1背景
人们一生中有将近90%的时间是在封闭/半封闭空间（室内）度过的[1]，如建筑空间、工业厂房车间、地下空间、交通工具等。目前封闭/半封闭空间热湿、污染物环境通常由HVAC系统来调节，以排出多余的热湿、污染物（“吐故纳新”），相当于封闭/半封闭空间的呼吸系统。据统计，中国和美国的HVAC系统能耗分别约占建筑总能耗的40%~50% 和40%[2]；商用飞机上HVAC系统约占机上所有非推进系统能耗的75%[3]；高铁客运站HVAC系统占总能耗的30%~60%[4]。即使如此高的能源消耗，封闭/半封闭空间的环境问题仍层出不穷。比如，通风不良引发的建筑相关疾病（呼吸道疾病、尘肺职业病见图1、心血管疾病、癌症等）[5]、传染性病毒传播、“病态建筑综合症”、诱发或加重骨关节炎等各种健康、亚健康问题。因此，如何设计HVAC系统并营造一个健康、舒适、节能的封闭/半封闭空间环境是目前亟待解决的问题之一。
图1 工业车间空间内不同尺寸、不同相态污染物对人体健康的危害[6]
2封闭/半封闭空间室内环境营造理论现状
封闭/半封闭空间室内环境营造方法[7]主要分为传统设计方法与逆向设计方法。
2.1 传统设计方法
目前封闭/半封闭空间室内常见的气流组织形式主要包括混合通风，置换通风，个性化通风[8]，局部通风，以及近些年提出的层式通风[9]，贴附射流[10]等，如图2所示。上述传统通风形式是在不同年代基于不同目的或需求而产生的。这些传统气流组织形式的设计方法理论基础是射流理论/射流规律。
图2 气流组织形式发展趋势[11]
2.2 逆向设计方法
虽然传统设计方法可以设计出较为满意的室内环境，然而现有HVAC系统末端设计仍存在很多问题，尤其是应对恐怖袭击和突发疫情等特殊情况。为了解决传统设计方法的盲区或不足，近些年学者提出逆向设计方法以确定满足设计目标的气流组织形式。逆向设计方法是基于需求或目的进行逆向识别的，识别出的气流组织形式可能是多种不同气流组织形式的综合表现，或者是某一新的通风形式（见图3）。
图3 传统设计方法与逆向设计方法的设计流程示意图及特点[11]
3逆向设计方法应用
东南大学能源与环境学院助理研究员赵兴旺研究的逆向设计方法成功应用在不同场景，比如飞机驾驶舱环境，办公环境；开发的逆向设计方法有望为健康、舒适室内微环境的营造和智慧调控提供新途径，也将丰富面向个性调控需求的室内环境营造方法。
1）飞机驾驶舱环境应用案例：
针对饱受高强度太阳辐射、电子设备高散热量、左右冷热分布严重不均的狭窄封闭驾驶舱环境，将基于拓扑和伴随理论的逆向识别方法用于气流组织逆向识别[12]。结果证明，逆向识别方法可以识别最优的气流组织并营造舒适的驾驶舱环境。
（a）逆向识别的送风口位置、面积和送风量
（b）人体周围的吹风感PD分布
图4 飞机驾驶舱环境应用[12]
2）办公环境应用案例：
首次将基于面积约束的拓扑优化方法与基于CFD 的伴随方法相结合[13]，逆向识别理想的送风口数量、尺寸、位置和形状，及送风参数（即送风速度，温度和角度）。相比与图5（a）所示的传统方法确定的置换通风系统（呼吸区空气龄为230s），图5（b）逆向识别的送风口可营造空气龄为86s的呼吸区环境；并搭建图5（c）所示的试验台验证了逆向设计结果的准确性。
（a）传统方法确定的置换通风送风口
（b）逆向识别确定的送风口
（c）实验室实际安装逆向设计确定的送风口
图5 传统设计方法与逆向设计方法识别结果[13]
3）辐射末端逆向识别案例：
本团队开发了粒子群优化（PSO）方法与拓扑优化相结合的逆向识别方法[14]，该方法可以根据需求逆向识别模块化辐射终端的面积、几何形状和安装位置。还探讨了关键因素对逆向设计结果的影响，最后将所提出的方法用于多人办公室的模块化辐射终端设计。结果表明，所提出的具有拓扑优化的PSO方法有助于高能效辐射空调系统的设计，逆向识别的模块化辐射终端可以创造热舒适的室内环境。
图6 不同方法逆向识别的辐射供冷末端位置（蓝色区域）[14]
4未来的发展方向
未来封闭/半封闭空间室内的热湿、污染物环境营造与设计理论研究可能涉及公共卫生、医学、人因工程学（室内环境参数对人体生理参数的影响）、生物学、热力学、流体力学、流体机械、数学、化学等专业，是一个典型的多学科交叉问题。
目前的室内环境调控采用的是集总参数法，即采用室内某一固定点的温度作为HVAC系统末端参数调控的依据，该方法并未太多考虑实际生活中的人体动态热舒适需求。针对上述问题，未来的室内环境营造可以采用基于人因学规律的按需智慧调控（见图7）：精准、定量获取人的健康、热舒适需求规律则需要与人因工程学相结合，所以首先需要探索并完善人体动态健康、热舒适、生理参数、近人体局部微环境参数之间的人因学规律，其次采用智能手环或手机等随身携带电子设备实时采集人体生理数据，最后将人因学规律确定的所需环境参数无线共享给逆向识别系统进行快速逆向设计与调控，从而实现室内环境的动态按需智慧调控。因此，基于人因学对室内环境智慧化、智能化按需调控是未来的主要研究方向之一[11]。
图7 基于人因学规律的室内环境按需智慧调控[11]
作者简介
赵兴旺，博士，东南大学能源与环境学院助理研究员，本科毕业于重庆大学建筑环境与设备工程专业，博士毕业于天津大学供热、供燃气、通风及空调工程专业，美国普渡大学博士联合培养，美国普渡大学博士后，主要从事封闭/半封闭空间室内环境智慧营造、极端条件下环境调控、气流组织设计、储能、建筑节能等相关方向研究。主持包括国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上资助等各类项目8项；发表学术论文37篇，发明专利10项；相关成果荣获 2022年度河南省科学技术进步奖二等奖、2022年度河南省教育厅科技成果奖一等奖、2023年度江苏省行业领域优秀科技进展等荣誉。
E-mail：xw_zhao@seu.edu.cn
参考文献
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[2]DOE. Building energy data book. published by the. U.S. Department of Energy, 2011
[3]Majeed O, Eng P. Aircraft environmental control systems. Carleton University Aero Lecture. 2010: 4003
[4]卢君, 雷波, 余涛. 高铁客运站空调系统节能设计指标研究. 制冷与空调, 2022, 36: 1671-6612.
[5]张寅平, 李景广, 刘炜, 等. 多学科和多行业协同破解建筑室内空气质量难题. 科学通报, 2020, 65(4): 231-238.
[6]Zhao X, Yin Y. Hazards of pollutants and ventilation control strategy in industrial workshops: Current state and future trend. Building and Environment. 2024, 251, 111229.
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[8]朱颖心. 建筑环境学-第三版[M]. 北京, 中国建筑工业出版社, 2010.
[9]Lin Z, Chow T T, Tsang C F. Stratum ventilation: a conceptual introduction[C] //Proceedings of the 10th international conference on indoor air quality and climate, Beijing, China, 2005: 4-9
[10]李安桂, 尹海国, 王国栋, 等. 壁贴附射流空气湖通风原理. 建筑热能通风空调, 2011, 30: 1-5.
[11]赵兴旺, 殷勇高. 封闭/半封闭空间内气流组织设计理论基础与方法. 科学通报, 2023, 68: 671-683.
[12]Zhao X, Sun J, Liu S, et al. Inverse design of the thermal environment in an airplane cockpit using the adjoint method with the momentum method. Indoor Air. 2021, 1-11.
[13]Zhao X, Shi Z, Chen Q. Inverse design of an indoor environment using a filter-based topology method with experimental verification. Indoor Air. 2020, 1-13.
[14]Zhao X, Yin Y, He Z, Liu X. Inverse design of indoor radiant terminal using the particle swarm optimization method with topology concept. Building and Environment. 2021, 204, 108117.
