DOI: https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2026.114329
تاريخ النشر: 2026-02-06
المؤلف: Sungeun Lee وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الرياح وتدفق الهواء
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير شكل فتحات الإمداد في أنظمة التهوية بالنافورة المتداخلة (IJV) على الظروف البيئية الداخلية وخصائص تدفق الهواء. تم إجراء تجارب على نطاق كامل باستخدام ثلاثة أنواع مختلفة من فتحات الإمداد ذات الشقوق مع نسب أبعاد مختلفة، مع قياس درجة الحرارة الداخلية وتركيز ثاني أكسيد الكربون وتوزيع سرعة النافورة المتداخلة. تكشف النتائج أن تأثير شكل الفتحة على البيئة الداخلية يعتمد على معدل تدفق الهواء، الذي تحكمه رقم أرخميدس ($Ar_{room}$). على وجه التحديد، في نظام يهيمن عليه الطفو ($Ar_{room} > 1.2$)، يكون لتشكل الفتحة تأثير ضئيل، بينما في نظام يهيمن عليه الزخم ($Ar_{room} < 1.2$)، تصبح البيئة الداخلية حساسة بشكل كبير لتغيرات شكل الفتحة. تشير النتائج الرئيسية إلى أنه مع زيادة نسبة أبعاد فتحة الإمداد، يرتفع كل من توزيع درجة الحرارة غير البعدية وتركيز ثاني أكسيد الكربون، بينما ينخفض ارتفاع الطبقات، مما يشير إلى تحسين معدلات تدفق السحابة. بالإضافة إلى ذلك، يختلف توزيع سرعة النافورات المتداخلة مع شكل الفتحة، مما يؤثر على أنماط تدفق الهواء ومعدل تدفق السحابة الحرارية. تسلط الدراسة الضوء على ضرورة إجراء مزيد من الأبحاث لاستكشاف الخصائص التفصيلية للسحابة والتحقق من قابلية تطبيق عتبة $Ar_{room}$ عبر أشكال وظروف الفتحات المختلفة. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على الدور الحاسم لشكل فتحة الإمداد في تحسين البيئات الداخلية ضمن أنظمة IJV.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم لقطاع البناء في معالجة ظاهرة الاحتباس الحراري وتحقيق انبعاثات غازات الدفيئة الصفرية. تم تحديد أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، وخاصة أنظمة توزيع الهواء، كمساهمين رئيسيين في استهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون. تقارن الورقة بين أنظمة التهوية التقليدية المختلطة (MV)، التي تمزج هواء الغرفة مع الهواء النقي ولكن تعاني من ارتفاع استخدام الطاقة وانخفاض كفاءة التهوية، مع أنظمة التهوية المستهدفة للسكان (OTV)، مثل أنظمة التهوية بالتحويل (DV) وأنظمة التهوية بالنافورة المتداخلة (IJV). يُلاحظ أن نظام DV يتميز بقدرته على خلق بيئة داخلية مريحة مع استهلاك طاقة أقل من خلال تصنيف درجة حرارة الهواء ومستويات الملوثات، على الرغم من أنه يواجه تحديات مثل مخاطر التبريد الزائد والقيود في سيناريوهات الحمل الحراري العالي.
استجابةً لهذه التحديات، يُقترح نظام IJV كبديل أكثر فعالية، باستخدام نفاثات تضرب الأرض لتعزيز مزج الهواء وتحسين كفاءة التهوية. تظهر الدراسات المذكورة في المقدمة أن نظام IJV يمكن أن يقلل بشكل كبير من متوسط عمر الهواء ويحسن كفاءة إزالة الجسيمات مقارنة بأنظمة MV. على الرغم من مزاياه، لم يتم اعتماد نظام IJV على نطاق واسع، مما يستدعي مزيدًا من البحث لتطوير نماذج توقع الأداء واستكشاف تأثير معلمات مختلفة، بما في ذلك هندسة فتحة الإمداد، على جودة الهواء الداخلي. تمهد المقدمة الطريق لتحقيق تحقيق أعمق في أداء وتحسين أنظمة IJV في سياقات تشغيلية متنوعة.
طرق
في هذا القسم، يحدد المؤلفون منهجيتهم للتحقق من موثوقية البيانات التجريبية، نظرًا لعدم إمكانية إجراء تجارب على نطاق كامل لجميع الظروف. قاموا بإجراء ثلاث تجارب مكررة مستقلة لحالة مرجعية (IJV دائري 300Φ، 600 م³/ساعة) قبل الاختبار باستخدام فتحات إمداد من نوع الشق. سمح إعداد الأدوات المتسق عبر جميع التجارب للمؤلفين بتعميم التكرارية الملحوظة في الحالة المرجعية على مجموعة البيانات بأكملها.
أشارت تحليل الخطأ إلى تكرارية عالية للمتغيرات المقاسة، حيث كان متوسط معامل التباين (CV) لتوزيع درجة الحرارة (المُحتسب كفرق درجة الحرارة \(T – T_{\text{supply}}\)) 1.72%. أظهرت قياسات تركيز ثاني أكسيد الكربون متوسط CV قدره 2.18%، بينما yielded توزيع السرعة، الذي تم تقييمه عبر قياس السرعة بالموجات فوق الصوتية، متوسط CV قدره 3.75%. من الجدير بالذكر أن الانحرافات الأكبر لوحظت بشكل أساسي في المناطق ذات السرعة المنخفضة. علاوة على ذلك، تم التحقق من بيانات مقياس الرياح الشامل مقابل نتائج قياس السرعة بالموجات فوق الصوتية، مما كشف عن ملفات سرعة متسقة. تتوفر النتائج التفصيلية من تحليل الخطأ في المواد التكميلية.
مناقشة
في هذا القسم، تبحث الدراسة تأثير أشكال فتحات الإمداد المختلفة على الظروف البيئية الداخلية وخصائص تدفق الهواء، مع التركيز بشكل خاص على فعالية إزالة الحرارة والملوثات تحت معدلات تدفق هواء متغيرة. تم إجراء التجارب في غرفة مناخية مصممة لمحاكاة سيناريوهات الحمل الحراري العالي، باستخدام ثلاثة أشكال مختلفة من الفتحات مع الحفاظ على معدلات تدفق هواء متسقة. تشير النتائج إلى أنه بينما كان لشكل الفتحة تأثير ضئيل على أداء النظام عند معدلات تدفق هواء منخفضة (300 م³/ساعة)، ظهرت اختلافات كبيرة عند المعدلات الأعلى (600 م³/ساعة). على وجه التحديد، أظهرت فعالية إزالة الحرارة (HRE) وفعالية إزالة الملوثات (CRE) اختلافات ملحوظة، حيث أدت نسب الأبعاد الأكبر إلى أداء أفضل من حيث توزيع درجة الحرارة وتركيز ثاني أكسيد الكربون.
تقدم الدراسة أيضًا معيارًا يعتمد على رقم أرخميدس لتحديد العتبة التي يؤثر عندها شكل الفتحة على ديناميات تدفق الهواء الداخلي. أظهرت النتائج أنه تحت ظروف يهيمن عليها الطفو، يكون تأثير شكل الفتحة محدودًا، بينما في السيناريوهات التي يهيمن عليها الزخم، يصبح الشكل عاملاً حاسمًا. كشفت تحليل ملفات درجة الحرارة غير البعدية وتركيز ثاني أكسيد الكربون أن خصائص التصنيف تتأثر بشكل كبير بشكل فتحة الإمداد، خاصة عند معدلات تدفق هواء أعلى. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في تقديم رؤى قيمة لتصميم وتحسين أنظمة التهوية بالنافورة المتداخلة، مع التأكيد على أهمية هندسة الفتحة في تعزيز جودة الهواء الداخلي والراحة الحرارية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2026.114329
Publication Date: 2026-02-06
Author(s): Sungeun Lee et al.
Primary Topic: Wind and Air Flow Studies
Overview
This study investigates the influence of supply terminal shape in impinging jet ventilation (IJV) systems on indoor environmental conditions and airflow characteristics. Full-scale experiments were conducted using three different slit-type supply terminals with varying aspect ratios, while measuring indoor temperature, CO₂ concentration, and impinging jet velocity distribution. The findings reveal that the impact of terminal shape on the indoor environment is contingent on the supply airflow rate, governed by the Archimedes number ($Ar_{room}$). Specifically, in a buoyancy-dominated regime ($Ar_{room} > 1.2$), the terminal shape has minimal effect, whereas in a momentum-dominated regime ($Ar_{room} < 1.2$), the indoor environment becomes significantly sensitive to terminal shape variations. Key results indicate that as the aspect ratio of the supply terminal increases, both dimensionless temperature and CO₂ concentration distributions rise, while stratification height decreases, suggesting enhanced plume flow rates. Additionally, the velocity distribution of impinging jets varies with terminal shape, affecting airflow patterns and the thermal plume's flow rate. The study highlights the necessity for further research to explore detailed plume characteristics and validate the applicability of the $Ar_{room}$ threshold across different terminal shapes and conditions. Overall, the research underscores the critical role of supply terminal shape in optimizing indoor environments within IJV systems.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of the building sector in addressing global warming and achieving net-zero greenhouse gas emissions. HVAC systems, particularly air distribution systems, are identified as significant contributors to energy consumption and carbon emissions. The paper contrasts traditional mixing ventilation (MV) systems, which mix room air with fresh air but suffer from high energy use and low ventilation efficiency, with occupant-targeted ventilation (OTV) systems, such as displacement ventilation (DV) and impinging jet ventilation (IJV) systems. The DV system is noted for its ability to create a comfortable indoor environment with lower energy consumption by stratifying air temperature and contaminant levels, although it faces challenges such as overcooling risks and limitations in high heat load scenarios.
In response to these challenges, the IJV system is proposed as a more effective alternative, utilizing jets that strike the floor to enhance air mixing and improve ventilation efficiency. Studies cited in the introduction demonstrate that the IJV system can significantly reduce the mean age of air and improve particle removal efficiency compared to MV systems. Despite its advantages, the IJV system has not been widely adopted, necessitating further research to develop performance prediction models and explore the influence of various parameters, including supply terminal geometry, on indoor air quality. The introduction sets the stage for a deeper investigation into the performance and optimization of IJV systems in diverse operational contexts.
Methods
In this section, the authors outline their methodology for verifying the reliability of experimental data, given the impracticality of conducting full-scale experiments for all conditions. They performed three independent replicate experiments for a reference case (IJV circular 300Φ, 600 m³/h) prior to testing with slit-type supply terminals. The consistent instrumentation setup across all experiments allowed the authors to generalize the repeatability observed in the reference case to the entire dataset.
The error analysis indicated high repeatability for the measured variables, with the average coefficient of variation (CV) for temperature distribution (calculated as the temperature difference \(T – T_{\text{supply}}\)) being 1.72%. CO₂ concentration measurements showed an average CV of 2.18%, while velocity distribution, assessed via ultrasonic velocimetry, yielded an average CV of 3.75%. Notably, greater deviations were primarily observed in low-velocity regions. Furthermore, the data from an omnidirectional anemometer were validated against the ultrasonic velocimetry results, revealing consistent velocity profiles. Detailed findings from the error analysis are available in the Supplementary Material.
Discussion
In this section, the study investigates the influence of different supply terminal shapes on indoor environmental conditions and airflow characteristics, particularly focusing on heat and contaminant removal effectiveness under varying airflow rates. The experiments were conducted in a climate chamber designed to simulate high heat load scenarios, utilizing three distinct terminal shapes while maintaining consistent airflow rates. The findings indicate that while terminal geometry had minimal impact on system performance at lower airflow rates (300 m³/h), significant differences emerged at higher rates (600 m³/h). Specifically, the heat removal effectiveness (HRE) and contaminant removal effectiveness (CRE) showed marked variations, with larger aspect ratios yielding better performance in terms of temperature and CO₂ concentration distributions.
The study also introduces a criterion based on the Archimedes number to delineate the threshold at which terminal shape influences indoor airflow dynamics. Results demonstrated that under buoyancy-dominated conditions, the terminal shape’s impact is limited, whereas, in momentum-dominated scenarios, the shape becomes a critical factor. The analysis of dimensionless temperature and CO₂ concentration profiles revealed that stratification characteristics are significantly affected by the supply terminal shape, particularly at higher airflow rates. Overall, these findings contribute valuable insights for the design and optimization of impinging jet ventilation systems, emphasizing the importance of terminal geometry in enhancing indoor air quality and thermal comfort.