办公、家庭用置换通风空调器原理与设计

置换通风以房间内热源(人员、设备等)产生的热浮升力为动力而使室内空气热力分层的通风方式，原理如图1所示。新鲜冷空气直接以低速(送风速度约为0.25m/s左右)缓缓流入下部工作区域，送风的动量很低，以致于对室内主导气流无任何实际的影响，冷空气因密度大于周围的空气密度而沿着地板向四周蔓延，从而弥漫整个房间底部形成空气湖。室内空气湖在热源自由热对流(或称热羽流)的作用下，而被卷吸至上区，同时在上部排出热污染空气，以实现置换式通风。当热源也是污染源时，对流气流可以将污染物卷吸至上部空间区域，使得空调房间的污染区域上移，保证了工作区的空气清新洁净。

图1 置换通风原理图

(1) 置换通风具有明显的热力分层现象，在上下区内具有以下特点：在下部人员停留的工作区内垂直高度方向，空气温度分布为垂直递增，在水平方向近乎为等温。由于流体抗剪应力能力较差，所以水平面上温差变化不大；在垂直方向不同的温度层之间主要以分子热运动和导热进行热量交换，只有在热源附近由于热源的热射流作用，层与层之间进行对流换热，一部分冷空气被热射流卷吸至分层高度以上。因此，下部空气区内向上浮升的气流呈单向流动，犹如汽缸内活塞运动一样，从而提供了很好的室内空气品质。在上部区存在气流回返混合,气流呈紊流混合状态，该区域内空气温度高、污浊气体浓度大，温度和密度较均匀，空气品质较差。但由于污染区在工作区的上部，所以，置换通风具有明显改善室内的空气品质的作用。

(2) 置换通风与混合通风相比，换气效率高、通风效率好^[1]。

(3) 置换通风承担工作区负荷和部分上区的负荷，具有明显的节能效果^[2][3]。

(4) 通过送风量控制上下区的分层高度。

在实验及分析研究中发现置换通风也存在某些局限性，如：

(1)当垂直温差较大时，会产生吹风感或上热下冷不舒适的感觉；所以送风温差应控制在1～3℃的范围内。

(2)由于人体的下肢体有较强的冷敏感区域，当冷气流在下部流动时，会产生不舒适性，所以送风温度不能太低；

(3) 空气湖的流速不宜太大，应避免使人产生吹风感，因此风口送风面积会较大，从而在一定程度上限制了消除室内余热的单位负荷能力；

(4) 由于送回风压差较小，混合式的测风速法不易实现等。

根据上述分析可见，置换通风一般适用于以下场合^[4]：

(1) 必须使污染物与热源相结合或污染物重率小；

(2) 工作区的冷负荷占总负荷的一部分；

(3) 房间高度必须>2.4m；

(4) 房间的冷负荷一般不超过120W/m²。

在办公室和家居环境中，污染源主要是以人员和家用电器为主的热污染；对于新装修的房间内还存在重率较小有害挥发物，这些挥发物与热源结合被卷吸至人员活动区以上的区域。因此办公室和家居室能够满足置换通风的使用条件。

实现置换式通风空调的关键是置换式通风用空调器，与普通的家用空调器相比，在结构上有明显的区别。置换通风空调器主要由两部分组成：室外机和室内机，室外机主要由制冷设备的压缩机、冷凝器和风机组成；室内机主要由制冷设备的节流阀、蒸发器和通风设备的(上侧)回风格栅、双向风机、(下侧)送风格栅、室外风及风阀等组成。根据置换通风口的安装方便性和对空间的利用程度可分为落地式置换通风空调器和壁挂式置换通风空调器，其工作原理如下。

落地式置换通风空调器主要形式以柜式为主，其工作原理：在夏季时，回风从上侧回风口进入，经风机加压，再经表冷器减湿降温后由送风格栅均匀低速送入室内，在室内冷空气因密度大，而沿地板向四周蔓延，并弥漫整个房间底部，形成空气湖，在室内热源热羽流作用下，将部分冷的空气卷吸至上区，在上部排出部分热污染空气，在分层高度处回风口吸入回风完成循环，从而实现置换式通风；在冬季，回风则从下侧的风口进入，风机反转，送风从上侧风口以射流的形式将热空气送入室内。

壁挂式置换通风空调器主要是为了节省地面空间而将室内机悬挂于墙壁上。如此一来，相当于将置换通风风口的位置提高，原理如图2所示。在送风时，必然将人员活动区的上部污浊空气带入下区，而削弱了置换通风的效果，关于风口上置置换通风的研究在文献[5]中较为详细的进行了论述，并对风口提出了基本要求。满足这一要求实现的方法很多，对于大空间置换通风一般采取选用射流合理的风口，而在办公、居室等小空间空调中，建议^[5]采用与室内装修结合、充分利用夹壁空间，如柜橱的背面与墙壁间隙、挂毯与墙壁面间隙等，实现送风空气与上区污浊空气隔离。根据以上分析，本文提出以下几种壁挂式置换通风空调器形式：室内机+挂毯装饰、室内机+柜厨与壁面、室内机安装位置在分层高度处、室内机做成落地装饰物墙角布置、室内机+特别制作的夹壁空间等。

图2 壁挂置换通风原理图

相对于其他场合空调方式，办公和家用置换通风空调在设计上也不尽相同。为了获得较好的空调效果，必须进行合理的计算和设计。

在国内设计规范资料^[6]中对置换式通风的热舒适标准做了相应规定，见表1中GB栏。在国际上各国针对置换通风的特点，在满足热舒适性的设计标准要求上，各国或协会组织做了相应的且各自有所不同的设计标准或指标^[6][7]，参见表1。

办公、居室的置换式通风的热舒适标准一般采用GB 50019 (2003)或ISO 7730的标准。分层高度一般根据人员停滞区内较长时间的身体姿势，可分为两种：坐姿时取1.1m，站姿时1.8m。相应工作区的温度梯度一般要求≤3℃/m。

在办公室、家居环境中，置换通风空调设计工作主要有分层高度、送风温度、热舒适参数的确定，分层高度的控制方法，空调器送风量和风口尺寸(送风面积)确定等几个部分。

3.2.1 分层高度、送风参数等的确定

分层高度是置换式通风空调房间的被控制参数，一般在设计前，根据人员较长时间停留区域内的身体姿势确定，比如办公室、家居室内的客厅，人员主要以坐姿为主，分层高度可以取1.1m；而在公共场所的会客厅多以站姿为主，可以取1.8m。值得注意的是室内上下区的分层并不明显，两者之间存在一个过渡区，在此区内温度梯度较大、厚度一般为0.25～0.5ｍ^[8]。

热舒适参数的确定。在置换通风房间中，室内空气具有明显的热力分层现象，一般根据热舒适标准需要确定以下几个室内控制参数：

(2) 地面0.1m处的最低送风温度t_{0.1 min}≥19.0℃(冬季)，t_{0.1 min}≥21.0℃(夏季)；

(3) 工作区最大空气流速V_{0.1～1.1(1.8)max}£0.15m/s(冬季)，V_{0.1～1.1（1.8）max}£0.25m/s(夏季)。

表1 各国及协会组织的置换通风设计标准

适用指标国别或协会组织		DIN1946/2 (1994)	SIA V382/1 (1992)	CIBSE (1990)	ISO 7730 (1990)	ASHRA E 5529	GB 50019 (2003)
各项指标值	t0.1~1.1=t1.1-t0.1	£2℃	£2℃	£3℃	£3℃	——	——
	t0.1~1.8=t1.8-t0.1	——	——	——	——	£3℃	£3℃
	0.1m处最低送风温度 t0.1min	21℃	冬季：19℃ 夏季：22℃	冬季：20℃ 夏季：22℃	19～26℃	18～29℃	——
	工作区空气流速或 通风器出风速度	0.15～0.18 m/s	——	——	冬季：£0.15m/s 夏季：£0.25m/s	——	工业：£0.15m/s 民用：£0.20m/s

注：DIN—德国工业标准；SIA—瑞士工程师和建筑师协会；CIBSE—建筑设备工程师研究院； ISO—国际标准化组织；ASHRAE—美国供暖制冷空调工程师学会；GB—中华人民共和国国家标准。

3.2.2 分层高度的控制方法

在置换通风空调房间中，一般是利用在分层高度上热源卷吸风量与送风量之间大小关系来控制房间内空气上、下区的分层高度。如在某一分层高度上，送风量大于热源卷吸风量，分层高度将向上移动，直至在另一分层高度处送风量与热源卷吸风量相等。

3.2.3 空调器送风量的确定

在置换通风房间中，除了保证人员活动区的空气品质外还需要考虑热舒适性的要求。所以，置换通风的风量计算一般需要考虑两个方面：室内空气品质要求和室内热舒适性要求。风量确定时，先用室内空气品质控制的方法计算分层高度处热源卷吸风量，然后再满足热舒适性要求的方法计算消除室内余热所需风量，最后比较两者，取风量较大者作为置换通风送风量^[9]。

① 控制室内空气品质计算风量的原理：直接用经验公式计算各个热源对流流动引起的卷吸风量q_v,z，然后求和即得出置换通风房间内总的送风量q_s1。计算时，可以根据热源的具体外形在表2中选择相应的公式。

表2 热源卷吸量计算公式表

热源分类	参数及公式
点、线和 园面热源	参数	点热源	线热源
	热射流轴线速度vz(m/s)	vz=0.128Φ1/3z-1/3	vz=0.067Φ1/3
	热射流轴线剩余温度Δθz[K]	Δθz=0.329Φ2/3z-5/3	Δθz=0.094Φ2/3z-1
	热源卷吸风量qv,z(L/s点热源，L/sm线热源)	qv,z=5.0Φ1/3z5/3	qv,z=13.0Φ1/3z
竖直面 热源	参数	层流区	紊流区
	断面最大速度vz(m/s)	vz=0.1·	vz=0.1·
	边界层厚度δ[m]	δ＝0.05∙Δθ－0.25∙z0.25	δ＝0.11∙Δθ－0.1∙z0.7
	热源卷吸量qv,z(L/sm 宽度)	qv,z＝2.87∙Δθ0.25∙z0.75	qv,z＝2.75∙Δθ0.4∙z1.2

表中Φ热源对流热流量[单位：W 或W/m]，用下式计算Φ值：Φ＝ k´Φ_tot

式中:Φ_tot-- 热源总的能量消耗量 ，W； k--热源对流换热量系数，热源为园管或方管时 k～0.9，小型发热元件时k=0.4～0.6，大型机械或元件k=0.3～0.5； z对于点热源是距离热源的高度(m)。对由大面积热源，z的计算如图3所示,z包含虚拟热原点距离z₀,文献[9]给出射流扩散角α＝25^o，假设热源面的直径或近似圆形的当量直径为D，则最大值z_{0 max}=2.3D，最小值z_{0 min}=1.8D；Δθ--是热源表面温度与周围空气的温度差，℃。--=0.7

图3 点热源及面热源的虚拟点

② 考虑热舒适性的要求计算送风量。根据风量平衡，送风口送入的风量最后由排风口和回风口流出空调房间，同时消除室内余热。满足热舒适要求需要风量的表达式为:

Q_s2=Q₀/[ρc_p(t_e－t_s)]  (1)

式中 q_s2空调送风量，m³/h；Q₀ 空调房间对流换热量，W；ρ、c_p分别空气密度和比热，0.335Wh/Km³；t_e、t_s排风温度和送风温度(按设计标准查取送风温度)，℃。利用这种方法计算所需要的送风量时，一般采用试算的方法。式(1)中Q₀可以采用混合通风计算方法计算出来的冷负荷。假定消除室内冷负荷的风量q_s2为q_s1，带入公式(1)，计算出排风和送风温度差Δt_es。根据空调热舒适要求，一般送、排风温差Δt_es≤10℃，如果计算出的送、排风温差Δt_es<10℃，则排风的温度可以采用“50%的原则”确定，即工作区内距离地面0.1m处的温度与送风温度差Δt_0~0.1是送、排风温差Δt_es的50％。相反，如果计算的温差Δt_es>10℃时，需要重新选择送风温差Δt_es≤10℃的一个值，带入(1)式计算出送风量q_s2。再根据“50%的原则”确定出排风温度。当热源分布距离地面有一定距离时，送、排风温度的计算也可采用“30%的原则”。

比较两种计算方法计算出的风量，选取大者作为置换通风空调器的送风量。

3.2.4 置换通风空调器的送风面积计算

置换通风空调器的送风面积用(2)式确定送风面积：

F₀＝q_s/v₀   （2）

式中：F₀为送风断面积，m²；q_s为送风量，m³/s；v₀为风口送风速度，热舒适标准查得，m/s。

3.2.5 空调器选型

按风量计算过程②步中确定的送风温度为空调器的送风温度。根据送风量、送风温度和室内全室冷负荷选择空调器型号，并与室内建筑和装饰配合正确安装空调器。

(1) 室内机与室内装饰相互协调配合设计，并保证送风不被装饰材料二次污染；

(2) 室内机的布置位置最好在接近人员经常停留区域附近的壁面或墙底部，室内机的送风口下方应远离热源，即不应设置在热水器、大功率灯具或电视机等热源附近或上方；

(3) 地面风口出风处应留有足够的出风面积或者出风格栅面积应足够大，避免送风速度过大(一般不超过0.5m/s)，引起不舒适的冷感；

(4) 室内机及送风夹壁的风道应避免置于外围护结构的墙面上；

(5) 与其他房间共用一台室内机时，在两房间门的上部或门上部墙上开通风窗（格栅），同时在门的下部(接近地面)开通风格栅；

(6) 当送风口的出风口位置较高或室内机安装位置在分层高度处时，送风射流范围内可以布置如花盆等室内景物，加强送风与人员活动区的空气混合，防止产生冷感。但布置的装饰物不能产生热量、不能散发过敏性物质或挥发性有害物质。

办公室和家居环境是人们工作学习的主要场所，其空气品质的好坏对人体健康有重要的影响，而改善室内空气品质的有效途径之一就是采取有效的通风方式。而置换式通风具有通风效率高、明显改善室内的空气品质的特点，将置换式通风应用于办公、家居环境中具有重要的研究价值。本文首先根据置换通风原理和特点及其适用条件，结合办公室和家居环境的特点给出了置换式通风空调的工作原理，并按使用场合进行分类。继而，相对于其他场合空调方式，文中给出了系统设计步骤和计算方法，以获得较好的空调效果，最后指出置换通风空调器设计安装应注意的问题。