地板送风空调系统研究现状及发展

第9卷　第6期制冷与空调
2009年12月
REFRIGERA TION AND A IR CONDITIONIN G
125
收稿日期:2009202210
通信作者:杨娟,Email :yangjuan 301@
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 under 2floor air distribution system
Yang 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 roduces 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、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同可分为:①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。

②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。

③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
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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。

④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②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:①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。

②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。

③节能。

地板送风系统使用较高的送风温度(大约17～19℃),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。

④降低结构造价。

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,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,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。

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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。

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2006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场所(室内人员活动时身体表面散热约为55～70W/m2),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105～140W/m2)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。

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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,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:
①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。

②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研究。

③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。

④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。

⑤CFD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。

⑥考虑到地板送风空调系统的具体应用,从影响地板送风的效果入手,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办公楼建筑空调的主流。

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