《Energy and Built Environment》：Sensitivity and Optimization Analyses of Influences of Supply Vent Geometries on Multi-jet Stratum Ventilation
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摘要
分层通风是侧壁送风策略的代表，可高效节能地提供热舒适性和吸入空气质量。现有研究仅强调送风参数和负荷强度对侧壁送风策略通风性能的重要性，忽视了送风口几何特征（即面积、间距和数量）的重要性。本研究通过一种新颖的系统性论证框架，结合基于计算流体动力学（CFD）
摘要
分层通风是侧壁送风策略的代表，可高效节能地提供热舒适性和吸入空气质量。现有研究仅强调送风参数和负荷强度对侧壁送风策略通风性能的重要性，忽视了送风口几何特征（即面积、间距和数量）的重要性。本研究通过一种新颖的系统性论证框架，结合基于计算流体动力学（CFD）与支持向量回归（SVR）耦合模型的敏感性分析和多目标优化，验证了当分层通风以多个送风射流服务多名 occupants 时，送风口几何特征的重要性不应被忽视。局部敏感性分析表明，送风口几何特征显著调节了送风参数（即送风温度、速度、通风速率、导流叶片角度）对通风性能的影响。使用SHapley Additive exPlanations (SHAP) 的全局敏感性分析进一步揭示，送风口几何特征可能比某些送风参数更具影响力。在满足热舒适要求的前提下，基于场景的多目标优化（即室内空气质量优先场景、能效优先场景、热舒适优先场景和综合性能优先场景）表明，送风口几何特征在不同负荷强度下可导致运行参数优化值出现63.3%的大幅变化。考虑送风口几何特征的优化可将整体通风性能提升高达32.4%。本研究有助于推进分层通风及其他侧壁送风策略的通风性能提升。
基于CFD-SVR框架的送风口几何特征对多射流分层通风性能影响研究解读
一、研究背景与问题提出
室内空气质量与热舒适性对人体健康和工作效率至关重要。侧壁送风策略因其节能和热舒适优势而被广泛推荐，其通过墙面中部的送风口将 conditioned air 直接输送至 occupied zone，缩短了送风距离，减少了空气卷吸，从而提高了通风效率。分层通风（stratum ventilation）是侧壁送风策略中实现节能热舒适和吸入空气质量的代表性技术，近年发展出的交互级联通风和分级通风等新型侧壁送风策略均源于分层通风。
然而，分层通风的性能高度依赖于合理的系统设计和参数优化，尤其是在多 occupants、多送风射流的空间中。现有评价与优化研究主要集中于送风参数（如送风温度、速度、风量和导流叶片角度），而将送风口几何特征（面积、间距、数量）作为固定参数处理，忽视了其对通风性能的潜在重要影响。这一研究缺口可能限制分层通风系统在实际多 occupant 场景中的性能优化空间。
二、研究目的与意义
本研究旨在论证送风口几何特征在多射流分层通风中的重要性，并从两个关键维度评估其耦合影响：(1) 通过敏感性分析阐明其调节效应并量化其重要性；(2) 通过多目标优化展示其对系统设计的影响。研究采用 CFD 与 SVR 耦合的预测方法，系统评估送风口几何特征对通风性能的影响，为侧壁送风系统的设计和优化提供理论基础和方法支持。
三、关键技术方法
本研究建立了 CFD-SVR 耦合的敏感性分析与优化框架。首先，利用 CFD 模拟（Fluent 22.0，RNG k-ε 湍流模型）建立典型教室模型（8.8 m × 2.4 m × 6.1 m，16 个坐姿热 manikins），通过网格无关性检验和实验数据验证。采用正交实验设计（L25(5?)）生成 60 个案例（每案例 25 个训练样本与 5 个测试样本），覆盖送风面积 0.10–0.26 m2、送风速度 1.5–2.9 m/s、送风温度 18–24 °C、导流叶片角度 ?30° 至 30°、外墙温度 28–36 °C。其次，基于 CFD 结果训练五个 SVR 预测模型（PMV、DR、DT、ACE、HRE），通过网格搜索进行超参数优化。最后，基于验证后的模型开展局部敏感性分析（考察单一参数变化时送风面积的调节效应）和 SHAP 全局敏感性分析（量化各输入参数对输出的综合贡献），并进行考虑与不考虑送风面积的多目标优化对比。
四、研究结果
（一）局部敏感性分析结果
局部敏感性分析揭示了送风面积对送风参数与通风性能关系的调节作用具有多种模式。对于送风温度的影响，送风面积对 PMV 产生单向调节效应（面积每增加 0.02 m2，PMV 平均降低 0.25），对 HRE 和 ACE 产生双向调节效应（21 °C 以下降低、21 °C 以上提升），对 DR 具有区域性调节效应。对于通风速率的影响，送风面积对 DR 和 HRE 产生单向调节效应，对 ACE 产生双向调节效应，对 PMV 和 DT 具有区域性调节效应，低通风速率下面积影响更为显著。对于导流叶片角度的影响，送风面积对 PMV 产生显著单向调节效应，对 DR 产生区域性调节效应，而对 DT、HRE 和 ACE 的调节作用有限。
（二）SHAP 全局敏感性分析结果
SHAP 分析表明，送风面积在五个通风指标中的影响排名均不可忽视。在四送风口案例中，送风面积对 PMV 的影响排名第三，对垂直温差排名第四，均高于某些送风参数。PMV 与送风面积呈单调负相关，垂直温差与送风面积呈单调正相关。对 HRE，送风面积的综合影响（平均绝对 SHAP 值为 0.113）与外墙温度（0.117）几乎相当，表明其热去除作用不容低估。
（三）多目标优化分析结果
在四种优化场景（IAQ 优先、能效优先、热舒适优先、综合性能优先）下，将送风面积纳入优化均导致最优送风参数的显著变化和通风性能的明显提升。以 IAQ 优先场景为例，考虑送风面积后，最优送风速度和温度分别最大变化 14.2% 和 63.3%，优化分数提升 18.9%–32.4%。能效优先场景中速度和温度分别最大变化 57.1% 和 46.7%，分数提升 15.4%–25.0%。热舒适优先场景中分别变化 50.0% 和 48.3%，提升 10.7%–17.5%。综合性能优先场景中分别变化 50.0% 和 53.3%，提升 15.2%–24.8%。
（四）八送风口案例验证
为验证结论的普适性，研究还考察了八送风口配置（每列 occupants 均有专属射流覆盖）。SHAP 分析显示，送风面积对 PMV 和 DR 的重要性排名有所下降，但对 HRE 和 ACE 的重要性排名上升至第四位。四种优化场景下，纳入送风面积仍导致最优参数最多变化 63.3%，优化分数提升 7.4%–24.9%，证实了送风口几何特征在不同气流覆盖条件下的影响均不可忽略。
五、讨论与结论
物理机制上，送风面积通过两条途径影响通风性能：其一，改变送风口的特征长度和射流动量，从而影响 Archimedes 数 (Ar) 表征的浮力与惯性平衡，改变射流轨迹；其二，面积变化伴随的间距变化影响相邻射流的相互作用与合并过程，改变 occupied zone 内的动量分布和覆盖范围。考虑不同房间尺寸、occupant 布局和热负荷分布时，定量结果可能有所差异，但所提出的 CFD-SVR 框架具有良好的可迁移性。
研究结论如下：局部敏感性分析表明送风口几何特征对送风参数与通风指标的关系产生单向、双向和区域性调节作用；全局敏感性分析证实送风口几何特征对某些性能指标的贡献超过部分送风参数和负荷强度；优化结果表明纳入送风口几何特征可导致最优送风参数最大 63.3% 的变化，并在所有优化场景中提升优化分数 7.4%–32.4%。无论多个 occupant 列共享一个送风口还是每列由专属送风口服务，送风口几何特征均不可忽视。
本研究发表于《Energy and Built Environment》，为高 occupant 密度、多射流场景下的高效通风环境设计提供了重要理论依据和工程指导。
