置換通風(fēng)的應(yīng)用前景及其適用性分析

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摘要：本文分析了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能和舒適性空調(diào)系統(tǒng)的意義，闡述了置換通風(fēng)的概念、基本原理、基本特征。提出了置換通風(fēng)新型末端裝置研究、開發(fā)的技術(shù)思路。對置換通風(fēng)的適用性問題，進(jìn)行了舉例分析。1引言隨著人類文明的進(jìn)步和科技的發(fā)展，人們對自己工作、學(xué)習(xí)、生活環(huán)境的要求越來越高。而一個舒適的環(huán)境對于保證身心健康、提高生活品質(zhì)和勞動效率有著重要意義。為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的室內(nèi)氣候環(huán)境，電制冷空調(diào)系統(tǒng)已被廣泛采用。同時，人們對地球環(huán)境的關(guān)注越來越高，對環(huán)境保護(hù)的呼聲也日趨強(qiáng)烈，要求采用節(jié)能的、健康的、可持續(xù)發(fā)展的策略進(jìn)行空調(diào)設(shè)計(jì)。1.1中國能源現(xiàn)狀和空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能我國提出了長期的經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)，即下世紀(jì)中葉趕上中等發(fā)達(dá)國家水平。社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必將伴隨著巨大的能源消費(fèi)需求。能源是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是公用事業(yè)，更是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高人民生活水平的物質(zhì)基礎(chǔ)。人類社會的進(jìn)步與能源的發(fā)展密切相關(guān)。我國制定的二十一世紀(jì)議程和九五計(jì)劃及2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃中把能源和環(huán)境保護(hù)列為最優(yōu)先的發(fā)展領(lǐng)域。中國是一個擁有12億人口的發(fā)展中國家，是一個以煤炭為主要能源結(jié)構(gòu)的能源生產(chǎn)消費(fèi)大國。目前，煤炭提供76%的發(fā)電能源，到2020年煤電仍高達(dá)60%[1]，煤電的使用導(dǎo)致SO2、NOX、CO2和煙塵大量排放，給環(huán)境保護(hù)造成了巨大壓力。我國大部分地區(qū)的絕大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)直接利用電能供冷，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，相當(dāng)于間接減少了SO2、NOX、CO2和煙塵的排放，對環(huán)保有利。目前世界發(fā)達(dá)國家的民生耗能率高達(dá)總耗能量的1/3左右，其中絕大部分又消費(fèi)在建筑物上，各國為推動建筑節(jié)能的進(jìn)展，相繼制定和頒布了一系列的建筑節(jié)能法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)性文件。我國政府積極倡導(dǎo)和努力實(shí)施節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的政策，頒布了《中華人民共和國節(jié)約能源法》和一系列建筑節(jié)能規(guī)范。建筑物的節(jié)能是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括各種綜合性的技術(shù)，包括建筑物本身和空調(diào)系統(tǒng)、設(shè)備的節(jié)能[2].就空調(diào)系統(tǒng)而言，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能又與建筑節(jié)能有關(guān)，包括建筑物的朝向和平面布置、維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能、窗戶的隔熱和建筑物遮陽等等?？照{(diào)系統(tǒng)的節(jié)能也與運(yùn)行節(jié)能有關(guān)，包括采用降低室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、減少新風(fēng)量的方法，采用天然冷源，過渡季節(jié)取室外新風(fēng)自然冷卻、冷卻塔供冷技術(shù)，采用建筑設(shè)備控制自動化技術(shù)，采用熱回收技術(shù)，例如從排風(fēng)中回收熱量等等。采用新的節(jié)能的空調(diào)方式，選用更節(jié)能的空調(diào)產(chǎn)品，也是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的一項(xiàng)重要、有效的措施。在某些場合，置換通風(fēng)就是一種較好的節(jié)能的空調(diào)方式。1.2高舒適性空調(diào)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)及要求首先必須提出，高舒適性的空調(diào)系統(tǒng)不僅僅與空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)，他還與室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)有關(guān)，包括與室內(nèi)環(huán)境的聲、光、熱等諸多物理的，以及室內(nèi)建筑裝修、建筑材料、空氣品質(zhì)等等的物理化學(xué)因素有關(guān)。本文僅討論空調(diào)系統(tǒng)對舒適性方面的影響問題。隨著空調(diào)建筑的增多、空調(diào)技術(shù)的進(jìn)步，人們對空調(diào)的理解早已不是溫度這一參數(shù)。高舒適性空調(diào)是指空調(diào)系統(tǒng)能提供一個良好的熱舒適性環(huán)境、良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。因此，健康空調(diào)、綠色空調(diào)、未來空調(diào)等說法和概念應(yīng)運(yùn)而生[3].舒適性空調(diào)系統(tǒng)的概念經(jīng)過了以下幾個發(fā)展階段：（1）本世紀(jì)中葉，發(fā)達(dá)國家以完全犧牲不可再生能源維持室內(nèi)環(huán)境；（2）70年代石油危機(jī)后，人們意識到節(jié)能的重要性，發(fā)達(dá)國家采用了較低的室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。但是，由此產(chǎn)生了一系列建筑病綜合癥，人們又開始意識到室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要性，這一課題成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)；（3）90年代至今，出現(xiàn)了許多一味高標(biāo)準(zhǔn)的建筑空調(diào)，特別是一些高檔的智能化辦公大樓，建筑空調(diào)耗能有進(jìn)一步增加的趨勢。2置換通風(fēng)的歷史沿革、概念、原理2.1置換通風(fēng)的發(fā)展歷史置換通風(fēng)起源于北歐，1978年德國柏林的一家鑄造車間首先使用了置換通風(fēng)裝置。現(xiàn)在置換通風(fēng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑、民用建筑和公共建筑，北歐的一些國家50%的工業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)、25%的辦公通風(fēng)系統(tǒng)采用了置換通風(fēng)系統(tǒng)[4].我國的一些工程開始采用了置換通風(fēng)系統(tǒng)，并取得了令人滿意的效果。2.2置換通風(fēng)的基本概念[4]a稀釋通風(fēng)示意圖b置換通風(fēng)示意圖圖1混合通風(fēng)與置換通風(fēng)系統(tǒng)的比較房間置換通風(fēng)原理的基本概念如圖1b所示。在舒適性通風(fēng)中，大多數(shù)污染物質(zhì)是溫暖的，因此污染物質(zhì)在浮升力的作用下而上升。混合通風(fēng)方式下混合空氣和污染物會遍及整個房間（如圖1a）。當(dāng)在地板平面供給低速空氣，在天花平面排走溫暖、污染的空氣，室內(nèi)空間的空氣品質(zhì)會比傳統(tǒng)的混合通風(fēng)方式好。比較這兩種系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)置換通風(fēng)整個空間的污染物濃度較混合通風(fēng)的的濃度低。（我們假設(shè)兩種通風(fēng)方式的空氣流量、污染率、房間尺寸相等。）本文中提到的置換通風(fēng)，能提供良好空氣品質(zhì)（即減少整個空間的污染）。已證明在餐廳、會議室、教室和其他抽煙的房間采用置換通風(fēng)在提高空氣品質(zhì)方面優(yōu)于混合通風(fēng)。2.3置換通風(fēng)的基本特征置換通風(fēng)的基本特征是水平方向會產(chǎn)生熱力分層現(xiàn)象。置換通風(fēng)下送上回的特點(diǎn)決定了空氣在水平方向會分層，并產(chǎn)生溫度梯度。如果在底部送新鮮的冷空氣，那么最熱的空氣層在頂部，最冷的空氣層在底部。置換空氣在水平方向匯入上升氣流，由于送風(fēng)量有限，在某一高度送風(fēng)會產(chǎn)生循環(huán)。我們把產(chǎn)生循環(huán)的分界面高度被稱為“分界高度”。這樣，就形成了兩個區(qū)域的氣流形式，底部區(qū)域是相對清潔的空氣，上部區(qū)域存在更多的污染。所以為了獲得良好的空氣品質(zhì)，通風(fēng)量必須滿足一定要求。以使“分界高度”高于人員活動區(qū)，這樣人們便處于清潔區(qū)。由此可見，置換通風(fēng)不允許我們大量減少空氣流量，也不是任何地方都適用。我們發(fā)現(xiàn)，通常混合和置換通風(fēng)系統(tǒng)要求相同的空氣流量。不同的是，在同樣的空氣流量下置換通風(fēng)通常提供更好的空氣品質(zhì)。下列情形更適合采用置換通風(fēng)：——污染物質(zhì)比環(huán)境空氣溫度高或密度小；——供給空氣比環(huán)境空氣溫度低；——層高大的房間，例如房間層高大于3米。浮升力作為驅(qū)動力的置換通風(fēng)在下列情形效率較低：——天花板的高度低于2.3米；——房間空氣擾動（湍流）強(qiáng)烈；——污染物比環(huán)境空氣冷/密度大。3置換通風(fēng)的應(yīng)用前景分析置換通風(fēng)的應(yīng)用是隨著置換通風(fēng)的概念被廣泛接受和置換通風(fēng)末端產(chǎn)品的大量開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用而推廣開來的。筆者認(rèn)為置換通風(fēng)在我國的廣泛應(yīng)用與以下兩個方面有很大關(guān)系，一是與置換通風(fēng)末端產(chǎn)品的發(fā)展和新產(chǎn)品的開發(fā)有關(guān)，二是與人們對它的深入了解，特別是設(shè)計(jì)人員和業(yè)主的深入了解有關(guān)。3.1置換通風(fēng)末端產(chǎn)品的發(fā)展歷史最初的置換通風(fēng)末端裝置僅考慮讓新鮮空氣平穩(wěn)、均勻的送入室內(nèi)，送風(fēng)速度低、溫差小，故送風(fēng)末端體積較大，相應(yīng)的末端裝置有圓柱型、半圓柱型、1/4圓柱型、扁平型及平壁型等幾種。末端裝置一般落地安裝。隨著空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)新的建筑特點(diǎn)和功能開發(fā)了地板送風(fēng)、座椅下送風(fēng)的末端裝置。其后開發(fā)了結(jié)合置換通風(fēng)和冷卻吊頂?shù)哪┒怂惋L(fēng)裝置，并得到應(yīng)用[5].“置換通風(fēng)末端裝置+冷卻吊頂”形式解決了腳冷頭暖的不舒適感覺，置換通風(fēng)末端用來保證衛(wèi)生要求的通風(fēng)量和消除濕負(fù)荷，冷卻吊頂可以消除垂直溫度梯度對人的不適感覺，冷卻吊頂?shù)膽?yīng)用相對傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)有特殊意義，就是其采用了輻射換熱技術(shù)，傳統(tǒng)的混合通風(fēng)，是以采用對流為主的傳熱方式，而冷卻頂板輻射換熱的比例大大提高，3.2我國置換通風(fēng)末端產(chǎn)品的現(xiàn)狀置換通風(fēng)的應(yīng)用與發(fā)展是與置換通風(fēng)末端裝置的發(fā)展緊密相聯(lián)系的。置換通風(fēng)目前在我國運(yùn)用還不十分廣泛，究其原因，筆者認(rèn)為國內(nèi)生產(chǎn)置換通風(fēng)末端的廠家少，產(chǎn)品單一，研發(fā)能力不強(qiáng)是一重要原因。設(shè)計(jì)置換通風(fēng)的工程可選擇的設(shè)備少，妨礙了置換通風(fēng)的廣泛使用。目前全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程加快，中國即將加入世界貿(mào)易組織，關(guān)稅下降，國內(nèi)市場進(jìn)一步開放，國外的末端產(chǎn)品逐漸進(jìn)入中國市場，國內(nèi)的研究開發(fā)也在進(jìn)一步加強(qiáng)，這就使得置換通風(fēng)有更廣闊的發(fā)展空間。3.3新一代置換通風(fēng)末端裝置的研究新一代末端裝置要考慮的技術(shù)思路和問題是解決如下幾個問題（1）在人員活動區(qū)域減少和消除熱力分層對人的影響；（2）減少空氣輸送量以降低空調(diào)機(jī)組，風(fēng)管、風(fēng)口的初投資，節(jié)省通風(fēng)管道占用的建筑面積，減少空氣輸送量以減少輸運(yùn)動力，從而減少風(fēng)機(jī)耗能。因此，末端裝置的設(shè)計(jì)思路圍繞解決以上問題而展開。為解決置換通風(fēng)送風(fēng)量大，送風(fēng)溫差小的問題，可借鑒誘導(dǎo)通風(fēng)的原理[6]，考慮提高一次風(fēng)送風(fēng)溫差，在送至室內(nèi)之前，或在人員活動區(qū)將一次風(fēng)與室內(nèi)空氣混合，以提高送風(fēng)溫度。采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)，使得室內(nèi)空氣在人員活動區(qū)迅速分布均勻，減少溫度梯度。4置換通風(fēng)的適用性分析4.1適用的冷源置換通風(fēng)要求采用中央冷水機(jī)組提供集中冷源，采用空氣處理設(shè)備集中處理空氣，采用水泵、水管輸送冷水。是否采用置換通風(fēng)的空調(diào)方式，首先要考慮選用何種冷源。傳統(tǒng)的混合通風(fēng)可以采用中央冷水機(jī)組也可以采用其他形式的冷源，比如分體式空調(diào)，VRV系統(tǒng)、單元式空調(diào)機(jī)組、直接蒸發(fā)式制冷機(jī)等等。選用何種主機(jī)與初投資和運(yùn)行費(fèi)用的多少有直接關(guān)系。對于小型空調(diào)系統(tǒng)，直接蒸發(fā)制冷設(shè)備總是比冷水機(jī)組便宜，但是中大型工程這方面的費(fèi)用比較接近。運(yùn)行費(fèi)用通常與空氣處理方法有關(guān)，當(dāng)然還與采用何種主機(jī)及其運(yùn)行有關(guān)。置換通風(fēng)適用于采用冷水機(jī)組提供冷源的空調(diào)方式，若是用其他冷源形式一般不考慮采用置換通風(fēng)。置換通風(fēng)要求的送風(fēng)溫度較高，冷水機(jī)組可以利用三通控制閥提供可變的換熱盤管溫度，因此采用這種設(shè)備穩(wěn)定性好。相反，直接蒸發(fā)制冷設(shè)備，具有固定的換熱盤管溫度，就算是采用多個壓縮機(jī)，盤管溫度也只能分檔調(diào)節(jié)。置換通風(fēng)要求采用冷水機(jī)組，因此從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，置換通風(fēng)不適用于小型的空調(diào)系統(tǒng)。對于大中型系統(tǒng)，當(dāng)初投資對業(yè)主來說是非常重要的考慮因素時，也應(yīng)認(rèn)真考慮。4.2置換通風(fēng)適用性舉例下面的例子方便我們了解何種情況下采用或不采用置換通風(fēng)。例1：頂部布置燈光的高大空間（通常6m以上）電視演播廳[7]此例要求在人員活動區(qū)，即2m以內(nèi)保持舒適性空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，送風(fēng)方式可采用下送風(fēng)的置換通風(fēng)形式，也可采用上送風(fēng)的混合通風(fēng)形式。該例很利于采用置換通風(fēng)的空調(diào)方式：（1）房間足夠高（大于2.5m），容易產(chǎn)生置換效果；（2）2m以上的溫度梯度不太重要，只需保證2m以內(nèi)人員活動區(qū)維持較低的溫度梯度；（3）從頂部排風(fēng)，可以減少冷負(fù)荷；（4）噪音很容易控制。電視演播室采用置換通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)是相當(dāng)大的。燈光負(fù)荷不會擴(kuò)散至人員活動區(qū)，散熱甚至可直接由排風(fēng)帶走。演播室在全年許多時間可以通過換熱器或其他熱回收裝置利用室外空氣“免費(fèi)供冷”，特別對于干、濕球溫度僅在夏季增加的地區(qū)更有利。這樣，置換通風(fēng)的制冷主機(jī)裝機(jī)容量就比混合通風(fēng)的制冷主機(jī)裝機(jī)容量小。這種情形采用混合通風(fēng)的劣勢表現(xiàn)在：（1）需要更大的冷卻能力和主機(jī)，相應(yīng)地要增加運(yùn)行費(fèi)用；（2）送風(fēng)和噪音控制更難預(yù)料，因?yàn)椋瑸槭癸L(fēng)能送至人員活動區(qū)和克服垂直高度的影響，出風(fēng)口送風(fēng)速度較大。送風(fēng)口速度較大會產(chǎn)生噪聲，有些情況下，由于出口速度太大，噪聲水平很難削弱。例2：2.3米層高的小房間此例房間的高度不足以產(chǎn)生置換效果，采用置換通風(fēng)沒有優(yōu)勢。由于置換通風(fēng)送風(fēng)溫度高，這就需要比混合通風(fēng)更大的送風(fēng)量。另外，天花高度有限，下部送風(fēng)氣流很可能形成與混合通風(fēng)相同的氣流組織。例3：3m層高，負(fù)荷隨季節(jié)變化的中等尺寸房間該例中裝機(jī)容量和送風(fēng)量與混合通風(fēng)大致相同，但是置換通風(fēng)需要冷水機(jī)組提供冷源。如果混合通風(fēng)同樣采用冷水機(jī)組，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮兩者投資大致相同，但置換通風(fēng)提供更好的空氣品質(zhì)。例4：人員密度高，座位固定的大型劇院此例建筑空間足夠高，可以產(chǎn)生置換效果，還可以直接排除頂部的部分燈光、設(shè)備熱源。但需注意，只有把座位部分的溫度梯度控制在一定范圍，才能保證人員區(qū)域的舒適性。此例像高大的電視演播廳一樣，采用置換通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。置換通風(fēng)提供座位人員舒適環(huán)境，但是對于高人員密度的劇院，置換通風(fēng)提供的冷量可能不夠，需要增加相應(yīng)的混合通風(fēng)空調(diào)方式。目前，國內(nèi)的上海大劇院就同時采用了座椅下送風(fēng)的置換通風(fēng)和樓層局部誘導(dǎo)送風(fēng)和包廂的局部上送風(fēng)的送風(fēng)體系[8].上述簡化的例子，可以幫助設(shè)計(jì)人員和業(yè)主了解到何種情況下適用于置換通風(fēng)或不適用。設(shè)計(jì)置換通風(fēng)還是混合通風(fēng)，應(yīng)該從經(jīng)濟(jì)性、舒適性、節(jié)約能源等方面詳細(xì)分析，綜合考慮。5結(jié)論本文分析了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能和舒適性空調(diào)系統(tǒng)的意義，提出了舒適性空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該是節(jié)能、環(huán)保、健康的空調(diào)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，闡述了置換通風(fēng)的概念、基本原理、基本特征。提出了置換通風(fēng)新型末端裝置研究、開發(fā)的技術(shù)思路。對置換通風(fēng)的適用性問題，進(jìn)行了舉例分析。通過分析，我們得到如下結(jié)論：（1）置換通風(fēng)是一種高舒適性的空調(diào)系統(tǒng)。由于送風(fēng)速度低，紊流度低，不產(chǎn)生吹風(fēng)感，因此舒適性很高；新鮮空氣先經(jīng)過人員活動區(qū)，污染物隨熱氣流上升后排出，所以能提供良好的空氣品質(zhì)。（2）置換通風(fēng)是一種節(jié)能的空調(diào)方式。只需在工作區(qū)保證設(shè)計(jì)參數(shù)，送風(fēng)溫度高，相對混合通風(fēng)，可以減少冷負(fù)荷，特別對于高大空間建筑物，此特點(diǎn)更明顯；可以方便的利用低品位能源、利用自然通風(fēng)供冷。（3）熱力分層的產(chǎn)生，存在垂直方向的溫度梯度，需要在人員活動區(qū)控制溫度梯度，一般應(yīng)保持在3℃以內(nèi)，溫差太大則降低了舒適性；同時要保證一定的送風(fēng)量，使熱力分層“分界高度”大于人員活動區(qū)，保證人員處于清潔區(qū)。（4）置換通風(fēng)送風(fēng)溫度不能太低的限制，使得送風(fēng)量增大，輸運(yùn)空氣管路增大，輸運(yùn)動力增加，不利于經(jīng)濟(jì)性?？梢蚤_發(fā)新型末端裝置來解決此問題。新型末端裝置可以借鑒誘導(dǎo)通風(fēng)的原理，提高一次風(fēng)送風(fēng)溫差，在送至室內(nèi)之前，或在人員活動區(qū)將一次風(fēng)與室內(nèi)空氣混合，提高送風(fēng)溫度；可以采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)，使得室內(nèi)空氣在人員活動區(qū)迅速分布均勻，減少溫度梯度。（5）置換通風(fēng)的冷源一般考慮中央冷水機(jī)組。（6）從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，置換通風(fēng)更適用于大中型空調(diào)系統(tǒng)。（7）在層高大于3米時，置換通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)更明顯。置換通風(fēng)不適用于層高小于2.5米的房間。置換通風(fēng)在舒適性、良好的空氣品質(zhì)和節(jié)能效果等方面有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性，隨著人們對置換通風(fēng)研究的深入，空調(diào)設(shè)計(jì)人員、業(yè)主對其的進(jìn)一步了解，末端裝置和新產(chǎn)品的不斷改進(jìn)、開發(fā)、應(yīng)用，其應(yīng)用價值將得到充分體現(xiàn)。