空调系统送风方式对热舒适性的影响的分析

　　 摘要：本文介绍了地板送风、工位送风和置换通风的基本原理，分析了影响三种送风方式热舒适性的主要因素，如温度梯度、气流速度及送风口形式等。对三种送风方式的使用条件、热舒适性及系统运行能耗进行了比较。
　　 关键词：地板送风 工位送风 置换通风 热舒适性
　　 1、引言
　　相关研究表明，病态建筑综合症（SBS：Sick Building Syndrome）和建筑相关疾病（BRI：Building Related Illness）都与不良的通风方式有关。加大新风量可以明显改善室内空气品质，但能耗也随之增加。随着空调技术的发展，送风方式也日益多样化。与传统的顶板送风（Ceiling Supply System）相比，在某些场合采用地板送风（UFAD：Underfloor Air Distribution）、工位送风（TAC：Task Ambient Conditioning）和置换通风（DV：Displacement Ventilation）等空调方式具有通风效率高、运行能耗低等优点。
　　 2、送风方式的基本原理
　　室内空气品质不仅影响人的舒适感，对人员的工作效率也有一定的影响。传统的顶板送风属于混合通风，处理后的低温空气通过顶板送风散流器与室内空气混合，消除室内余热余湿，室内温湿度在空间上分布均匀。但顶板送风的室内空气品质较差，能耗较高，使用上也受到限制。以下分别介绍地板送风、工位送风和置换通风三种送风方式的基本原理。


　　2.1 地板送风

　　地板送风是混合通风的另一种形式，处理后的空气经过地板下的静压箱，由送风散流器送入室内，与室内空气混合。其特点是洁净空气由下向上经过人员活动区，消除余热余湿，从房间顶部的排风口排出，室内温度均匀一致。由于地板提升的高度有限，送风量受到限制，地板送风多用于空气—水系统。近些年，地板送风广泛用于机房、控制中心、办公室和实验室等散热设备多、人员密集的建筑。


　　2.2 工位送风

　　工位送风是一种集区域通风、设备通风和人员自调节为一体的个性化的送风方式。在核心区域（人的呼吸区）安装送风口，通过软管与地板下的送风装置相连，送风口的位置可以根据室内设施灵活变动。个人可以根据舒适需要调节送风气流的流量、流速、流向及送风温度。而在周边区域（会议厅、休息室、走道等）安装一般的地板送风装置，用于控制室内大环境的热湿负荷。由于现代办公建筑多采用统间式（open plan office）设计，个人对周围空气的冷热需求差异较大，更适宜安装工位送风。


　　2.3 置换通风

　　置换通风属于下送风的一种，气流从位于侧墙下部的散流器水平低速送入室内，在浮升力的作用下上升至工作区，吸收人员和设备负荷形成热羽流。在上升过程中，热羽流不断卷吸周围空气，流量逐渐增加。热力分层高度将整个空间分为上下两区，下区空气由下向上呈单向“活塞流”，沿高度方向形成明显的温度梯度和污染物浓度梯度；上区空气循环流动，污染物浓度较大，温度趋于均匀一致。目前置换式通风较多用于层高大于2.4m，室内冷负荷小于40W/m2的空调系统，如办公室、会议室、计算机机房和剧院等。
　　置换通风和地板送风形式上都是下送上回的方式，但二者又存在区别。
　　以上的三种送风方式的室内气流组织形式有较大的差别，三者的换气效率均大于顶板送风，能量利用系数大于1，三种送风方式均可以满足不同的热舒适性需求。


　　 3、热舒适性影响
　　3.1 地板送风
　　影响舒适性的因素较多，其中送风速度、送风温度及空气品质对室内环境的舒适性影响较大。
　　3.1.1 送风速度
　　地板送风是射流送风的一种，送风散流器的形状和结构决定气流的扩散性能和湍流状态，故在出风口2.5m范围的速度场主要由散流器类型决定。为了防止人员有吹风感，送风气流的速度不能超过3m/s.对于旋流式散流器，出风气流受扭转叶片的影响形成涡流，使气流扰动增加，出口风速减小，避免了产生吹风感。同时，送风气流与室内空气混合充分，人员活动区内温度场分布均匀。
　　空调负荷送风主要负担工作区负荷，送风量较小送风负担全部室内负荷，送风量较大
　　送风速度送风气流速度较低，一般小于0.2m/s送风气流速度较高1.5～2.0m/s
　　送风温度送风温度18～20℃
　　送风温差2～4℃送风温度15.5～18℃
　　送风温差6～8℃
　　气流组织推荐全部使用室外新风，以保证空气品质
　　下区存在温度梯度，上区温度比较均匀
　　室内空气品质好利用部分室内回风，气流掺混、扰动较大
　　室内气流温湿度分布比较均匀
　　室内空气品质较好


　　3.1.2 送风温度
　　由于人脚对温度的敏感性较强，通常地板送风的送风温度较高，一般为18℃，送回风温差为8-10℃。


　　3.1.3 空气品质
　　3.2 工位送风
　　工位送风也属于地板的一种，室内大环境的温度及污染物浓度分布与上述地板送风类似，在此不再赘述。由于工位送风的送风参数可以根据需要进行调节，实行区域控制，它的舒适性较一般高于地板送风。
　　根据ASHRAE舒适度标准，核心区域的空气流速必须限制在：冬季不超过0.15m/s，夏季不超过0.8m/s.由于送风口在人员的头部附近，送风温度高于一般的地板送风，因此，空调系统的蒸发温度相应可以提高，故冷水机的性能系数（COP）增加，研究表明，蒸发温度升高1℃，离心式冷水机的COP增加3.1%.工位送风在满足舒适要求的同时，也降低了系统的能耗。


　　3.3 置换通风
　　置换通风系统中，温度梯度和送风速度是两个比较关键的因素，为保证人体热舒适性要求，必须严格控制工作区的温度梯度和气流速度大小。
　　3.3.1 送风速度
　　置换通风的送风散流器一般位于侧墙下部，为避免产生吹风感，必须严格控制送风速度。散流器出口处的空气流速主要取决于于送风量，气流阿基米德数和散流器类型。
　　当送风量增加时，散流器出口附近气流的平均速度增加，使得靠近风口处的人有强烈的吹风感。
　　散流器的结构类型决定了气流在贴地气流层和整个工作区的速度分布，当送风气流的速度波动较大时会使人有吹风感，为了避免这种危险，送风射流必须加以控制。Nielsen通过实验分析了七种不同类型落地散流器对送风速度的影响，给出了近地面气流最大速度的计算公式，并指出：不同送风量下，对于近地面气流速度，弧面散流器较平面散流器要小，高开孔率的散流器较低开孔率的要小。


　　3.3.2 温度梯度
　　由于置换通风系统在垂直方向上存在明显的温度梯度，根据ASHRAE 55-1992热舒适性度的要求，应减小室内温度梯度。研究表明温度梯度的大小受送风量和送风速度的影响较大，送风量增加，温度梯度减小。
　　文献[8] 通过CFD方法对一个6m×4m×3m的办公室进行了模拟，房间负荷50W/m2，送风温度22℃，适当增大送风速率，室内垂直温度梯度明显减小，有助于提高热舒适性。
　　根据ISO7730的PMV/PPD评价指标，PPD应该低于10%，在置换通风系统中，减小送风速量或提高送风温度都可以降低PPD.


　　3.3.3 室内空气品质评价
　　由于置换通风热力分层的存在，工作区产生污浊空气被热羽流及时带入上区，避免形成横向扩散；进入上区的气流也不会再回流到工作区，因此置换同风度热力分层高度应高于工作区高度，从而保证了工作区较好的空气洁净度。置换通风的换气效率通常介于0.5～0.67，通风效率介于100%～200%.而混合通风理想换气效率只有0.5，当发生短路时还要低，通风效率一般也只有50～70%；
　　实测数据表明，对于一个9000m2的办公建筑采用置换通风后，冷负荷比混合通风减少了25～30%，送风量减少了30%.对于冷负荷较大的建筑，采用置换通风系统结合冷却顶板的辐射作用，最大负荷可增至100 W/m2.与传统混合式系统相比，置换通风/顶板冷却系统可节能37% .
　　结论地板送风室内温度均匀一致，污染物浓度较小，可以满足机房、办公室和实验室等散热设备多、人员密集场合的热舒适性需求；工位送风以其个性化的送风方式及灵活调节的优点，更适宜现代办公建筑；置换通风室内空气上下分区，通风效率和换气效率较高，可用于办公室、会议室和剧院等高大空间空调系统。


　　 参考文献
　　[1] Heinemeier， K. E. Task conditioning for the workplace： issues and challenges. ASHARE Transactions， 1990， 106 （1）： 678～689
　　[2] Yuan， X.， Chen Q. A critical review of displacement ventilation. ASHARE Transactions， 1998， 104 （1）： 78～90
　　[3] McDonnell， G. Underfloor & displacement why they‘re not the same. ASHRAE Journal， 2003， July： 18～24
　　[4] Brunk， M. Cooling ceiling -An opportunity to reduce energy cost by way of radiant cooling. ASHARE Transactions， 1993， 99： 479～487
　　[5] Sodec， F. The underfloor air supply system-the European experience. ASHARE Transactions， 1990， 106 （1）： 690～695
　　[6] Hanzawa， H. Thermal comfort with underfloor air-condition systems. ASHARE Transactions， 1990， 106 （1）： 696～698
　　[7] Mundt， E. Displacement ventilation systems -convection flows and temperature gradients. Building and Environment， 1995， 30： 129～133
　　[8] 于松波。置换通风在办公室建筑中的应用与分析。暖通空调，2003， 33 （3）： 99～104
　　[9] Nielsen， P. Velocity distribution in a room ventilated by displacement ventilation and wall-mounted air terminal devices. Energy Buildings， 2000， 31： 179～187