空调置换通风与热舒适性的原理及影响

空调置换通风与热舒适性的原理及影响
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，并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
Abstract: This paper introduces the under floor air supply, supplying wind and displacement ventilation principle, analyzed the effects of three kinds of ventilation thermal comfort are the main factors, and the three air supply modes of use condition, thermal comfort and the operation of the system compares the energy consumption.
Key words: floor air supply; station ventilation; displacement ventilation; thermal comfort
前言
随着空调技术的发展，送风方式也日益多样化。

与传统的顶板送风相比，在某些场合采用地板送风、工位送风和置换通风等空调方式具有通风效率高、运行能耗低等优点。

1、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。

1.1 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。

1.2 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。

1.3 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，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。

2、热舒适性的影响
2.1 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。

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。

对于自由射流，射流主体段轴心速度的衰减规律可表示为：
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，二者的距离不可超过2m。

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℃。

地板送风方式情况下，室内温度沿高度的分布。

根据ISO 7730-1990及ASHRAE 55-1992的热舒适性标准：Δt1.1≤3℃（坐姿1.1m处）或Δt1.8≤3℃（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。

③空气品质：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%。

2.2 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。

2.3 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。

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。

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：
其中，g：重力加速度，m/s2；h：散流器高度，m；β：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。

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。

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。

温度梯度与送风量的关系可表述如下：
其中，V：送风量，m3/h；ρ：空气密度，kg/m3；αr：顶板与地板的辐射换热系数，W/m2℃，取αr=5；αcf：地板与室内空气的对流换热系数，W/m2℃，取αcf =4；A：地板面积，m2；cp：空气定压比热，J/kgK；θf：无量纲温度。

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%；
3、结束语
综上所述；地板送风室内温度均匀一致，污染物浓度较小，可以满足散热设备多、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、会议室和体育场等高大空间空调系统。