关于空调系统下送风方式的探讨

随着生产和生活水平的不断提高，空调系统在建筑物中被大量使用。而提高室内空气品质、降低建筑能耗，以及进行大空间局部热湿环境的控制，也逐步成为当今空调发展的重要方向。传统的中央空调系统为：风机盘管加新风机组空调系统，集中式定风量空调系统，以及变风量空调系统。这些系统通常采用顶棚送风（上送风）的空调方式，它强调送风气流与室内空气的充分混合，由吊顶送出的空气吸收室内产生的全部余热、余湿并稀释污染物，这样虽然使室内的温湿度在空间上基本分布均匀，但顶板送风的室内空气品质较差，能耗较高，在一些大空间使用上也受到限制。下送风(地面送风)的气流则由地面或侧墙下部位置处送出，在向上流动过程中仅吸收扩散在工作区的热（湿）量，经混合后再通过空调气流，将工作区发生的热（湿）量在上部混合后排出房间，室内空气品质好，能耗是传统空调系统能耗的34％[1]；并且地板送风系统仅需处理整个空调房间显热得热的64％[2]。因此，空调下送风系统作为一种较好的空调节能方式得到迅速的发展。

从目前的应用情况及送风速度的不同，空调的下送风系统可分为：地板送风系统和置换通风系统。

地板送风系统

地板送风系统从功能上来讲，与传统的混合通风更具相似性，都是以温度控制为其主要功能。它属于传统的全空气空调系统。

地板送风系统与空调机组的连接方式有管道连接和无管道连接两种形式[3]；有管连接即空调机组与地板送风口之间用风管连接；无管道连接方式即架空地板送风系统[4]，架空地板就是在楼板上再设置一层地板，以此来提供一个可开启的静压箱，当架空地板高于地面20cm时，地板下的静压箱就可以被用来送风。如图1所示。

       
方式1 有管道连接 　                           方式2 无管道连接

图1 地板送风单元的连接方式

1.1 地板送风的基本原理

地板送风的送风口一般与地板面平齐设置。当空气从地板面向上以一定的速度送出，在向上流动过程中，经过人员活动区，与这一区域的空气迅速大量掺混进行热交换并调节工作区温度，后从房间上部（顶棚或者工作区之上）的出风口排出，就形成了地板送风。地板送风最适合应用于发热量较大的办公楼，因为现代化办公楼大多配有许多通讯设备，有许多电缆和网络布线，架空地板可很好地解决这些电缆和布线在空间布置上的矛盾。除此之外，对于车间粉尘散发量不大，发热量较大，对相对湿度要求较高的工业厂房(纺织厂络筒车间、织机车间、气流纺车间等)，具有显著的节能效果和改善室内空气品质的作用。

1.2 地板送风的优点

地板送风虽然是全空气空调系统形式之一，但应用于大空间建筑时，与传统的全空气系统比较，具有诸多优点[5]：

1）地板送风在空调房间内形成的热力分层,可以减少工作区的空调耗冷量，

2）风口出风速度很小，输送能耗低，

3）送风直接与工作区空气掺混，只负责工作区负荷，通风效率高，空气品质好，舒适性高。

4）架空地板送风系统风口布置灵活、自由。

1.3 实际应用中存在的问题

1）地板送风系统降低5％～10％的楼层高度[6]；

2）距地板散流器0.8m的区域内会产生不适的吹风感[7]；

3）由于风口均设置在地面, 人员进出极易将灰尘带入室内, 沉积在风口凹陷处,如出风口速度再大于2m/s时[7],就加剧了扬尘问题的发生，无法保证较高的空气品质。

4）对于架空地板送风系统还有可能存在：a、气流短路的问题。由于地板盖板本身的质量问题或施工、管理不当, 将会造成地板缝隙连接处密封不严, 使得被处理过的冷空气在到达要冷却的设备以前就发生渗漏。当渗漏量较大时, 由此造成的气流短路将会使室内平面温差变大, 严重时会使房间内机器设备工作状况恶化。b、结露问题。若送风温度及相对湿度控制不当, 那么在送风温度过低或相对湿度过高的情况下, 会导致地板下的机线和楼板结露, 容易引起设备损坏和机线短路。同时, 若地板下的机线和地面结露, 长期下来容易产生腐蚀, 出现发霉现象, 导致室内空气品质下降。

1.4 气流组织特点

地板送风条件下, 室内高度方向上会出现3个明显不同的区域[8]，如图2所示。

1）低混合区：该区直接贴近地板, 区域高度由送风口的垂直射流情况而定。由于该区域引入较高流速（0.2m/s-2m/s）的空气, 气流混合较为均匀, 且能够提高地板附近空气温度，因此在相同送风温度和送风量条件下，可以减少温度过低给人造成的不舒适感。

2）中区（过渡区）：该区域是过渡区，只有当送风口的射流高度低于分层高度或房间上部区域边界时，该区域才会出现。这个区域的气流流动完全是浮动性的，它受房间内对流性热源周围的热羽所驱动。在此区域，热羽自由发展，空气运动不受送风射流的影响。区域中的垂直温度梯度趋于最大，接近置换通风的温度梯度。

3）高混合区：高（混合）区是由房间内上升的热污空气积聚而成。虽然该区域内平均风速较低，但由于穿过其下层边界的热羽动量的影响，使区域内空气亦能混合得较好。该区域内，空气温度和污染物浓度与中低区比均较高。

置换通风是地板送风出口风速减低到一定限度的产物，可以说是地板送风的极限状态。当出口风速降到０．２ｍ／ｓ左右，送风气流已基本没有什么动能，只能利用冷空气的自身重力向四周缓慢平铺，形成“空气湖”；这种送风状态便是置换通风。因此，置换通风是以通风换气为主要功能，它的温度调节其实是通过低温物体的自我调节实现的。其实置换通风更应属于一种通风系统形式。在欧洲，置换通风系统是作为一种最有效最节能的新风系统来应用的，仅承担极小的室内负荷（最大冷负荷< 120 W/m2），温度的调节主要通过与之配合使用的设备，如冷吊顶、冷梁或加热器等。目前我国也有置换通风与其他空调送风系统相配合使用的实例，如上海大剧院[9]。在建筑内区，其冷负荷全年基本不变，且峰值负荷相对较小，置换通风也大有用武之地。 

图2 地板送风气流模型

2.1 置换通风的基本原理

置换送风空调系统的气流从位于侧墙下部以很低的送风速度（一般小于0.2m/s）送入室内,因为送风动量小, 浮力作用主导气流组织,在浮力作用下气流上升至工作区， 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。如图3所示。

2.2气流组织特点

1) 室内温度场和浓度场呈层状分布。根据羽流理论[10]，室内垂直方向上存在一个分界面，将室内分为上下两个区域，下部区域为单向流动区，存在明显的垂直温度梯度和污染物浓度梯度，室内污浊空气不断被送入的新鲜空气所置换，此区域内空气品质比较高；上部区域由于上升气流量大于排风量，气流在房顶周围聚集掺混，形成类似混合流的气流流型，温度场和浓度场比较均匀，且温度和污染物浓度明显高于下部，此区域的空气状态与地板送风条件下的高混合区相同。

2) 室内空气流速低，速度场平稳，呈层流或低紊流状态。由于送风速度很低，送风区内无明显的空气流动，在微弱压差作用下，新风缓慢扩散到房间的下部区域，吸收余热余湿后，温湿度升高，再以自然对流的形式向上缓慢升起，进入房间上部区域。

3) 污染物在工作区不发生横向扩散，而被上升气流直接携带至非工作区，而后由排风口排出。

图3 置换通风

2.3 置换通风的优点

置换通风的优点主要体现在能显著改善室内空气品质和具有较大的节能潜力上。置换通风采用100%新风，且由于其出口风速很低，类似层流的活塞流的新风不断“置换”污气，工作区内一直保持分层，污浊空气直接从排风口排出，保证了人员呼吸区空气100%的新鲜度。

当然，置换通风之所以受到人们的重视，最直接的原因就是其与地板送风所共有的较大的节能潜力，由于下送风条件下仅考虑室内工作区的热湿负荷，无需顾及房间上部的环境，这就相当于提高了室内空气的平均温度，使室内负荷减小，从而实现节能。同时，由于置换送风较地板送风，所承担的室内负荷极少，风量减少，送风口风速低，因此，系统阻力较小，可节约更多的空气输送动力。

2.4 存在的问题

置换通风在设计管理中仍存在许多问题，这在一定程度上限制了它的广泛应用，这些问题集中在以下几个方面：

1）就置换通风本身来说，无法有效地解决供热问题，设计师需要另设供热系统以满足供热需要。即使在供冷季节，当冷负荷较大时（＞40w/m2），设计中也要考虑足部吹风感引起的人员不舒适问题。湿度控制也是置换通风应用中较难解决的问题之一，在湿度较大的地区应用置换通风时，则要求建筑围护结构的密封性要好，避免室外湿气进入室内。当建筑内部湿负荷较大时，是不适合采用置换通风系统的（如游泳馆等）。

2）置换通风仅能将其作为通风换气方式，送风温差不易确定，在房间负荷一定的情况下，送风温度高，意味着送风温差小，送风量和送风面积均较大，这样不但会增加设备容量和输送动力，还会因在室布置较多的风口而造成施工和日常调节的不便；送风温度低，虽可减少送风量和送风面积，但会造成工作区垂直温度梯度过大，从而影响人体下部的舒适性。因此，要与其他温控系统结合使用才能达到温度调节的功能。其中，辐射冷吊顶与置换通风就是一个非常好的组合。首先，从人体舒适性方面来讲，40%-50%的辐射，30%-40%的对流，10%-20%的蒸发是人体最佳的舒适感[11]。

3）实际应用受房间高度的限制。置换通风是利用空气密度差而在室内形成由下而上的通风气流。房间高度大，排风口容易排出积聚在上部的热浊气流；房间高度小，热力分层现象不明显，受回风的影响排出空气的状态与工作区近似，这样就与上送风空调方式差别不大，发挥不了置换通风的节能效果。房间高度大于3m时更适合应用置换通风。

综上所述，下送风空调系统作为一种新型空调方式，以其能改善室内空气品质和较大的节能潜力应该受到人们的重视。地板送风和置换通风，两者既有许多相似之处，又有一定的区别，两者在应用上并没有明显的界线，因此，只有对二者的送风原理、特点有一个明确的认识和把握，并且结合实际工程进行分析研究，才能正确地对其加以应用。