地板送风空调系统研究现状及发展

1、第 9卷 第 6期 制 冷 与 空 调2009年 12月REFRIGERA TION AND A IR CONDITIONIN G125收稿日期 :2009202210通信作者 :杨娟 ,Email :yangjuan301sina. com地板送风空调系统研究现状及发展杨娟 刘卫华(南京航空航天大学 摘 要 简要介绍地板送风空调系统的发展历史 、 分类 、 特点 、 应用场所 , 详细论述其研究方法 、 研究现状及 研究热点问题 , 并对其未来的发展趋势作出预测 。 关键词 研究现状与发展 ; 地板送风 ; 空调 ; 节能Current study and development of un

2、der 2floor air distribution systemYang J uan Liu Weihua(Nanjing University of Aeronautics and Astro nautics ABSTRACT Present s t he develop ment history , classification , characteristics and appli 2cation places of under 2floor air dist ributio n system. Based on t hose research met hods , in 2t ro

3、duces current st udy in detail and p redict s t he trend of t his system.KE Y WOR DS current st udy and develop ment ; under 2floor air dist ributio n ;air 2conditio n 2ing ;energy 2saving 随着现代社会的发展 , 人们在室内的工作时间逐渐加长 , 对室内工作环境的要求也相应提高 。 室内工作环境 (包括室内空气质量和热舒适性 对 人员的健康和工作效率均会产生很大的影响 。一 个好的空调通风系统可以提高室内空气

4、质量 , 降 低污染物对人员健康的威胁 。 1 地板送风空调系统概况 1. 1 地板送风空调系统的发展历史地板送风空调系统 (U FAD 的概念最早提出 是在 20世纪 60年代的德国 1。 20世纪 80年代 中期 , 英国伦敦的 Lloyds 大楼和中国香港汇丰银 行地板送风空调系统的成功设计 , 引起了人们的 普遍关注 , 并纷纷对此展开了研究 224。 目前 , 地板 送风在德国 、 瑞士 、 荷兰 、 日本及加拿大等国均有 应用 。 其中北美地区地板送风空调系统已占办公 楼空调系统的 40%5; 在日本 , 近 10年来就有近 20所建筑空调设备工程公司和大学为此建立了实 验室 、

5、设计了典型 (试点 工程 6; 我国也有如上海 财富广场办公楼空调系统等很多应用的例子 7。 1. 2 地板送风空调系统的概念及分类所谓的地板送风空调系统是指 8:从地面送出具有一定速度的空气 , 在向上流动过程中与工作 区的空气掺混 , 并进行热交换 , 起到调节工作区温 度的作用 。气流进入非工作区后 , 通过自然对流 从上部排风口排出 , 或部分空气通过地面回流到 地板下 , 并与一次空气混合 , 经下设的风机处理后 再送出 。 这种空调送风系统可以使经过空调处理 过的气流直接进入工作区 , 吸收人体的散热和散 湿 , 提高室内环境的舒适性 。常用的地板送风空调系统方式按地板下设置 的不

6、同可分为 : 地板下设风管的送风方式 。该 方式具有送风量控制可靠 、 启动时间短等优点 , 但 由于风口位置固定 、 灵活性较差 , 虽然早期曾有采 用 (如中国香港汇丰银行工程 , 但目前应用已经 很少 。 地板压出式直接送风 (静压箱内为正压 方式 。 从地板下向上送风 , 通过对送风量和送风 温度的控制 , 调节工作区温度 。该方式启动时间 较长 。 地板下设混风箱和风机 (静压箱内不需 要正压 方式 。即部分空气通过地面回流到地板 下 , 并与一次空气混合 (相当于二次回风方式 。 该方式将风机动力型末端设在地下 , 如不设混风 箱 , 则一次空气和回风的混合不易控制 , 使送风温

7、2 制 冷 与 空 调 第 9卷 度不稳定 。这种方式虽可减小空调箱风量 , 但地 板下装置复杂 。 地面与吊顶送风相结合方式 。 该方式中 , 照明等稳定的负荷由顶棚送风承担 , 办 公机器的负荷由下送风负担 , 回风均由吊顶回风 口吸入 。 采用该方式时 , 如将下送风部分空气的 送风进一步局部化 (如利用中空的分隔板出风 , 以及由上进风提供要求较低的背景空调 , 而下送 风充分满足人体需要 , 这种方式即所谓的 “工作与 环境” 相结合的空调方式 9。 其中第 种方式为地 板送风空调系统的主要设计方案 , 被广泛采用 10。 1. 3 地板送风空调系统与置换通风空调系统的异同 地板送风

8、与置换通风具有一定的相似性 , 二 者均是从房间下部送风 , 形成热力分层 , 同时都具 有节能与提高空气品质方面的优势 。但两者仍具 有较大的差异 :地板送风是从地面送出具有一定 速度的空气 , 在向上流动的过程中 , 与工作区的空 气迅速大量掺混并进行热交换 , 以架空地板为气 流通道 , 通过送风控制室内温度场 , 它是混合通风 风速降低到一定限度的产物 , 这个限度大致就是 工作区的高度 , 即地板送风的分层高度 。置换通 风则是地板送风风口速度再降低到一定限度的产 物 , 可以说是地板送风的极限状态 。置换通风的 气流因出口风速很低 , 依靠自身重力向地面平铺 开来 , 以类似层流的

9、活塞流状态缓慢向上移动 , 新 风不断 “置换” 污气 , 在工作区内一直保持分层 。 置换通风最大的特点体现在 “置换” 上 , 是以通风 换气为其主要功能 , 其温度调节是通过低温物体 的自我调节实现的 5。1. 4 地板送风空调系统的优势相对一般空调送风系统 , 地板送风系统具有 其独特的优点 11, 如 : 灵活性 。一体化的架空地 板送风系统取消了大部分的风管 , 减少了安装工 序 , 提高了办公楼内通讯 、 数据线路以及电力线路 安装的灵活性 , 便于办公室的改建 。 改善热舒 适性和室内空气品质 。散流器直接送风至工作岗 位 , 使用者既可以控制风量也能控制出风方向 , 实 现局

10、部气候环境个人控制 , 提高了个人的舒适性 ; 混凝土楼板变成了一个蓄热层 , 减少了温度波动 和峰值冷负荷 ; 回风口设于吊顶上 , 下送上回的气 流组织形式 , 有利于从空间带走余热 、 余湿和污染 物 , 保证工作区较高的换气效率和空气质量 。 节能 。 地板送风系统使用较高的送风温度 (大约 1719 , 允许采用较高的盘管冷却温度和蒸发 器蒸发温度 , 提高了冷水机组的效率 ; 灯具的热量 即时排除 , 减少了总冷负荷 ; 送风横截面较大 , 压 头损失较小 , 减少了风机能耗 ; 在过渡季节 , 由于 送风温度较高 , 可延长室外新风的使用时间 , 减少 冷冻机组的开启时间 。 降

11、低结构造价 。地板静 压箱通常比设风管的吊顶要薄 , 至少可以降低 15 cm 的层高 , 降低了结构造价 。1. 5 适宜采用地板送风空调系统的场所及应用探讨 鉴于地板送风空调系统的特点 , 为发挥地板 送风的优势 , 最适宜布置地板送风空调系统的空 间有 :计算机房与其他信息技术或电子设备用房 、 敞开式大空间办公室 、 培训或会议场所 、 展览区域 及办公辅助区域 (如配电间 等 12。另外 , 针对地 板送风方式 , 应强调地面的卫生状况 。要达到好 的空气品质 , 在保证施工质量和维护保养完善的 前提下 , 使用者保持良好的卫生状况也是相当必 要的 13。就投资 、 运行费用而言 ,

12、 虽然地板送风系统相 对于吊顶系统可以降低层高 , 减少结构造价 , 且各 种管线无须预制 、 预埋 , 可节省不菲费用 , 但由于 地板送风空调系统的其他投入增加 , 如架空地板 工程造价增高 、 空调系统材料设备和控制系统的 造价增加 、 建筑装修和空调专业人工成本增加等 , 因此工程总造价将会增加 13。此外 , 一体化架空 地板及其末端设备都须进口 。因而总体来看 , 地 板送风空调系统 的初期 投资 较高 , 但运 行费用 较少 。2 地板送风空调系统的研究现状2. 1 地板送风空调系统气流组织分布的研究方 法介绍目前 , 已经有很多学者对地板送风的可用性 进行了实验研究与计算机模拟

13、 , 如对气流组织分 布 、 温度分布 、 示踪气体 、 微粒尺寸和浓度分配等 分别作了详细的理论分析及实验研究 。其中对气 流组织分布的研究方法大致有 4类 , 即射流公式 法 、 Zonal Model 计算法 、 数值计算方法和模型实 验法 6。根据通风空调送风口的不同以及射流在室内 的状态 , 对射流特性进行了实验和理论研究 , 通过 分析得到一系列射流的半经验公式 , 并利用这些 经验公式对室内空气分布进行研究 , 这就是射流 公式法 。 事实上 , 利用射流公式法计算相关参数 , 以此来预测空气分布 , 这是最简单 、 经济的途径 。 第 6期 杨娟 等 :地板送风空调系统研究现状

14、及发展 3 目前 , 研究人员整理出的各种射流半经验公式 , 主 要是关于湍流射流平均特性 、 主体段中心速度 、 温 度衰减 、 断面流速分布 、 射流扩展角 、 冷射流贴附 长度等内容 。射流公式一般为显式代数方程式 , 它可简单快捷地预测机械通风房间内各个位置沿 射流方向的速度或温度分布 , 从而掌握室内空气 的分布情况 。但由于射流公式多为经验公式 , 且 揭示的大多为射流主体段的流动特性 , 这就使得 射流公式预测的结果存在不可靠性 。Zonal Model 计算法的基本思想是将房间划 分为一些有限区域 , 并认为区域内的相关参数 , 如 温度 、 浓度等保持不变 , 但区域间存在热

15、交换 。在 充分考虑区域间压差和流动关系的基础上 , 通过 建立质量和能量守衡方程来研究房间内的温度分 布以及流动状况 。Zonal Model 温度预测值介于实测值和 CFD 模拟值之间 , 结果基本令人满意 ; 但其速度预测值 与实测值之间还是存在一定的误差 。CFD 方法就是依据室内空气流动的数学物理 模型 , 将房间划分为一个个小的控制体 , 将控制空 气流动的连续微分方程组离散成非连续代数方程 组 , 结合实际的边界条件在计算机上数值求解离 散所得的代数方程组 。只要划分的控制体足够 小 , 就可以认为离散区域上的离散值代表整个房 间的空气分布情况 。采用 CFD 预测室内空气分布的

16、一般步骤为 :建立数学物理模型 , 得到流动控制微分方程 ; 在计 算区域离散控制微分方程组 , 变成代数方程组 ; 直 接或经简化后确定边界条件 , 如风口入流 、 壁面等 边界条件 ; 结合边界条件 , 迭代求解离散所得代数 方程组 , 并对结果进行后处理 、 可视化处理 。 CFD 方法以其成本低 、 速度快 、 资料完备 , 能 模拟各种复杂的真实情况等优点 , 受到越来越多 的重视 。模型实验法是借助相似理论 , 利用模型实验 对室内空气分布进行预测 。它不依赖于经验理 论 , 是最为可靠的方法 , 但也是最昂贵 、 周期最长 的方法 。 通常模型实验法只用于要求结果很准确 的情况

17、。由以上论述可以得出 , 要对室内气流组织分 布进行预测 , 首先要建立一个恰当的虚拟实验模 型 , 然后再根据实际情况选择适宜的研究方法 。 由于数值计算方法拥有众多的优点 , 目前专家学 者大多采用了 CFD 模型进行研究分析总结 。 研究 结果显示 , 地板送风空调系统拥有良好的室内热 力分层特性 14215, 显著的空调节能效果 16, 高的工 作区域空气品质 17219。2. 2 地板送风空调系统的研究现状近年来 , 很多学者对地板送风做了进一步的 探索研究 , 对地板送风在特殊环境下的系统性能 做了分析预测 , 并对 U FAD 系统优化提出了可行 性建议 。 笔者在此仅对 200

18、6年至今的主要研究成 果进行归纳总结 , 并综述如下 :由于空调通风系统性能与室外空间环境密切 相关 , 特别是气候条件 , 为此 , 美国 普度 大学的 Chen 等 20在美国选取了 5个具有典型气候环境 的地区 , 并根据当地一年的气候变化情况 , 分别对 置换通风系统和地板送风系统进行了能量分析 。 结果表明 , 地板送风系统可能会耗用更多的加热 能 , 但是制冷机耗能显著减少 , 整体能耗也减少 。 由于置换通风没有额外的除湿处理 , 这会导致在 潮湿环境下室内湿度偏高 , 故不宜应用于空气湿 度大的地区 。由于很多研究针对的应用场所为办公室 、 教 室 、 剧场等具有常规活动水平的

19、场所 (室内人员活 动时身体表面散热约为 5570W/m 2 , 而工作车 间等人员活动强度大的场所 (室内人员活动时身 体表面散热约为 105140W/m 2 却没有涉及 , 为 此 ,Lau J. 等 21又采用数值模拟与实验模拟相结 合的方法对高冷却负荷 、 大车间内空调送风系统 的性能进行了研究 。研究结果显示 :地板送风系 统相对于一般混合送风系统在呼吸区域的污染物 浓度更低 , 室内空气质量更好 , 通风效率也更高 。 因为地板送风系统产生了更多的单向流 , 消除了 工作空间的低速环流 , 所以无论采用涡流扩散送 风还是孔板送风 , 均能够有效减轻交叉污染 。但 涡流扩散器的掺混效

20、果更为显著 , 因此系统采用 涡流送风比孔板送风具有更高的舒适度 。另一方 面 ,Lau J. 等 21还采用了一个实用的 CFD 模型 , 深入地研究了室内环境参数对系统性能的影响大 小 , 研究的环境参数为排风口位置 、 数量 、 送风气 流速率和送风温度 、 分区布置等 。研究结果表明 :对车间热舒适性和空气质量产生显著影响的参数 有换气速率 、 送风风速 、 送风温度以及散流器数 量 ; 中度影响的参数为分区位置和排风位置 ; 影响 较小的参数为散流器位置 、 人员位置和家具布置 。 4 制 冷 与 空 调 第 9卷 不同的室内建筑设计也会对地板送风空调系 统的性能产生较大的影响 ,

21、为此 , 很多学者展开了 这方面的研究 , 其中 Zhang 等 22采用有效的 CFD 模型 , 针对一个典型的办公室 , 以舒适性和室内空 气质量为评价标准 , 研究分析了室内分区对地板 送风系统性能的影响 。结果表明 :分区主要影响 了气流分布 , 特别是由于分隔墙上部空间的存在 , 减少了房间上部空间的空气环流 , 改善空气分布 状况 。 建议未来的工作可以在研究分区墙的高度 和位置对送风系统性能的影响方面展开 。此外 ,Niu Jianlei 等 23在前人研究的基础上 , 基于中国香港气象数据 , 对一个小办公房间进行 了研究调查 。发现在系统拥有恒定空气流量时 , 无量纲温度系数

22、几乎是恒定的 。当热源位置固定 时 , 与混合系统相比 ,U FAD 系统从无冷却时间延 长 、 通风负荷减少 、 制冷机性能系数增加等 3个方 面显示出它的节能潜力 。针对地板送风空调系统 , 研究人员 14223对其 温度分布 、 污染物颗粒尺寸及分布浓度 、 示踪气体 等问题开展了一系列研究工作 , 并且对同种实验 模型在冬季工况和夏季工况下的不同舒适性要求 也分别进行了评估 。3 地板送风空调系统的发展趋势3. 1 地板送风空调系统的研究热点预测综合现有的研究成果可以得出 :未来的研究 热点主要集中在以下 6个方面 :鉴于目前对于地板送风的研究仍处在初步 阶段 , 适用于地板送风的计算

23、方法和评价标准都 很少 , 需要进一步完善 。如 :地板送风系统空调负 荷的计算方法 , 地板送风空调房间内空气分布特 性指标的计算方法 , 针对地板送风系统的设计标 准等 。 未来所提出的评价标准不再限于从能耗 、 温度分布 、 空气质量等因素分析 , 而是要从更人性 化的角度着手 , 在计算中引入人体数值模型 , 在人 体热平衡模型中引入生理 、 心理评价模型等 , 以提 高受益者本身的舒适感为根本 。优化系统性能的通风口布置方式的研究。 例如采用地板送风、 房顶排风、 中间层回收二次气 体 , 这种布置方法会使 U FAD 系统冷却负荷进一步 减少 , 将来可以作为一个独立的课题进行深入

24、研究。 对不同的室内建筑进行设计分析 。通过增 加简单部件使地板送风系统的适用场所进一步扩 大 , 不再仅限于办公室 、 机房等场所 ; 同时对适用 的应用场所做进一步优化设计 , 例如分区方位 、 办 公室布局包括净空高度等 , 都是未来需要研究的 关键因素 。从大局着手 , 将室内环境与室外空间环境 的分析有机结合起来 , 将建筑群 、 地域热气候等模 式化 。 针对不同的气候环境和地理区域 , 使地板 送风系统性能得到优化 。 CFD 数值计算作为一种实用性很强的应 用软件 , 也有很多不足之处 , 需要专家学者们作进 一步的开发和完善 。考虑到地板送风空调系统的具体应用 , 从 影响地

25、板送风的效果入手 , 进一步细化静压箱分 区 , 在保证更好的送风需求的基础上达到更好的 节能效果 。此外 , 由于围护结构漏风和架空地板 漏风会严重影响空调系统的性能 , 需要进一步强 化新材料及新技术的应用 , 做好地板静压箱密封 的施工与维护工作 。3. 2 地板送风空调系统拥有广阔的发展前景 电脑 、 数据处理和通信技术在现代化建筑中 的广泛应用 , 信息技术的飞速发展和智能化商务 的日趋繁荣 , 对室内工作环境产生了深远的影响 , 区域照明被环境照明和岗位照明的组合所取代 ; 对个人电脑 、 打印机以及便携式用电器的接线要 求更方便 ; 通信 、 数据传输 、 信号处理 、 安全与环

26、境 控制系统的网络接线布置须更灵活 。因此 , 需要 一个可以分布和设置如此繁杂线路的合适空间 , 使用地板空间就是满足此条件的一个简单方法 。 架空地板在现代建筑中的广泛应用 , 促进了地板 送风空调技术的发展 12。 地板送风空调系统的应 用 , 不仅为现代办公提供方便快捷 , 同时具有良好 的空调效果和节能效果 , 这些都预示着地板送风 空调将拥有广阔的发展前景 。在我国 , 地板送风系统已初露头角 , 为一些境 外公司投资建造的办公楼如上海财富广场 、 华尔 顿广场二期所采用 。据报道 , 近期又有一些办公 建筑的地板送风空调系统正在和将要设计 , 相信 随着我国国民经济的飞速发展和设

27、计市场的更加 开放 , 必将有越来越多的办公建筑采用地板送风 空调系统 。同时 , 随着对地板送风系统的深入研 究 , 优化后的地板送风系统将会应用于更多的场 所 、 地区 , 受到越来越多的青睐 。4 结束语在我国 , 地板送风系统才刚刚应用于现代办 第 6期 杨娟 等 :地板送风空调系统研究现状及发展 5 公建筑中 , 系统设计理念与方法 , 设计规范 , 设备 研究与开发 , 系统管理与运行方法等各方面的工 作还相当欠缺 , 需要广大的空调系统设计研究者 在学习借鉴国外先进技术的基础上多加努力 , 开 发出更加舒适 、 经济 、 可靠的地板送风系统 , 使得 地板送风系统逐渐成为我国现代

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