随着能源、健康及环境问题的日益加剧，如何营造健康、舒适及低能耗的室内环境将成为空调系统设计和运行的主要任务。层式通风作为一种新型空调系统，通过将送风口安置于房间内墙略高于人体的部位，直接将新风水平送入人体呼吸区，并形成新鲜凉爽的水平空气层，在提高室内工作区空气品质、满足人体热舒适的同时，有效降低了空调能耗，具有较好的应用价值和发展前景。然而，良好的气流组织是保障层式通风系统诸多性能优势充分发挥的关键所在。因此，论文通过实验测试、数值模拟及理论分析相结合的方式，对层式通风空调系统室内气流组织及热环境特性相关问题展开了系统研究。
首先，实验研究了由围护结构传热引起的房间非对称得热对层式通风室内气流组织、热环境及空气品质等方面的影响。结果表明，在房间总负荷相同的情况下，当围护结构传热负荷比例增大时，层式通风室内热环境均匀性变差，ADPI值降低，空调系统的有效作用范围减小；同时使室内PMV值增大，热舒适程度降低；此外还会造成房间呼吸区平均除污效率降低，使空调系统全局性除污能力减弱。
其次，通过实验探讨了层式通风室内空气温度、速度及污染物浓度的分布规律，建立了空调系统除热效率、除污效率与送风参数的对应关系式，分析了室内理查森数随送风参数的变化情况，并指出通过理查森数可在一定程度上反映层式通风室内环境参数的分布特性。研究了房间外围护结构（特别是玻璃幕墙）内壁面温度对层式通风室内热舒适的影响，发现当外围护结构内壁面温度接近40°C时，很容易致使人体产生较热的不舒适感，并且此时已无法通过调整送风参数，来达到显著改善室内热舒适的目的。
同时，采用RNGk-ε湍流模型，分析了层式通风空调系统在高温环境下的适用性，研究了房间温度、风口布局及形式对层式通风室内热环境及空气品质的影响作用，探讨了层式通风空调系统的适用范围和适宜参数。研究发现在层式通风条件下，与换气次数相比，室内人体吹风感对送风温度更为敏感，当送风温度与房间温度之间的差值为9°C时，易造成人员局部热不舒适。层式通风房间内风口布局主要影响室内热环境的均匀性，送风口数量增加，房间工作区ADPI值显著提高；风口形式则主要影响室内热舒适性，在同等边界条件下，当送风口由百叶风口更换为条形风口后，室内热舒适性可得到显著改善。层式通风室内人体呼吸处的空气龄主要受房间换气次数影响，随着换气次数的增大而单调递减，但趋势逐渐减弱。当换气次数高于12h-1时，其衰减已趋于平缓。
然后，实验研究了层式通风、混合通风及地板送风在室内热环境、空气流动特性及能效等方面的异同。研究结果表明在房间温度、负荷及送风温度均相同的情况下，层式通风室内的PMV值最接近热中性状态，其次为地板送风，最后是混合通风。在室内人员头部和脚踝位置处，混合通风和地板送风具有相似的气流能谱分布，且受送风参数的影响较小；层式通风条件下，随着房间换气次数的提高，其室内人员头部和脚踝处的气流能谱分布会发生较大变化，且分布趋势不同于混合通风和地板送风。在相同的房间温度及负荷条件下，当三种空调方式室内的PMV均控制在舒适范围内时，层式通风能耗最低。相比于地板送风和混合通风，在49W•m-2负荷条件下，层式通风可分别节能2.4%和5.9%；在90W•m-2负荷条件下，层式通风可分别节能6.1%和9.6%。
最后，建立了层式通风室内垂直温度分布的预测模型，当房间负荷处于49W•m-2~135W•m-2、送风温度为17°C~21°C、换气次数处于6.5h-1~11.5h-1时，模型计算结果与实验测试数据保持了较好的一致性。该模型可快速地预测出层式通风室内垂直温度梯度、工作区平均温度及房间平均温度等参数随房间负荷和送风参数的变化规律。从而有效地为层式通风系统设计参数的选取及CFD模拟边界条件的设定提供指导依据。
通过本文的研究，为层式通风室内热舒适及空气品质的提高提供了指导方法，为层式通风空调系统的设计提供了理论依据。