熱分層消除

熱分層消除是指通過混合建築內部的空氣，來消除空氣分層現象，並在整個建築外維護結構內實現溫度均衡的過程。

建築中的熱分層現象
消除分層是熱分層這一自然過程的逆向程序。熱分層是指室內空氣溫度從地板到天花板逐層差異化（通常是逐漸升高）的現象。分層的成因在於：熱空氣比周圍的冷空氣輕，因此會上升到天花板或屋頂空間；相反地，冷空氣比周圍的熱空氣重，因而會下沉到地板表面。

因此，大量的廢熱會在無形中積聚在天花板頂部。根據地板到天花板的高度不同，頂部與地面層之間的溫差很容易達到14℃或更高；且建築物越高，這種溫差現象就會越發極端。在極端情況下，甚至曾發現在僅3米的高度差內就存在10℃的溫差。其他會影響熱分層嚴重程度的變量包括：建築內人員和生產過程所產生的熱量、空間與外部天氣條件的隔熱性能、太陽輻射得熱、暖通空調系統的規格、送風口與回風口的位置，以及空間內部的垂直空氣流動（通常由分層消除風扇提供）。計算流體力學（CFD）可用於預測空間內的分層程度。

熱分層的影響
在建築科學研究信息協會（BSRIA）進行的一項研究中，因熱分層而浪費的能源，會隨著地板到天花板的溫差增加而持續上升。研究指出，發生熱分層的建築往往會根據溫控器所在的地點溫度運行，進而導致過度加熱或過度冷卻，而溫控器所感測到的溫度，通常低於房間內實際存在的總熱能。

該研究還顯示，在天花板高度介於6 米到12 米之間的建築中，都存在因分層引起的能源浪費；且即使在相同的溫差下，天花板越高，造成的能源浪費就越大。由於天花板越高，溫差往往也越高，這使得熱分層的效應產生了複合放大，從而導致高大空間建築中出現巨大的能源浪費。

消除分層的定義
由於熱分層現象及其相關成本呈線性關係，因此消除分層的定義會因個人觀點和實際應用場景而異。在任何建築物中，要達到完全消除分層，即地板到天花板的溫差為0是幾乎不可能的。由於分層成本隨着溫差接近3℃而呈線性下降，且目前尚無研究探討分層在 3℃以下的影響，因此通常會將溫差低於2.8℃的空間視為已消除分層。在美國，美國採暖、製冷與空調工程師學會標準ASHRAE Standard 55規定人體頭部與腳踝高度之間的垂直空氣溫差限制為 3℃，但目前尚無針對地板到天花板之間理想溫差的推薦標準。

消除分層技術
減少熱分層可以通過控制那些與分層加劇相關的變量來實現。由於其中許多變量—包括天花板高度、人員與生產過程、太陽輻射得熱以及外部天氣條件——都是無法控制的，因此最常用的技術主要與建築物的暖通空調系統相關。在這些技術中，最便宜、最有效且最容易安裝的方法之一就是使用分層消除風扇，這其中包括軸流式分層消除風扇和高風量低轉速風扇。

軸流式消除分層風扇
軸流式消除分層風扇為獨立式設備，通常以陣列形式安裝於天花板上，其目的是將天花板處受過空調處理的空氣向下吹送至人們生活與工作的水平地面。由於軸流風扇的設計是將空氣筆直向下吹往地面，因此可用於高度超過100英尺的天花板與屋頂結構。因為軸流式消除分層風扇只需較低的風量即可達到消除分層的效果，所以離開風扇的氣流必須在地面處達到0.2-0.5 m/s的風速。這種程度的空氣流動能讓天花板的空調空氣與地面層的空氣完美融合。若氣流未能觸及地面，則只會導致中間層的空氣消除分層，而無法實現地面的去分層。在這種情況下，由於溫控器周圍的區域並未消除分層，因此幾乎不會產生任何費用節省，因為溫控器仍會繼續對房間進行過度加熱或過度冷卻。

在一間天花板高度為6.4m的房間內進行的實驗顯示，在使用軸流式消除分層風扇後，成功節省了23.5%的能源費用。

大風量低轉速吊扇
由於大風量低轉速吊扇的體積龐大，通常會安裝於新建築中，而非用於舊建築改造，因為屋頂結構可能需要重新設計，以承受增加的重量與尺寸。此外，由於巨大的扇葉在燈具下方旋轉時會產生閃爍效應，因此通常需要重新調整燈具的位置；同時，消防噴淋系統也往往需要重新規劃，因為消防法規通常要求灑水範圍至地面必須保持暢通無阻。當夏季使用此類風扇來促進散熱時，風扇會正轉，將空氣吹向地面。而當冬季用於消除空氣分層時，風扇則會反轉，將空氣吹向天花板，進而使空氣在整個室內循環。與軸流式空氣對流風扇相比，大風量低轉速吊扇能發揮功效的高度相對有限。

消除熱分層的好處
這種方法在暖通空調產業以及建築物的供暖與製冷應用中效益最為顯著。研究發現：「空氣熱分層是當今建築物中最大的一種能源浪費。」

降低能源消耗
通過在建築物中導入熱分層消除技術，可以有效減少能源需求。這是因為該技術能將已加熱、但蓄積在無人使用的天花板空間的熱空氣，重新向下分配回地面層，直到室內溫度達到均衡；如此一來，供暖系統便不再需要過度運轉來不斷填補因熱空氣上升而流失的地面附近熱量。在製冷方面，消除分層系統能確保所供應的冷空氣在室內環境中充分循環並均勻分布，進而消除局部過熱或過冷的死角，使溫控器能更長時間維持在設定溫度。因此，由於降低了能源需求，熱分層消除技術在減少碳排放方面具有巨大的潛力，同時還能為企業削減成本，有時降幅甚至可達 50%。 這也獲得了英國碳信託的支持，該機構將建築物中的空氣熱分層消除列為減少二氧化碳排放的前三大推薦方法之一。

提升舒適度
熱分層消除技術能自然地增加地面層的空氣流動，從而減少室內「局部過熱」與「局部過冷」的現象。它也可以應用在通常偏冷的區域，例如超市的冷櫃周邊，讓正在附近購物的顧客感到溫暖。此外，消除分層風扇所產生的空氣流動，還能通過提高地面附近的空氣對流動，協助建築物達到美國暖通空調工程師學會通風標準（ASHRAE Standard 62.1）。

引用