1、 前言

　　暖通空調(diào)的目的是給建筑物的室內(nèi)人員提供滿意的熱環(huán)境和良好的室內(nèi)空氣品質(zhì),以確保人員的身體健康、舒適要求。

　　傳統(tǒng)的全空間空氣調(diào)節(jié)方式是在實(shí)踐中應(yīng)用的最多的一種,主要包括混合式和置換式兩種。混合式通風(fēng)使室內(nèi)環(huán)境盡可能均勻，送風(fēng)與周圍環(huán)境混合后再到達(dá)人的區(qū)域，其對人的感覺和空氣品質(zhì)的改善程度較差。送風(fēng)經(jīng)過與室內(nèi)空氣混合、污染后，只有大約1％的新鮮空氣得到利用，其余99％的空氣均被浪費(fèi)掉「1」。而置換通風(fēng)以低速送風(fēng)，在空間形成熱力分層現(xiàn)象，在空間出現(xiàn)兩個區(qū)域，下部單向流動區(qū)空氣新鮮未被污染，空氣品質(zhì)良好，上部混合區(qū)是受污染的空氣。因此只要設(shè)計(jì)合理，置換通風(fēng)能夠保證分層高度在工作區(qū)范圍，可以保證人體處于一個相對清潔的區(qū)域。

　　在實(shí)際使用中，室內(nèi)人員具有不同的生理和心理反應(yīng)、衣著量、活動強(qiáng)度、對空氣溫度和氣流的個體偏好，以及人體對房間溫度變化的不同響應(yīng)等，因此全空間空調(diào)方式有其局限性而且不能同時為每個人提供良好的熱感覺和空氣品質(zhì)。為了使空調(diào)更具有人性化，使每個人能夠按照自己的喜好控制他所在的局部環(huán)境，最佳的解決方法之一是將置換通風(fēng)和個體化微環(huán)境控制相結(jié)合。這樣既可以通過置換通風(fēng)保證背景環(huán)境溫度是絕大多數(shù)人滿意，又能通過個體化微環(huán)境控制使局部環(huán)境因人而隨意調(diào)節(jié)，達(dá)到每個人的滿意度。一項(xiàng)研究表明，對室內(nèi)人員而言，擁有控制其局部環(huán)境的可能性比其真正進(jìn)行大范圍的控制調(diào)節(jié)來說更為重要「2」。

　　2、 置換通風(fēng)

　　置換通風(fēng)是將處理后的新鮮空氣以很低的速度送入工作區(qū)的底部，并在地板上形成一層較薄的空氣湖。空氣湖是由較涼的新鮮空氣擴(kuò)散而成，室內(nèi)的熱源產(chǎn)生向上的對流氣流，新鮮空氣遇到熱源，被加熱，密度減小，從而會隨對流氣流向室內(nèi)上部流動，形成室內(nèi)流動的主導(dǎo)氣流，排風(fēng)口設(shè)置在房間的頂部，將污染空氣排出，送風(fēng)口送入的新鮮空氣溫度通常低于室溫2~4℃「3」，置換通風(fēng)的送風(fēng)速度極低，通常為0.03~0.2m/s「4」，通風(fēng)的流態(tài)如圖1所示。

　　圖1置換通風(fēng)的流態(tài)

　　由于送風(fēng)的動量很低，對室內(nèi)的主導(dǎo)氣流具有很小的影響，熱源引起的熱對流氣流使室內(nèi)產(chǎn)生垂直的溫度、濃度梯度，在這種情況下排風(fēng)溫度高于室內(nèi)工作溫度。

　　置換通風(fēng)系統(tǒng)對室內(nèi)環(huán)境有如下特點(diǎn)「5」：

　　（1）室內(nèi)溫度、濃度呈層狀分布。

　　置換通風(fēng)利用空氣的密度差在室內(nèi)形成自下而上的空氣流動，送來的冷空氣由于受到熱源上升氣流的卷吸作用、后續(xù)新風(fēng)的推動作用和排風(fēng)口的抽吸作用，形成自然對流射流。在自然對流射流的初始階段，它是靠送入氣流Ls補(bǔ)償對流射流的卷吸量Lr ，此時Lr﹤ Ls. Lr是上升高度的函數(shù)，隨上升高度的增加而增加，達(dá)到Lr= Ls時的高度Z稱為分界面高度，超過此分界面后Lr﹥ Ls，即送風(fēng)已不能滿足對流射流卷吸量，其所不足之量只能靠自身由頂棚回返之量補(bǔ)償，如圖2所示。

　　圖2置換通風(fēng)的熱力分層

　　因此，在穩(wěn)定狀態(tài)時，分界面將室內(nèi)空氣在流態(tài)上分成兩個區(qū)，底層單向流動區(qū)和上部紊流混合區(qū)。底層單向流動區(qū)也是人的活動區(qū)，污染物濃度最低，空氣的品質(zhì)最好；頂部的紊流混合區(qū)，余熱和污染物主要集中于此區(qū)內(nèi)，溫度最高，污染物的濃度也最高。然而無論在下部還是上部區(qū)域，溫度和污染物的濃度梯度均很低，整個區(qū)均勻平和。在單向流動區(qū)和紊流混合區(qū)之間有一個過度區(qū)，此區(qū)的高度雖然很小，然而溫度和污染物的濃度梯度卻很大，空氣的主要溫升過程在此區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，被成為溫躍層。溫度和污染物的濃度分布如圖3所示。

　　（2）室內(nèi)空氣的流動速度低，速度場平穩(wěn)，呈層流或低紊流狀態(tài)。由于以微風(fēng)速送風(fēng)，送風(fēng)區(qū)內(nèi)無大的室內(nèi)空氣流動，在微弱的壓差作用下，新風(fēng)慢慢彌漫房間的底部區(qū)域，吸收余熱，再以自然對流的方式向上慢慢升起。

　　（3）污染物在人停留區(qū)不橫向擴(kuò)散。由于室內(nèi)無大的空氣流動，污染源不會橫向擴(kuò)散，而被上升的氣流直接攜帶到上部的非人活動區(qū)。

　　4）相對于混合通風(fēng)，置換通風(fēng)的節(jié)能體現(xiàn)如下：送風(fēng)溫差小，送風(fēng)（4）相對于混合通風(fēng)，置換通風(fēng)的節(jié)能體現(xiàn)如下：送風(fēng)溫差小，送風(fēng)溫度高，處理新風(fēng)所需的能耗降低約20％；送風(fēng)溫度高，過渡季節(jié)免費(fèi)取冷時段增加約50％，帶來全年供冷能耗降低約10％；由于送風(fēng)溫度高，冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度提高，冷水機(jī)組的能耗降低約3％；由于僅需考慮人員停留區(qū)負(fù)荷，上部區(qū)域負(fù)荷可不必考慮，設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)荷可減少10～40％。綜上所述，置換通風(fēng)所需的能耗比混合通風(fēng)減少約20％～30％「6」。

　　圖3 置換通風(fēng)的速度,濃度分布圖

　　正是由于以上置換通風(fēng)的高效和合理性使得它在劇場、體育館和辦公等大空間場所得到了廣泛的應(yīng)用。它的合理性體現(xiàn)在兩個方面：一是原理的合理性，置換通風(fēng)系統(tǒng)很好的利用了氣體熱輕冷重的自然特性和污染物自身的浮升特性，通過自然對流達(dá)到空氣調(diào)節(jié)的目的。二是它結(jié)果的合理性，置換通風(fēng)系統(tǒng)空氣分層的特點(diǎn)，將余熱和污染物鎖定于人的頭頂之上，使得人的停留區(qū)保持了良好的空氣品質(zhì)。

　　3、個體化微環(huán)境控制

　　個體化微環(huán)境控制是一種只對局部微環(huán)境進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，從而為每個提供滿意的空氣品質(zhì)和舒適性的空調(diào)方式。個體化控制的微環(huán)境特點(diǎn)：其一，新鮮空氣可以直接送到人的呼吸區(qū)，減少了與室內(nèi)空氣的混合，使人體吸入的空氣盡可能地不受周圍環(huán)境的污染，以保證較高的空氣品質(zhì)；其二，通過局部的冷卻或加熱，能夠達(dá)到每個人滿意的熱感覺條件。其三，個體化通風(fēng)的獨(dú)立調(diào)節(jié)手段可以減小個體差異對舒適性的影響，同時產(chǎn)生的心理作用也有助于從感知上提高空氣品質(zhì)。提供個體化控制之后，室內(nèi)人員的抱怨減少而對局部環(huán)境的滿意度提高。

　　個體化調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn),大多采用工位/背景調(diào)節(jié)（TAC）系統(tǒng),主要為地板式和桌面式系統(tǒng)。目前研究的較多的是桌面系統(tǒng),這種方式能夠較好的保證所提供的空氣品質(zhì),其系統(tǒng)形式可分為：水平桌面格柵、垂直桌面格柵、個人環(huán)境單元和可移動式送風(fēng)口�？梢苿邮剿惋L(fēng)口如圖4所示，通過機(jī)械臂使送風(fēng)口位置可以移動，能夠較好地將風(fēng)送至人的呼吸區(qū)，而且不影響人的正常工作，是目前比較好的一種個體化送風(fēng)方式。

　　圖4 可移動式送風(fēng)口

　　4、 討論

　　盡管置換通風(fēng)和混合式通風(fēng)相比，其工作方式實(shí)現(xiàn)了從全空間到只在工作區(qū)空間空調(diào)方式的轉(zhuǎn)變，使得空氣品質(zhì)得到了顯著改善，空調(diào)能耗得到了降低。但是置換通風(fēng)有其局限性而且不能同時為每個人提供高的熱感覺和空氣品質(zhì)。因此，如若將置換通風(fēng)和個體化微環(huán)境控制相結(jié)合使用，將是一種理想的空調(diào)方式之一。在劇場、體育館或辦公室等大空間有固定人員位置的建筑物中，若在人員處采用個體局部通風(fēng)調(diào)節(jié)，將新風(fēng)直接送到人的呼吸區(qū)，盡可能的減少與周圍空氣的混合，可以更有效的提高新風(fēng)的利用率，改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)，因此可以適當(dāng)?shù)臏p少新風(fēng)量，處理新風(fēng)所需要的能耗會減少。而在人員不常去的公共部分，如走廊、會客廳、大廳等公共場所，可以采用置換通風(fēng)的方式，這樣室內(nèi)的背景環(huán)境溫度可以適當(dāng)提高，從而大大減少冷負(fù)荷。當(dāng)室內(nèi)設(shè)定溫度從24℃提高到30℃時，總的冷負(fù)荷最大能夠降低35％-50％「7」，從而使系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用都能夠得到大幅度降低。同時個體化調(diào)節(jié)能夠改善人體的熱感覺和感知的空氣品質(zhì)，同時滿足個體差異的要求，減少不滿意率，因此能夠提高工作效率，這為辦公和商用建筑采用個體化調(diào)節(jié)方式提供了很好的經(jīng)濟(jì)動力。

　　但是個體化微環(huán)境調(diào)節(jié)目前是一個比較新的研究領(lǐng)域，因此，個體化控制和置換通風(fēng)的聯(lián)合應(yīng)用還有很多問題需要仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，如空間背景溫度與局部微環(huán)境的溫差、滿足人體熱感覺的前提下，背景溫度的可接受范圍、人體呼吸區(qū)吸入低溫空氣對人體總體熱感覺的影響以及個體調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)手段的可實(shí)現(xiàn)性和易用性等等。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]李俊。個體化微環(huán)境調(diào)節(jié)研究進(jìn)展［J］。暖通空調(diào),2003,33（3）

　　[2] Bauman F S.Carter T G.Baughman A V,et al. Field study of the impact of a desktop task/ambient conditioning system in an office building［J］。In：ASHRAE Tans,1998,104（1）

　　[3]李強(qiáng)民。置換通風(fēng)原理設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］。暖通空調(diào),2000,30（5）

　　[4] 倪波。水蒸氣對置換通風(fēng)特性的影響［J］。暖通空調(diào),2002,32（4）

　　[5] 倪波。置換通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究［J］。暖通空調(diào),2000,30（5）

　　[6] 李先庭,趙彬,林波榮,陸俊俊。置換通風(fēng)與混合通風(fēng)供冷季能耗分析［J］。暖通空調(diào),2002,32（5）

　　[7] Zhao Rongyi,Xia Yizai,Li Jun.new conditioning strategies for improving the themal environment［J］。procedings of International Symposium on Building and Urban Environmental Engineering,Tianjing.1997，11（2）。

　　作者：尹慧鋒