空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)方式對(duì)熱舒適性的影響

1、空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)方式對(duì)熱舒適性的影響             李建興 于燕玲 涂光備 邢金城 周文忠摘要本文介紹了地板送風(fēng)、工位送風(fēng)和置換通風(fēng)的基本原理，分析了影響三種送風(fēng)方式熱舒適性的主要因素，如溫度梯度、氣流速度及送風(fēng)口形式等。對(duì)三種送風(fēng)方式的使用條件、熱舒適性及系統(tǒng)運(yùn)行能耗進(jìn)行了比較。 關(guān)鍵詞地板送風(fēng) 工位送風(fēng) 置換通風(fēng) 熱舒適性 1 引言相關(guān)研究表明，病態(tài)建筑綜合癥（SBS：Sick Building Syndrome）和建筑相關(guān)疾?。˙RI：Building Relat

2、ed Illness）都與不良的通風(fēng)方式有關(guān)。加大新風(fēng)量可以明顯改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，但能耗也隨之增加。隨著空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，送風(fēng)方式也日益多樣化。與傳統(tǒng)的頂板送風(fēng)（Ceiling Supply System）相比，在某些場(chǎng)合采用地板送風(fēng)（UFAD：Underfloor Air Distribution）、工位送風(fēng)（TAC：Task Ambient Conditioning）和置換通風(fēng)（DV：Displacement Ventilation）等空調(diào)方式具有通風(fēng)效率高、運(yùn)行能耗低等優(yōu)點(diǎn)。2 送風(fēng)方式的基本原理室內(nèi)空氣品質(zhì)不僅影響人的舒適感，對(duì)人員的工作效率也有一定的影響。傳統(tǒng)的頂板送風(fēng)屬于混合通風(fēng)，處

3、理后的低溫空氣通過頂板送風(fēng)散流器與室內(nèi)空氣混合，消除室內(nèi)余熱余濕，室內(nèi)溫濕度在空間上分布均勻。但頂板送風(fēng)的室內(nèi)空氣品質(zhì)較差，能耗較高，使用上也受到限制。以下分別介紹地板送風(fēng)、工位送風(fēng)和置換通風(fēng)三種送風(fēng)方式的基本原理。2.1 地板送風(fēng)地板送風(fēng)是混合通風(fēng)的另一種形式，處理后的空氣經(jīng)過地板下的靜壓箱，由送風(fēng)散流器送入室內(nèi)，與室內(nèi)空氣混合。其特點(diǎn)是潔凈空氣由下向上經(jīng)過人員活動(dòng)區(qū)，消除余熱余濕，從房間頂部的排風(fēng)口排出，室內(nèi)溫度均勻一致。由于地板提升的高度有限，送風(fēng)量受到限制，地板送風(fēng)多用于空氣水系統(tǒng)。近些年，地板送風(fēng)廣泛用于機(jī)房、控制中心、辦公室和實(shí)驗(yàn)室等散熱設(shè)備多、人員密集的建筑。2.2 工位送風(fēng)工位

4、送風(fēng)是一種集區(qū)域通風(fēng)、設(shè)備通風(fēng)和人員自調(diào)節(jié)為一體的個(gè)性化的送風(fēng)方式。在核心區(qū)域（人的呼吸區(qū)）安裝送風(fēng)口，通過軟管與地板下的送風(fēng)裝置相連，送風(fēng)口的位置可以根據(jù)室內(nèi)設(shè)施靈活變動(dòng)。個(gè)人可以根據(jù)舒適需要調(diào)節(jié)送風(fēng)氣流的流量、流速、流向及送風(fēng)溫度。而在周邊區(qū)域（會(huì)議廳、休息室、走道等）安裝一般的地板送風(fēng)裝置，用于控制室內(nèi)大環(huán)境的熱濕負(fù)荷。由于現(xiàn)代辦公建筑多采用統(tǒng)間式（open plan office）設(shè)計(jì)，個(gè)人對(duì)周圍空氣的冷熱需求差異較大，更適宜安裝工位送風(fēng)。2.3 置換通風(fēng)置換通風(fēng)屬于下送風(fēng)的一種，氣流從位于側(cè)墻下部的散流器水平低速送入室內(nèi)，在浮升力的作用下上升至工作區(qū)，吸收人員和設(shè)備負(fù)荷形成熱羽流。在

5、上升過程中，熱羽流不斷卷吸周圍空氣，流量逐漸增加。熱力分層高度將整個(gè)空間分為上下兩區(qū)，下區(qū)空氣由下向上呈單向“活塞流”，沿高度方向形成明顯的溫度梯度和污染物濃度梯度；上區(qū)空氣循環(huán)流動(dòng)，污染物濃度較大，溫度趨于均勻一致。目前置換式通風(fēng)較多用于層高大于2.4m，室內(nèi)冷負(fù)荷小于40W/m2的空調(diào)系統(tǒng)，如辦公室、會(huì)議室、計(jì)算機(jī)機(jī)房和劇院等。置換通風(fēng)和地板送風(fēng)形式上都是下送上回的方式，但二者又存在區(qū)別。表1為置換通風(fēng)與地板送風(fēng)的綜合比較。以上的三種送風(fēng)方式的室內(nèi)氣流組織形式有較大的差別，三者的換氣效率均大于頂板送風(fēng)，能量利用系數(shù)大于1，三種送風(fēng)方式均可以滿足不同的熱舒適性需求。3 熱舒適性影響3.1 地

6、板送風(fēng)影響舒適性的因素較多，其中送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度及空氣品質(zhì)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的舒適性影響較大。3.1.1 送風(fēng)速度地板送風(fēng)是射流送風(fēng)的一種，送風(fēng)散流器的形狀和結(jié)構(gòu)決定氣流的擴(kuò)散性能和湍流狀態(tài)，故在出風(fēng)口2.5m范圍的速度場(chǎng)主要由散流器類型決定。為了防止人員有吹風(fēng)感，送風(fēng)氣流的速度不能超過3m/s。對(duì)于旋流式散流器，出風(fēng)氣流受扭轉(zhuǎn)葉片的影響形成渦流，使氣流擾動(dòng)增加，出口風(fēng)速減小，避免了產(chǎn)生吹風(fēng)感。同時(shí)，送風(fēng)氣流與室內(nèi)空氣混合充分，人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)溫度場(chǎng)分布均勻。表1 置換通風(fēng)地板送風(fēng)空調(diào)負(fù)荷送風(fēng)主要負(fù)擔(dān)工作區(qū)負(fù)荷，送風(fēng)量較小送風(fēng)負(fù)擔(dān)全部室內(nèi)負(fù)荷，送風(fēng)量較大送風(fēng)速度送風(fēng)氣流速度較低，一般小于0.2m/s送風(fēng)

7、氣流速度較高1.52.0m/s送風(fēng)溫度送風(fēng)溫度1820送風(fēng)溫差24送風(fēng)溫度15.518送風(fēng)溫差68氣流組織推薦全部使用室外新風(fēng)，以保證空氣品質(zhì)下區(qū)存在溫度梯度，上區(qū)溫度比較均勻室內(nèi)空氣品質(zhì)好利用部分室內(nèi)回風(fēng)，氣流摻混、擾動(dòng)較大室內(nèi)氣流溫濕度分布比較均勻室內(nèi)空氣品質(zhì)較好對(duì)于自由射流，射流主體段軸心速度的衰減規(guī)律可表示為(1)其中，ux：以風(fēng)口為起點(diǎn)，到射流計(jì)算斷面距離為x處的軸心速度，m/s；u0：風(fēng)口出流的平均速度，m/s；d0：風(fēng)口直徑，m；a：無量綱紊流系數(shù)。無量綱紊流系數(shù)a與散流器的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，a值越大，則射流的擴(kuò)散和速度衰減越大。此外，合理布置散流器的位置對(duì)舒適性有很大的影響，應(yīng)保證

8、每個(gè)工作臺(tái)附近有一個(gè)散流器；若兩人共享一個(gè)散流器時(shí)，二者的距離不可超過2m。3.1.2 送風(fēng)溫度由于人腳對(duì)溫度的敏感性較強(qiáng)，通常地板送風(fēng)的送風(fēng)溫度較高，一般為18，送回風(fēng)溫差為8-10。圖1為地板送風(fēng)方式情況下，室內(nèi)溫度沿高度的分布。根據(jù)ISO 7730-1990及ASHRAE 55-1992的熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)：t1.13（坐姿1.1m處）或t1.83（站立1.8m處）可以看出，地板送風(fēng)室內(nèi)溫度分布較一致，沒有出現(xiàn)明顯的溫度梯度。實(shí)驗(yàn)測(cè)試一個(gè)采用地板送風(fēng)系統(tǒng)的辦公室（4.2×3.4×3.7m）(夏季)，散流器周圍（200mm）氣流擾動(dòng)強(qiáng)度為30%-40%。送風(fēng)溫度18。送風(fēng)口風(fēng)

9、量為16.7L/s 和19.4L/s，距地面0.1m-1.1m之間的平均溫差分別為1.3 、0.9；位于人頭部附近的空氣流速分別為0.05m/s、0.1m/s（送風(fēng)口風(fēng)量19.4L/s）。試驗(yàn)人員的服裝熱阻為0.4clo，代謝率為1.2met。結(jié)果得到，試驗(yàn)人員對(duì)空氣舒適性的不滿意率低于15%。圖1 室內(nèi)溫度分布曲線 圖2室內(nèi)污染物濃度曲線3.1.3 空氣品質(zhì)圖2對(duì)比了頂板送風(fēng)、地板送風(fēng)兩種送風(fēng)方式下，同一高度處污染物的濃度的大小?？梢钥闯?，地板送風(fēng)在人員活動(dòng)區(qū)能夠達(dá)到良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)和舒適的室內(nèi)環(huán)境。此外地板送風(fēng)系統(tǒng)的總安裝費(fèi)用也比頂板送風(fēng)系統(tǒng)節(jié)省10%。3.2 工位送風(fēng)工位送風(fēng)也屬于地板

10、的一種，室內(nèi)大環(huán)境的溫度及污染物濃度分布與上述地板送風(fēng)類似，在此不再贅述。由于工位送風(fēng)的送風(fēng)參數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)行區(qū)域控制，它的舒適性較一般高于地板送風(fēng)。根據(jù)ASHRAE舒適度標(biāo)準(zhǔn)，核心區(qū)域的空氣流速必須限制在：冬季不超過0.15m/s，夏季不超過0.8m/s。由于送風(fēng)口在人員的頭部附近，送風(fēng)溫度高于一般的地板送風(fēng)，因此，空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度相應(yīng)可以提高，故冷水機(jī)的性能系數(shù)（COP）增加，研究表明，蒸發(fā)溫度升高1，離心式冷水機(jī)的COP增加3.1%。工位送風(fēng)在滿足舒適要求的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)的能耗。       

11、0; 3.3 置換通風(fēng)置換通風(fēng)系統(tǒng)中，溫度梯度和送風(fēng)速度是兩個(gè)比較關(guān)鍵的因素，為保證人體熱舒適性要求，必須嚴(yán)格控制工作區(qū)的溫度梯度和氣流速度大小。3.3.1 送風(fēng)速度置換通風(fēng)的送風(fēng)散流器一般位于側(cè)墻下部，為避免產(chǎn)生吹風(fēng)感，必須嚴(yán)格控制送風(fēng)速度。散流器出口處的空氣流速主要取決于于送風(fēng)量，氣流阿基米德數(shù)和散流器類型。當(dāng)送風(fēng)量增加時(shí)，散流器出口附近氣流的平均速度增加，使得靠近風(fēng)口處的人有強(qiáng)烈的吹風(fēng)感。對(duì)于非等溫射流，阿基米德數(shù)Ar是反映氣流重力和慣性力綜合作用的特性參數(shù)(2)其中，g：重力加速度，m/s2；h：散流器高度，m；：體積膨脹系數(shù)；uf：出風(fēng)口面風(fēng)速，m/s；tn：，送風(fēng)溫度，ts：工作區(qū)

12、溫度散流器的結(jié)構(gòu)類型決定了氣流在貼地氣流層和整個(gè)工作區(qū)的速度分布，當(dāng)送風(fēng)氣流的速度波動(dòng)較大時(shí)會(huì)使人有吹風(fēng)感，為了避免這種危險(xiǎn)，送風(fēng)射流必須加以控制。Nielsen通過實(shí)驗(yàn)分析了七種不同類型落地散流器對(duì)送風(fēng)速度的影響，給出了近地面氣流最大速度的計(jì)算公式，并指出：不同送風(fēng)量下，對(duì)于近地面氣流速度，弧面散流器較平面散流器要小，高開孔率的散流器較低開孔率的要小。3.3.2 溫度梯度由于置換通風(fēng)系統(tǒng)在垂直方向上存在明顯的溫度梯度，根據(jù)ASHRAE 55-1992熱舒適性度的要求，應(yīng)減小室內(nèi)溫度梯度。研究表明溫度梯度的大小受送風(fēng)量和送風(fēng)速度的影響較大，送風(fēng)量增加，溫度梯度減小。溫度梯度與送風(fēng)量的關(guān)系可表述

13、(3)其中，V：送風(fēng)量，m3/h；：空氣密度，kg/m3；r：頂板與地板的輻射換熱系數(shù)，W/m2，取r=5；cf：地板與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2，取cf =4；A：地板面積，m2；cp：空氣定壓比熱，J/kgK； f：無量綱溫度。文獻(xiàn) 通過CFD方法對(duì)一個(gè)6m×4m×3m的辦公室進(jìn)行了模擬，房間負(fù)荷50W/m2，送風(fēng)溫度22，模擬結(jié)果如圖3?？梢钥闯?，適當(dāng)增大送風(fēng)速率，室內(nèi)垂直溫度梯度明顯減小，有助于提高熱舒適性。根據(jù)ISO7730的PMV/PPD評(píng)價(jià)指標(biāo)，PPD應(yīng)該低于10%，在置換通風(fēng)系統(tǒng)中，減小送風(fēng)速量或提高送風(fēng)溫度都可以降低PPD。3.3.3 室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)

14、價(jià)由于置換通風(fēng)熱力分層的存在，工作區(qū)產(chǎn)生污濁空氣被熱羽流及時(shí)帶入上區(qū)，避免形成橫向擴(kuò)散；進(jìn)入上區(qū)的氣流也不會(huì)再回流到工作區(qū)，因此置換同風(fēng)度熱力分層高度應(yīng)高于工作區(qū)高度，從而保證了工作區(qū)較好的空氣潔凈度。置換通風(fēng)的換氣效率通常介于0.50.67，通風(fēng)效率介于100%200%。而混合通風(fēng)理想換氣效率只有0.5，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)還要低，通風(fēng)效率一般也只有5070%；送風(fēng)速度0.4m/s 送風(fēng)速度0.5m/s圖3 不同送風(fēng)速度下的垂直溫度分布實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，對(duì)于一個(gè)9000m2的辦公建筑采用置換通風(fēng)后，冷負(fù)荷比混合通風(fēng)減少了2530%，送風(fēng)量減少了30%。對(duì)于冷負(fù)荷較大的建筑，采用置換通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合冷卻頂板的

15、輻射作用，最大負(fù)荷可增至100 W/m2。與傳統(tǒng)混合式系統(tǒng)相比，置換通風(fēng)/頂板冷卻系統(tǒng)可節(jié)能37% 。結(jié)論地板送風(fēng)室內(nèi)溫度均勻一致，污染物濃度較小，可以滿足機(jī)房、辦公室和實(shí)驗(yàn)室等散熱設(shè)備多、人員密集場(chǎng)合的熱舒適性需求；工位送風(fēng)以其個(gè)性化的送風(fēng)方式及靈活調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，更適宜現(xiàn)代辦公建筑；置換通風(fēng)室內(nèi)空氣上下分區(qū)，通風(fēng)效率和換氣效率較高，可用于辦公室、會(huì)議室和劇院等高大空間空調(diào)系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1 Heinemeier, K. E. Task conditioning for the workplace: issues and challenges. ASHARE Transactions, 1990,

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