,人们对室内环境舒适性的要求不断增加,暖通空调设备及系统得到了广泛的应用。传统的通风供暖方式(如上送式和下送式)存在送回风气流短路、室内温度分层严重等问题,这不仅增加了通风供暖房间内人的热不舒适,同时也导致供暖能耗的浪费。层式通风作为一种节能的通风方式,研究多集中在夏季供冷,冬季供暖研究尚处于起步阶段。根据冬季室内热环境和热射流特性的初步研究发现,层式通风有潜力营造合理的室内供暖气流组织形式。本文将基于前期研究得出的层式通风供暖最优送风角度,通过理论分析、实验研究和CFD数值模拟对层式通风供暖舒适性进行研究,并结合多目标优化方法对层式通风供暖的送风速度和送风温度进行优化。首先,根据热风射流理论,对层式通风供暖射流轨迹进行了理论求解,并比较了不同送风参数下热风射流轨迹的差异,证明送风速度和送风温度对热风射流轨迹具有显著影响。对比多种通风方式供暖时室内垂直温度分层特点,证明层式通风供暖有利于降低室内温度分层。其次,基于两排人的教室,客观实验研究了6组层式通风供暖工况和1组混合通风供暖工况,测量了两种通风供暖时室内速度和温度的分布。结果表明,层式通风供暖时工作区前后排的速度分布和温度分布存在显著不同。前排区域的速度分布呈现“V”字形分布,速度峰值出现在1.1m高处。后排区域的风速低于前排,风速在此区域由低到高呈现递增趋势。各工况下房间1.1m高度的吹风感不满意率均低于15%,说明层式通风供暖时室内人员不会因吹风而感到不适。前排区域的温度分布受送风速度和送风温度的影响较大,风量的提升有利于增加此区域温度分布均匀性。后排区域0.6m以上高度温度分布较均匀,脚部温度偏低,垂直温差满足舒适标准。层式通风能源利用效率计算结果均高于1.2,最高达到1.66。对比相同送风参数的层式通风和混合通风,发现层式通风供暖能源利用效率比混合通风高48.6%,说明层式通风供暖时的节能效果更好。再次,主观问卷调查了23名受试者对5组层式通风工况和1组混合通风工况下供暖室内环境舒适性的投票。结果表明,层式通风供暖时能够满足室内人员对热感觉的需求,并保证人员热舒适性。结合气流感统计结果和吹风感的计算结果发现,层式通风供暖时气流感投票显著高于混合通风,说明工作区内气流运动更强,但并未因吹风而感到不适。各工况下可感空气品质的统计结果为0.51~0.77,说明层式通风供暖时室内具有较高空气品质。各工况下潮湿感的平均投票结果均在-0.33~-0.13之间,说明通风供暖时室内环境偏干燥,湿度有待改善。然后,基于经实验数据验证的CFD模型,对42组不同送风速度和送风温度的层式通风供暖工况进行了数值模拟,并分析了送风速度和送风温度对预测热感觉平均投票PMV、垂直温差、吹风感以及能源利用效率的影响。结果表明,当送风速度一定时,送风温度增加能够提升工作区PMV的值,并降低吹风感和能源利用效率,但容易导致垂直温差增大,加重室内温度分层。当送风温度一定时,送风速度的增加有利于降低室内温度分层,减小垂直温差,但会使吹风感和能源利用效率提升,而PMV的变化则需结合送风温度综合考虑,当送风温度低于24℃时,送风速度的与PMV呈负相关。当送风温度等于26℃时,送风速度的增加不会使工作区PMV出现显著变化。当送风温度高于28℃时,送风速度与PMV呈正相关。综上分析表明,送风速度和送风温度对四项指标的影响并非呈现单调一致性变化,因此需要引入多目标优化方法对最优的送风速度和送风温度组合进行计算。最后,根据热舒适和能源利用效率的约束区间,从42组层式通风供暖送风参数中筛选出了23组可行的供暖送风参数,可行送风参数能够在能源利用效率高于1的前提下令室内环境达到舒适水平。采用基于熵权法的多目标优化TOPSIS方法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution),根据PMV、垂直温差、吹风感和能源利用效率四项指标,对23组层式通风供暖可行的送风参数按供暖综合性能的优劣顺序进行排名,并确定送风速度为1.6m/s,送风温度为28℃是层式通风供暖时的最佳送风工况。综合上述研究结果可以得出,层式通风可以应用于冬季供暖,其供暖气流组织能够为室内带来较低的垂直温差和较小吹风感,营造良好的室内热舒适环境,并高效利用送风能量。本文研究成果可以为层式通风冬季供暖设计提供数据支撑和理论依据,并为层式通风供暖设计提供指导。