置换通风与个体化微环境控制

1、 前言

暖通空调的目的是给建筑物的室内人员提供满意的热环境和良好的室内空气品质,以确保人员的身体健康、舒适要求。

传统的全空间空气调节方式是在实践中应用的最多的一种,主要包括混合式和置换式两种。混合式通风使室内环境尽可能均匀，送风与周围环境混合后再到达人的区域，其对人的感觉和空气品质的改善程度较差。送风经过与室内空气混合、污染后，只有大约1%的新鲜空气得到利用，其余99%的空气均被浪费掉「1」。而置换通风以低速送风，在空间形成热力分层现象，在空间出现两个区域，下部单向流动区空气新鲜未被污染，空气品质良好，上部混合区是受污染的空气。因此只要设计合理，置换通风能够保证分层高度在工作区范围，可以保证人体处于一个相对清洁的区域。

在实际使用中，室内人员具有不同的生理和心理反应、衣着量、活动强度、对空气温度和气流的个体偏好，以及人体对房间温度变化的不同响应等，因此全空间空调方式有其局限性而且不能同时为每个人提供良好的热感觉和空气品质。为了使空调更具有人性化，使每个人能够按照自己的喜好控制他所在的局部环境，最佳的解决方法之一是将置换通风和个体化微环境控制相结合。这样既可以通过置换通风保证背景环境温度是绝大多数人满意，又能通过个体化微环境控制使局部环境因人而随意调节，达到每个人的满意度。一项研究表明，对室内人员而言，拥有控制其局部环境的可能性比其真正进行大范围的控制调节来说更为重要「2」。

2、 置换通风

置换通风是将处理后的新鲜空气以很低的速度送入工作区的底部，并在地板上形成一层较薄的空气湖。空气湖是由较凉的新鲜空气扩散而成，室内的热源产生向上的对流气流，新鲜空气遇到热源，被加热，密度减小，从而会随对流气流向室内上部流动，形成室内流动的主导气流，排风口设置在房间的顶部，将污染空气排出，送风口送入的新鲜空气温度通常低于室温2~4℃「3」，置换通风的送风速度极低，通常为0.03~0.2m/s「4」，通风的流态如图1所示。

图1置换通风的流态

由于送风的动量很低，对室内的主导气流具有很小的影响，热源引起的热对流气流使室内产生垂直的温度、浓度梯度，在这种情况下排风温度高于室内工作温度。

置换通风系统对室内环境有如下特点「5」：

（1）室内温度、浓度呈层状分布。

置换通风利用空气的密度差在室内形成自下而上的空气流动，送来的冷空气由于受到热源上升气流的卷吸作用、后续新风的推动作用和排风口的抽吸作用，形成自然对流射流。在自然对流射流的初始阶段，它是靠送入气流Ls补偿对流射流的卷吸量Lr ，此时Lr﹤ Ls. Lr是上升高度的函数，随上升高度的增加而增加，达到Lr= Ls时的高度Z称为分界面高度，超过此分界面后Lr﹥ Ls，即送风已不能满足对流射流卷吸量，其所不足之量只能靠自身由顶棚回返之量补偿，如图2所示。

图2置换通风的热力分层

因此，在稳定状态时，分界面将室内空气在流态上分成两个区，底层单向流动区和上部紊流混合区。底层单向流动区也是人的活动区，污染物浓度最低，空气的品质最好；顶部的紊流混合区，余热和污染物主要集中于此区内，温度最高，污染物的浓度也最高。然而无论在下部还是上部区域，温度和污染物的浓度梯度均很低，整个区均匀平和。在单向流动区和紊流混合区之间有一个过度区，此区的高度虽然很小，然而温度和污染物的浓度梯度却很大，空气的主要温升过程在此区内实现，被成为温跃层。温度和污染物的浓度分布如图3所示。

（2）室内空气的流动速度低，速度场平稳，呈层流或低紊流状态。由于以微风速送风，送风区内无大的室内空气流动，在微弱的压差作用下，新风慢慢弥漫房间的底部区域，吸收余热，再以自然对流的方式向上慢慢升起。

（3）污染物在人停留区不横向扩散。由于室内无大的空气流动，污染源不会横向扩散，而被上升的气流直接携带到上部的非人活动区。

4）相对于混合通风，置换通风的节能体现如下：送风温差小，送风（4）相对于混合通风，置换通风的节能体现如下：送风温差小，送风温度高，处理新风所需的能耗降低约20%；送风温度高，过渡季节免费取冷时段增加约50%，带来全年供冷能耗降低约10%；由于送风温度高，冷水机组的蒸发温度提高，冷水机组的能耗降低约3%；由于仅需考虑人员停留区负荷，上部区域负荷可不必考虑，设计计算负荷可减少10～40%。综上所述，置换通风所需的能耗比混合通风减少约20%～30%「6」。

图3 置换通风的速度,浓度分布图

正是由于以上置换通风的高效和合理性使得它在剧场、体育馆和办公等大空间场所得到了广泛的应用。它的合理性体现在两个方面：一是原理的合理性，置换通风系统很好的利用了气体热轻冷重的自然特性和污染物自身的浮升特性，通过自然对流达到空气调节的目的。二是它结果的合理性，置换通风系统空气分层的特点，将余热和污染物锁定于人的头顶之上，使得人的停留区保持了良好的空气品质。

3、个体化微环境控制

个体化微环境控制是一种只对局部微环境进行空气调节，从而为每个提供满意的空气品质和舒适性的空调方式。个体化控制的微环境特点：其一，新鲜空气可以直接送到人的呼吸区，减少了与室内空气的混合，使人体吸入的空气尽可能地不受周围环境的污染，以保证较高的空气品质；其二，通过局部的冷却或加热，能够达到每个人满意的热感觉条件。其三，个体化通风的独立调节手段可以减小个体差异对舒适性的影响，同时产生的心理作用也有助于从感知上提高空气品质。提供个体化控制之后，室内人员的抱怨减少而对局部环境的满意度提高。

个体化调节的实现,大多采用工位/背景调节（TAC）系统,主要为地板式和桌面式系统。目前研究的较多的是桌面系统,这种方式能够较好的保证所提供的空气品质,其系统形式可分为：水平桌面格栅、垂直桌面格栅、个人环境单元和可移动式送风口。可移动式送风口如图4所示，通过机械臂使送风口位置可以移动，能够较好地将风送至人的呼吸区，而且不影响人的正常工作，是目前比较好的一种个体化送风方式。

图4 可移动式送风口

4、 讨论

尽管置换通风和混合式通风相比，其工作方式实现了从全空间到只在工作区空间空调方式的转变，使得空气品质得到了显著改善，空调能耗得到了降低。但是置换通风有其局限性而且不能同时为每个人提供高的热感觉和空气品质。因此，如若将置换通风和个体化微环境控制相结合使用，将是一种理想的空调方式之一。在剧场、体育馆或办公室等大空间有固定人员位置的建筑物中，若在人员处采用个体局部通风调节，将新风直接送到人的呼吸区，尽可能的减少与周围空气的混合，可以更有效的提高新风的利用率，改善室内的空气品质，因此可以适当的减少新风量，处理新风所需要的能耗会减少。而在人员不常去的公共部分，如走廊、会客厅、大厅等公共场所，可以采用置换通风的方式，这样室内的背景环境温度可以适当提高，从而大大减少冷负荷。当室内设定温度从24℃提高到30℃时，总的冷负荷最大能够降低35%-50%「7」，从而使系统的初投资和运行费用都能够得到大幅度降低。同时个体化调节能够改善人体的热感觉和感知的空气品质，同时满足个体差异的要求，减少不满意率，因此能够提高工作效率，这为办公和商用建筑采用个体化调节方式提供了很好的经济动力。

但是个体化微环境调节目前是一个比较新的研究领域，因此，个体化控制和置换通风的联合应用还有很多问题需要仔细的实验研究，如空间背景温度与局部微环境的温差、满足人体热感觉的前提下，背景温度的可接受范围、人体呼吸区吸入低温空气对人体总体热感觉的影响以及个体调节的调节手段的可实现性和易用性等等。