改善室内空气环境的调节策略

改善室内空气环境的调节策略 论文作者：赵荣义 许为全 本文由水源热泵 提供下载 摘要： 论述了在室内空气环境调节技术方面所面临的挑战，近年来空调领域的技术进展及发展动向，并 在环境参数动态化研究基础上，提出改善室内空气环境的调节策略。 关键词： 室内空气环境 热舒适 空气品质 1 挑战背景 室内空气环境按其原有的意义应为空气温度、湿度、流速及清洁度四种因素的综合。 但在研究人体热舒适时，则将清洁度换成表面平均辐射温度，且称其为热环境。显然，空 气环境和热环境有其共同性，而又有差异。本文主要涉及其共性，所以通用两个术语。 热环境各因素对人体的影响研究已经经历了大半个世纪，并根据美国堪萨斯州立大学 等长期研究的结果，产生了 ASHRAE55-74 标准，即人们居住的热舒适条件及后来的 ASHRAE55-81 标准人们居住的热环境条件 。国际标准人组织（ISO ）根据丹麦工业大 学 P.O.Fanger 教授的研究成果于 1984 年制定了 ISO-7730 标准，即适中的热环境-PMV 与 PPD 指标的确定及热舒适条件的确定上述研究成果及相应标准都是以稳态热环境为条 件，以人体的主观热感觉处于中性，风速不大于 0.15m/s，相对湿度为 50%为最舒适的热环 境。显然，这是形成舒适性热环境设计的依据。 长期实践结果表明，人工维持的中性热舒适环境，即保持室内工作区空气温度、相对 湿度及风速长期稳定的技术策略是不完善的。这主要表现在：人体长期处于性热舒适的稳 态热环境内会产生“空调适应不全症 “。即空调系统维持的相对 “低温“环境使皮肤汗腺和皮 脂腺收缩，腺口闭塞，导致血流不畅，发生神经功能紊乱等症状候群。同时，由于缺少适 当刺激，人体的适应能力下降，抵御疾病的能力降低，或者由于室内外存在较大的“热冲击 “，使人易患感冒或中暑。一些调查表明，使用空调越多，人们的抱怨也越多。 此外，在大型和高层建筑物内，大量合成材料的使用，采用密封性良好的门窗等建筑 构件，以及为了节能尽可能减小新风量等措施，使室内产生的多种有机气体及由人体产生 的生物性污染物等得不到合理的稀释和置换。因此，室内空气品质恶化，导致一些建筑物 成为“病态建筑 “（Sick Building） 。人生活在此种建筑物内，会表现出呼吸道系统和眼受刺 激，困倦、乏力、胸闷、精神恍惚、过敏等症状，世界卫生组织已将此类症状称为“病态建 筑综合症“（Sick Building Syndrome） 。尤其值得指出的是，设计和管理不善的空调系统 （空气处理设备中大量水体的存在、空气过滤装置失效和管理不善等）也是造成病态建筑 的一个重要因素。还有由空调系统传播的疾病，如军团病等，亦不可小视。 由上述可见，对空气调节的挑战已不仅限于维持何种热环境参数、采用何种工作模式 及如何节省能量消费的问题，而是扩大到空气调节在维持空气环境的“清洁度“ （如果把空 气品质与清洁度联系起来）这一方面究竟能起什么作用。 面对空气调节所带来的一些负面效应，有人提出研究如何避免和最低限度使用空调的 问题。在世界范围内，数以百万计的病态建筑使室内空气品质的研究成为热点。以此为背 景，在尽量减少能耗和环境污染的条件下，提供健康、舒适、可承受的居住和工作环境就 理所当然地成为人们追求的目标。 2 空调技术的进展 在上述背景下，近年来空调技术取得了一些新进展。首先是在欧洲一些国家传统的“上 送下回“气流分布方式被 “置换式 “（Displacement）所取代。一种新型径向送风的“ 矢流式“送 风口也应运而生。这种气流分布方式使送入房间的空气首先进入工作区，在房间的竖向形 成一定的温度梯度。这样，不论在保证工作区空气的新鲜度还是在节能方面均有明显的优 点。但是，这种送风方式要求较高的送风温度，送风温差不宜过大，因而送风量较大。在“ 下送上回“这一有效送风方式的基础上，进一步发展成送风系统只送新风的方式，在工作区 下部形成一个新风带。由于人体表面温度较高，周围空气经人体加热后，可形成一上升对 流气流，下部的新鲜空气则流经人的呼吸区，因而人体周周的空气品质是好的。与些同时， 由于温度分层，房间顶部温度较高，所以在天花板设置一盘管式吸热面（Cooled-ceiling） 来传递大约 70%的房间热负荷（最大负荷时） ，而其负荷则由送入房间的空气经采用上部 排风排至室外。进入冷却天花板盘管的水温一般高于 20，以防结露。这样就可在一些可 能提供较低温度天然水源的地区减少人工制冷的负荷和能量消耗。 与此同时，在另一些国家（如德、美、英、日、南非等）则兴起一种“工位调节 “（ Task-conditioning） 。这种调节方式的主要特点在于就地设置送风的末端装置，强调个人 舒适要求的可实现性。伴随办公建筑内现代办公用具的发展，架空地板已成为方便布线形 成网络的一种必要条件。而架空地板的下部则为空调送风系统提供了一个良好的分配空间， 也为每一个工位设置送风末端装置提供了条件。为避免办公室的“恒温器之争“ ，集中空调 系统保持多数人可以接受的室内空气参数，而对于个人舒适要求则通过送风末端（地板上 设置的带风扇或不带风扇的风向可调的风口、柱式送风装置等）来予以满足。 类似于工位调节，对坐椅送风方式也有不少的研究成果。尤其是椅下低速送风方式的 研究值得关注。采用下送风方式，成其是地板风口送风，人们普遍关心的问题是二次扬尘。 在这方面所做的实测研究结论并不一致。在有的建筑物内，采用下送风的室内空气含尘浓 度反而比上送下回方式低。这说明房间使用的表面材料和维护洁净的水平也不能忽视。 另一方面的发展则在于使工位调节的末端装置送风动态化。目前日本已开发出顶置式 动态送风口（条缝式和方形风口） ，认为这是办公建筑空调的新发展，并将这种空调方式称 为“ 刺激空调“。同样，在工位调节的送风末端装置上加装可动导叶已有实验研究成果。众 所周知，在一定温湿度条件下的风作用具有增强人体散热、降低等感温度的效果。因此， 利用动态送风可不同程度地提高工作区的空气温度，这无疑会有一定的节能意义。一些国 家对利用自然通风夜间冷却，尤其是对历史性建筑物和传统民居在空气环境调节方面的经 验总结，也值得我国重视。 总之，我们认为当前舒适性空气调节的发展归纳为三种趋势：一是由全面向局部的转 化，即改变经典空调将整个房间作用调节对象，而将经过处理的空气直接送入人所在的区 域，甚至送到人所在的工位，提高送风的有效性；二是由主要关心空气的温湿度调节、保 证人体的热舒适向全面关心空气品质、提供保证人体健康舒适的空气环境的转化；三是由 稳态的调节模式向动态模式的转化。显然，这些趋势与前述的目标是一致的，即减少能耗 和环境污染，提供健康、舒适和可承受的居住和工作环境。 3 动态空气环境的调节策略 所谓动态空气环境是指空调系统所维持的某个空气环境参数或某几个环境参数的组合 不是稳定不变的，而是随时间变化的。通过对空气环境和热环境各参数的分析可知，空气 温度和空气流速是易变的，且易于控制。为了探索人体在动态环境条件下的适应性，我们 以大学生为受试对象，在实验室内进行了动态热环境的人体热反应（生理的和心理的）及 人体热反应的动态调节两方面的实验研究，以期回答下列问题： 在动态空气环境下人体热反应的特点； 人体可以接受的环境参数变化范围； 动态空气环境的调节策略。 动态空气环境下人体的热反应研究包括空气温度发生突变、递变和波动三种情况。尤 以空气温度突变具有典型性。在人体的活动强度为静坐，衣服热阻为 0.50.6clo，由中性 热环境（25）突变到 30、 35等温度较高的热环境时，人体热感觉呈现逐渐升高直到 稳定的过程。然而，当由较高温度的热环境突变至中性热环境时，人体热感觉则呈现迅速 降低，而且会超过中性热反应（见图 1） ，出现“热感超越“ 的现象。对这一现象，目前从生 理学上尚只能解释为人体皮肤表面的冷感受器远比热感受器分布密度高（一般为 410 倍 数）的缘故。人体热瓜的这一特点虽然在变化率较小的温度递变和周期较长的温度波动热 环境中表现并不明显，但在较短周期温度波动和周期性风作用时却有不可忽视的作用。如 在周期性温度波动时，对应各时刻的空气温度下人体预测的稳态平均热感觉和实际平均热 感觉（采用 ASHRAE 的 7 级热感觉指标）之间存在一定的差别，即 式中：PMV （ ）- 时刻预测稳态热感觉投票值； TSV（）- 时刻实际热感觉投票值，或称动态热感觉。 图 1 温度突变情况下人体热反应(Iclo)=0.6clo 在热环境单参数变化条件下，通过实验发现：当空气温度的变化范围为 2831（相 对湿度70% ） ，升温和降温的时间比为 10:5,10:7,10:9 和 10:13 时，人体瞬时热感觉值一般 +1.0（见图 2） 。只在温度达到 31峰值后，有时热感觉达到或略超过 1.0。 TSV 一般为 0.250.45。可见在温度波动条件下，人体的实际热感觉按时间平均有所降低。这也说明实 现环境温度的动态化会带来一定的“热环境效益“ 。同时可见， 3的空气温度变化，人体是 可以接受的，而不会出现不适的反应。 图 2 温度波动时的人体热反应（升温降温时间比 10:7;Iclo=0.6clo） 对风速动态化的研究结果证明：扫描式的风扇作用能克服稳态吹风引起的人体不良反 应。采用一定扫描时间和频率的风作用实质上是一种自然风作用的近似模拟。如前所述， 适当提高空气温度加上利用扫描式的风作用，同样可以取得令人满意的热舒适效果。按风 速分析为 0.4,0.7 及 1.0m/s，吹停时间之经为 1：1 及 3： 3(min)所做的实验表明，即使在空 气温度为 30，衣服热阻为 0.25clo 时，扫描式吹风的风速大于 0.4m/s 即可使人体的平均 热感觉 TSV+1.0(见图 3)。在空气温度为 28，扫描送风风速同样为 0.4m/s，衣服热阻为 0.5clo 时，热感觉值则为+0.50.6。对比用稳态送风时的热感觉（+0.23）和无风时的热感 觉（+0.8）可见，动态的风作用是稳态风作用的一种弱化。改变扫描式吹风的吹停比即可 改变风作用对降低人体热感觉的效果。因此，在一定的人体活动强度和衣服热阻条件下， 已知扫描式吹风的工况，即可确定在不同空气温度下扫描式吹风对降低人体热感觉的有效 性。 图 3 动态风作用下的人体热感觉 基于以上研究结果，在炎热季节建筑物内具备空气冷却设备并能实现扫描式吹风时， 其调节模式可用动态热环境评价指标 DTSV，即在动态温度和风速条件下按时间平均的人 体热感觉来进行判断。当 DTSV（在室内无扫描式吹风时即为 PMV）+1.0 时，应满足通 风要求且均匀送风，而当 0.5DTSV1.0 时，则只用扫描式吹风模式，当 DTSV+1.0时， 则需开动空气冷却设备加扫描式吹风，直到 DTSV+0.5时，停止空气冷却，只用扫描式吹 风。当然，这种调节模式可以是按个人舒适要求来判断和调节，也需要开发简易的 DTSV 传感器，实现自动调节。 综上所述，研制下送风并具有扫描式吹风的空气调节末端装置是实现空气环境动态调 节不可缺少的硬件。同时也需要开发新的空气环境评价软件。显然，适当提高室内空气温 度，扩大室内参数控制区的范围，不仅可减少空气冷却设备的负荷和缩短其运行时间，并 可延长利用室外新风实现自然冷却的时间，因而有利于改善室内空气品质及显著地节约能 耗。同时，空气温度的适当波动和间歇吹风的刺激，也有利于人体健康。 4 主要参考文献 1 A P Gagge et al. Comfort and thermal sensations and associate physiological responses at various ambient temperatures. Environmental research. 1967,1. 2 F Bauman. Task/ambient conditioning systems: Engineering appl