空调系统送风方式对热舒适性的影响

1、空调系统送风方式对热舒适性的影响李建兴于燕玲涂光备邢金城周文忠摘要：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 : SickBuildingSyndrome)和建筑相关疾病(BRI : BuildingRelatedlllness)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

2、的顶板送 风(CeilingSupplySystem)相比，在某些场合采用地板送风 (UFAD : UnderfloorAirDistribution)、工位送风(TAC :TaskAmbientConditioning)和置换通风(DV DisplacementVentilation)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

3、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一水系统。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

4、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（openplanoffice）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

5、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。表1为置换通风与地板送风的综合比较。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。，送

6、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。表1置换通风地板送风 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1820C送风温差24C送风温度15.518C送风温差 68C气流组

7、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对于自由射流，射流主体段轴心速度的衰减规律可表示为：（1）其中，ux :以风口为起点，到射流 计算断面距离为x处的轴心速度，m/s ； u0 :风口出流的平均 速度，m/s ； d0 :风口直径，m ； a :无量纲紊流系数。无量 纲紊流系数a与散流器的结构特性有关，a值越大，则射流 的扩散和速度衰减越大。此外，合理布置散流器的位置对舒 适性有很大的影响，应保证每个工作台附近有一个散流器； 若两人共享一个散流器时，二者的距离不可

8、超过2m。，通常 地板送风的送风温度较高，一般为18C，送回风温差为8-10C。图1为地板送风方式情况下，室内温度沿高度的分 布。根据ISO7730-1990及ASHRAE55-1992的热舒适性标 准： t1.1W3C （坐姿 1.1m 处）或 t1.8W3C （站立 1.8m 处）可以看出，地板送风室内温度分布较一致，没有出现明 显的温度梯度。实验测试一个采用地板送风系统的办公室（4.23.43.7m）（夏季），散流器周围 （Q 200mm）气流扰动强度为30%-40%。送风温度18C。送风口风量为16.7L/S和19.4L/S，距地面0.1m-1.1m之间的 平均温差分别为1.3C、0.

9、9C ；位于人头部附近的空气流速 分别为0.05m/s、0.1m/s（送风口风量19.4L/S）。试验人员 的服装热阻为0.4clo，代谢率为1.2met。结果得到，试验人 员对空气舒适性的不满意率低于15%。图1室内温度分布曲线 图2室内污染物浓度曲线，同一高度处污染物的浓度的大小。可以看出，地板送风在人员 活动区能够达到良好的室内空气品质和舒适的室内环境。此 外地板送风系统的总安装费用也比顶板送风系统节省10%。 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

10、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1C，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。，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

11、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。对于非等温射流，阿基米德数Ar是反映气流重力和 惯性力综合作用的特性参数：(2)其中，g :重力加速度，m/s2 ； h :散流器高度，m ； 0 ：体积膨胀系数；uf ：出风口面风速, m/s ; tn :,送风温度，ts :工作区温度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

12、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。，根据ASHRAE55-1992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。温度梯度 与送风量的关系可表述如下：（3）其中，V :送风量，m3/h ； p :空气密度，kg/m3 ； a r ：顶板与地板的辐射换热系数， W/m2C，取a r=5 ；a cf :地板与室内空气的对流换热系数， W/m2C，取a cf=4 ； A :地板面积，m2 ； cp :空气定压比 热，J/kgK ；

13、 0 f :无量纲温度。文献8通过CFD方法对一个 6m4m3m的办公室进行了模拟，房间负荷 50W/m2，送风温度22C，模拟结果如图3。可以看出，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。，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% 20

14、0%。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% ；送风速度0.4m/s送风速度0.5m/s图3不同送风速度下的垂直温度分布实测数据表明，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100W/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

15、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 1Heinemeier,1990,106(1):6786892Yuan,X.,1998,104(1):78903McDonnell,G.Underfloordisplacementwhythey renott hesame.ASHRAEJournal,2003,July:18244Brunk,M.Coolingceiling-Anopportunitytoreduceenergy TOC o 1-5 h z costbywayofradiantcooling.ASHARETransactions,1993,99: 4794875Sodec,F.Theunderfloorairsupplysystem-theEuropean experience.ASHARETransactions,1990,106(1):6906956Hanzawa,H.Thermalcomfortwithunderfloorair-conditi onsystems.ASHARETransactions,1990,106(1):6966987Mundt,E.Displacementventilationsystems-convection