低溫送風(fēng)系統(tǒng)若干問(wèn)題的淺析

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　　摘要： 低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能夠大量的節(jié)省能耗，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到很多工程設(shè)計(jì)人員及業(yè)主的認(rèn)同。但是，這種系統(tǒng)也存在一些影響其應(yīng)用的難題，其中關(guān)鍵的一點(diǎn)是：對(duì)低溫送風(fēng)系統(tǒng)的射流分離點(diǎn)的控制比較困難。本文從五個(gè)方面對(duì)低溫送風(fēng)系統(tǒng)的射流分離距離進(jìn)行分析和討論：（1）由于送風(fēng)溫度的降低，容易導(dǎo)致送風(fēng)射流提前分離下降到工作區(qū)，從而造成室內(nèi)人員的吹冷風(fēng)感。（2）由于送風(fēng)射流的提前分離，會(huì)造成室內(nèi)一部分區(qū)域形成空氣滯止區(qū)。（3）在部分負(fù)荷情況下，低溫送風(fēng)系統(tǒng)的射流分離距離的研究更加具有工程意義。（4）房間空間結(jié)構(gòu)對(duì)低溫送風(fēng)系統(tǒng)的分離距離的影響。（5）在空調(diào)供熱工況下，低溫送風(fēng)系統(tǒng)的分離距離的研究。

　　關(guān)鍵詞： 低溫送風(fēng) 射流分離 節(jié)能 室內(nèi)環(huán)境

　　1 低溫送風(fēng)系統(tǒng)射流分離點(diǎn)的簡(jiǎn)介

　　1.1 低溫送風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及其射流分離的特性低溫送風(fēng)系統(tǒng)就是隨著冰蓄冷系統(tǒng)的發(fā)展而興起的。它可以充分利用冰蓄冷系統(tǒng)直接供應(yīng)的1～4℃的低溫冷媒水，從而在不增加制取低溫冷媒水費(fèi)用的前提下，降低送風(fēng)溫度提高送風(fēng)溫差。并且?guī)?lái)一系列的優(yōu)點(diǎn)：Ⅰ.送風(fēng)量減少節(jié)省送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)能耗；Ⅱ.減少送風(fēng)設(shè)備（如風(fēng)管、散流器、空氣處理機(jī)組、風(fēng)機(jī)等設(shè)備）的初投資和安裝費(fèi)用，以及所需的安裝空間，從而有可能降低樓層高度；Ⅲ.提高冷媒水的除濕能力，從而提高了室內(nèi)舒適性。低溫送風(fēng)系統(tǒng)可以節(jié)約能源，改善室內(nèi)環(huán)境，這些優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在實(shí)踐中證實(shí)。但是，這種系統(tǒng)也存在一些影響其應(yīng)用的難題，其中關(guān)鍵的一點(diǎn)是：由于低溫送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫差增大，射流分離點(diǎn)的控制比較困難，從而有可能會(huì)惡化室內(nèi)環(huán)境。

　　1.2 目前的研究現(xiàn)狀在1988年，Dorgan C E， Elleson J S.[2]就提出了：低溫送風(fēng)系統(tǒng)的低溫射流容易下降到工作區(qū)，從而造成室內(nèi)人員的吹冷風(fēng)感，降低了室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量。在應(yīng)用低溫送風(fēng)系統(tǒng)剛開(kāi)始時(shí)，常采用帶風(fēng)機(jī)的混合箱末端設(shè)備。但是，采用這種方法，有研究表明[3]：這種空氣分布末端設(shè)備的小功率風(fēng)機(jī)消耗大量的能耗，甚至有可能超過(guò)所節(jié)約的風(fēng)機(jī)能耗，而且小風(fēng)機(jī)的噪聲比較大，降低室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，所以這種方法不是一種理想的節(jié)能方法。

　　隨后，有許多研究者對(duì)低溫送風(fēng)系統(tǒng)的散流器進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了一些專(zhuān)用的散流器，如：旋流型散流器[4]、噴嘴型散流器[5]以及中國(guó)西南交通大學(xué)設(shè)計(jì)的“風(fēng)車(chē)－風(fēng)扇”式旋流型散流器[6].通過(guò)這些散流器可以提高送風(fēng)射流與室內(nèi)空氣的混合，從而降低射流提早下降到工作區(qū)的可能性。本文將從五個(gè)方面對(duì)低溫送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析和討論：

　　2 射流下降引起吹風(fēng)感

　　2.1 吹風(fēng)感的定義“吹風(fēng)感”的概念是用來(lái)評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣速度和溫度對(duì)人體舒適性的一個(gè)指標(biāo)。其定義是：在空氣濕度和熱輻射一定的情況下，由于空氣流動(dòng)和溫度引起的局部冷、熱感[10].其評(píng)價(jià)方法是：有效吹風(fēng)溫度法。

　　2.2 射流下降對(duì)舒適性的影響對(duì)于制冷工況，送風(fēng)射流下降到工作區(qū)，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方面的影響。一方面，在射流下降的區(qū)域會(huì)造成空氣流速比較大并且溫度也比較低，從而會(huì)造成室內(nèi)人員的吹冷風(fēng)感。另一方面，由于射流提前下降，造成室內(nèi)存在空調(diào)風(fēng)不能到達(dá)的區(qū)域。在該區(qū)域里，空氣流速比較低而且溫度比較高，從而造成室內(nèi)人員比較熱，降低室內(nèi)熱舒適性。

　　在低溫送風(fēng)系統(tǒng)射流下降的可能性更大，而且影響也更加嚴(yán)重。由于送風(fēng)溫度低，會(huì)對(duì)低溫送風(fēng)系統(tǒng)造成兩個(gè)負(fù)面影響。其一，送風(fēng)溫差增大，導(dǎo)致射流的浮力的影響增大，從而使射流提前下降的可能性增大。其二，送風(fēng)流量減少，低溫送風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織設(shè)計(jì)的難度加大。如果送風(fēng)系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行良好設(shè)計(jì)的話(huà)，很可能會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)溫度分布的不均勻，降低了室內(nèi)的熱舒適性。

　　對(duì)于低溫送風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織的幾點(diǎn)建議：（1）宜采用具有送風(fēng)射流不易下降的圓形散流器，但需注意這種射流的射程比較短。（2）為了使室內(nèi)的溫度分布比較均勻，需要采用數(shù)量更多，尺寸較小的散流器來(lái)分布較小流量的空調(diào)風(fēng)。（3）采用擴(kuò)散性能比較好的散流器，使低溫射流快速與室內(nèi)空氣混合，從而降低射流下降的可能性，提高室內(nèi)溫度分布的均勻性。（4）射流的紊度也是產(chǎn)生吹冷風(fēng)感的一個(gè)原因，不要輕信高紊流度的射流會(huì)使低溫射流能與室內(nèi)空氣混合較快提高室內(nèi)的熱舒適性。所以在應(yīng)用高紊流度的散流器，需要考慮射流的紊流度，以免造成的負(fù)面效應(yīng)。

　　3 射流分離距離對(duì)滯止區(qū)的影響3.1 滯止區(qū)的位置滯止區(qū)的位置與送風(fēng)方式以及送風(fēng)末端設(shè)備有關(guān)，也與空調(diào)工況有關(guān)。本文主要討論低溫送風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織。一般地，低溫送風(fēng)系統(tǒng)采用頂部送風(fēng)方式，這樣的話(huà)，低溫射流可以通過(guò)與房間上部非工作區(qū)的空氣進(jìn)行有效混合，從而降低室內(nèi)人員的吹冷風(fēng)感的可能性。對(duì)于制冷工況下，由于自然對(duì)流的原因，室內(nèi)空氣會(huì)從上往下形成一個(gè)速度大約為0.1m/s的滯止區(qū)域。對(duì)于供熱工況下，同樣的原因，室內(nèi)空氣會(huì)形成一個(gè)從下往上的滯止區(qū)。為了便于理解，這里給出頂部送風(fēng)的圓形散流器和高側(cè)墻散流器分別在供冷和供熱工況下的滯止區(qū)域分布圖[10]，見(jiàn)圖1.從圖1可以看出：在供冷工況下，滯止區(qū)域比較小而且分布在房間的上部，對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響較小。在供熱工況下，滯止區(qū)域在房間的下部，而且比供冷工況的要大，當(dāng)采用圓形散流器時(shí)，更為明顯。

　　3.2 滯止區(qū)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響滯止區(qū)域的特點(diǎn)是空氣流動(dòng)緩慢，不同速度呈分層狀態(tài)。但這并不表示空氣品質(zhì)不好。只要室內(nèi)的其他舒適性參數(shù)滿(mǎn)足要求的話(huà)，舒適性標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有室內(nèi)最小流速的限制。但是，在實(shí)際工程當(dāng)中，當(dāng)空氣流速比較低的情況下，很難維持室內(nèi)的溫度分布均勻，以及保證室內(nèi)的污染物有效的排出。所以，雖然滯止區(qū)域?qū)κ覂?nèi)環(huán)境沒(méi)有直接的影響，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中還是應(yīng)盡可能的減少滯止區(qū)域。

　　3.3 射流分離距離對(duì)滯止區(qū)的影響及其建議從頂部風(fēng)口送冷風(fēng)的示意圖（圖1）可以看出，在受熱墻壁一側(cè)，上升的自然對(duì)流阻礙了整個(gè)射流的運(yùn)動(dòng)，因此，射流在到達(dá)該墻壁之前就開(kāi)始下降。另一方面，整個(gè)射流到達(dá)內(nèi)墻后會(huì)沿墻壁下降一段距離。采用這種送風(fēng)口，能夠使室內(nèi)滯止空氣量降低并且室內(nèi)空氣的溫差減少，適合于低溫送風(fēng)系統(tǒng)。

　　圖1：圓形散流器和高側(cè)墻散流器的頂部送風(fēng)系統(tǒng)的滯止區(qū)域分布圖4 VAV系統(tǒng)中射流分離距離的分析空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷是按照最不利情況得出的，在實(shí)際工程當(dāng)中大部分時(shí)間空調(diào)負(fù)荷都低于空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷。為了進(jìn)一步的節(jié)約能源，通?？照{(diào)系統(tǒng)采用變風(fēng)量系統(tǒng)（VAV）以滿(mǎn)足低負(fù)荷要求。在低溫送風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用VAV系統(tǒng)，由于流量的減少以及溫差的增大會(huì)產(chǎn)生一些新的問(wèn)題。在變風(fēng)量系統(tǒng)中，存在一個(gè)最小風(fēng)量，該風(fēng)量是根據(jù)室內(nèi)環(huán)境最小通風(fēng)量確定的。在低溫送風(fēng)系統(tǒng)中，這個(gè)風(fēng)量是影響室內(nèi)環(huán)境最?lèi)毫拥那闆r。如果調(diào)節(jié)散流器的風(fēng)口不能滿(mǎn)足舒適性要求的話(huà)，需要提高送風(fēng)溫度。VAV系統(tǒng)，在最小送風(fēng)量下運(yùn)行是最容易產(chǎn)生不舒適感的情況。所以工程師和設(shè)計(jì)人員需要對(duì)此時(shí)的射流分離距離進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)和考慮。

　　4.1 送風(fēng)量以及送風(fēng)速度對(duì)射流分離距離的影響散流器的開(kāi)口面積不變時(shí)，如果送風(fēng)量減少，那么送風(fēng)速度也相應(yīng)減少。此時(shí)，Ar數(shù)會(huì)增大，浮升力對(duì)射流的影響增大，射流下降的可能性增大。Kirkpoatrick和Hassani從理論上已經(jīng)研究表明[6]：當(dāng)其他條件不變的情況下，只要送風(fēng)射流的動(dòng)量相同的話(huà)，射流產(chǎn)生的室內(nèi)熱舒適性相同。所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)散流器的開(kāi)口面積來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題。但是，送風(fēng)速度又必須滿(mǎn)足室內(nèi)環(huán)境的噪聲要求，以及散流器的壓降要求。當(dāng)散流器的壓降過(guò)大，不但會(huì)增加能耗，而且噪聲會(huì)增大。

　　需要強(qiáng)調(diào)的幾點(diǎn)是：（1）對(duì)于送風(fēng)溫差一定，送風(fēng)量對(duì)射流分離距離的影響比速度對(duì)其的影響要大。因此，為了避免射流降落，房間內(nèi)采用幾個(gè)較小的送風(fēng)口比單獨(dú)用一個(gè)大風(fēng)口要好得多。（2）偏轉(zhuǎn)角度大的送風(fēng)口也會(huì)引起頂棚效應(yīng)，這一效應(yīng)將會(huì)增加射程，減小射流降落值。但是，需要注意，這樣的話(huà)，要保證吊頂?shù)男l(wèi)生狀況，以避免送風(fēng)射流受到吊頂?shù)奈廴尽?/p>

　　5 房間空間結(jié)構(gòu)對(duì)射流分離距離的影響房間的幾何尺寸和空間結(jié)構(gòu)都會(huì)影響室內(nèi)的氣流組織分布。當(dāng)房間的幾何尺寸比較小，會(huì)使送風(fēng)射流變成受限射流。一般舒適性空調(diào)中，送風(fēng)射流基本上都具有受限射流特性。當(dāng)射流為受限射流時(shí)，射流的射程受到回流的截面尺寸和空間長(zhǎng)度的影響。另外，當(dāng)射流沿著墻體或者吊頂壁面送出的話(huà)，會(huì)形成貼附射流。其次，房間的梁對(duì)射流的影響也非常大。如果氣流組織設(shè)計(jì)不合理的話(huà)，梁對(duì)射流會(huì)起阻礙作用，同時(shí)，也會(huì)使室內(nèi)滯止區(qū)域增加，影響室內(nèi)環(huán)境。

　　5.1 貼附射流的特點(diǎn)及其對(duì)射流分離距離的影響假如射流沿著表面或者離表面幾厘米平行射出時(shí)，射流會(huì)具有貼附表面的特性。而影響射流的因素就稱(chēng)之為射流的“Coanda”效應(yīng)。這種效應(yīng)使得在射流貼附表面會(huì)形成一個(gè)低壓區(qū)，導(dǎo)致房間氣壓較高的空氣使得送風(fēng)射流貼附在表面上，所以射流難得下降，射流分離距離增大。一般的原則是：貼附射流的分離距離是自由射流的分離距離的 倍。

　　5.2 天花板的梁以及室內(nèi)障礙物對(duì)射流的影響在房梁裸露的空間內(nèi)，梁和室內(nèi)障礙物有可能會(huì)改變送風(fēng)射流的流型，影響室內(nèi)氣流組織，降低室內(nèi)舒適性。送風(fēng)口應(yīng)該布設(shè)在最低房梁的底部，其高度應(yīng)該低到足以采用向上或弧形的射流路徑。送風(fēng)口與梁的位置是梁對(duì)射流的影響的決定因素。當(dāng)梁離送風(fēng)口的距離超過(guò)一個(gè)極限值時(shí)，可以認(rèn)為梁對(duì)射流沒(méi)有影響。否則，射流將會(huì)與梁碰撞，并且改變了射流的方向，有可能導(dǎo)致射流提前下降，使室內(nèi)溫度分布不均勻。

　　6 供熱工況時(shí)射流的分離距離隨著人們生活質(zhì)量的提高，室內(nèi)熱源不斷增加。空調(diào)在供熱工況運(yùn)行的時(shí)間也越來(lái)越少。在有些大樓的內(nèi)部區(qū)域需要常年制冷，僅在周邊區(qū)域需要供熱，而且熱負(fù)荷比較低。造成供熱工況下，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行比較難以控制?？照{(diào)在供熱工況下運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方面的問(wèn)題。其一：熱負(fù)荷較低，送風(fēng)量減少，氣流組織設(shè)計(jì)比較困難。其二：受浮力的影響，熱射流有上升的趨勢(shì)，從而造成室內(nèi)溫度分層現(xiàn)象。根據(jù)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)，工作區(qū)的垂直溫差不宜超過(guò)3K.解決方案建議：在制冷工況下，低溫送風(fēng)系統(tǒng)中，由于送風(fēng)溫差大，流量也比較小。如果制冷工況滿(mǎn)足的話(huà)，那么供熱工況也比較容易滿(mǎn)足舒適性要求。從這個(gè)角度來(lái)講，低溫送風(fēng)系統(tǒng)對(duì)于供熱工況還有優(yōu)勢(shì)。但是，根據(jù)ASHRAE手冊(cè)可知：供熱送風(fēng)溫差不宜超過(guò)15℃，以免造成室內(nèi)的溫度分布不均勻，影響室內(nèi)的舒適性。

　　對(duì)于熱風(fēng)上浮的問(wèn)題，可以采用調(diào)整散流器的導(dǎo)葉片，使得送風(fēng)射流朝工作區(qū)方向送出。另外，也可以調(diào)整散流器的送風(fēng)面積，提高送風(fēng)速度，以減少浮升力對(duì)射流的影響。目前制造廠商已經(jīng)生產(chǎn)出了這類(lèi)產(chǎn)品?？梢缘街圃鞆S商的產(chǎn)品目錄獲得相關(guān)信息。

　　7 經(jīng)過(guò)對(duì)低溫送風(fēng)系統(tǒng)的若干問(wèn)題進(jìn)行分析與討論，得出如下一些結(jié)論與建議對(duì)于低溫送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口選擇的幾點(diǎn)建議：（1）空氣末端設(shè)備采用較小型號(hào)的散流器對(duì)室內(nèi)環(huán)境有利。（2）采用擴(kuò)散性能比較好的散流器。（3）射流的紊度也是產(chǎn)生吹冷風(fēng)感的一個(gè)原因，需注意：紊流對(duì)射流分離具有兩面性作用。

　　雖然滯止區(qū)域?qū)κ覂?nèi)環(huán)境沒(méi)有直接的影響，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中還是應(yīng)盡可能的減少滯止區(qū)域。

　　熱源對(duì)射流分離距離至少有兩個(gè)方面的影響。當(dāng)熱源較近時(shí)會(huì)使容易射流下降到工作區(qū)。當(dāng)熱源較遠(yuǎn)時(shí)，射流比較難得下降到工作區(qū)，從而影響室內(nèi)溫度分布的均勻性。

　　偏轉(zhuǎn)角度大的送風(fēng)口也會(huì)引起頂棚效應(yīng)，并可以減小射流下降到工作區(qū)的可能性。但是，需要注意要防止送風(fēng)射流受到吊頂?shù)奈廴尽?/p>

　　對(duì)于熱風(fēng)上浮的問(wèn)題，可以采用調(diào)整散流器的導(dǎo)葉片，使得送風(fēng)射流直接往工作區(qū)方向送出。另外，也可以調(diào)整散流器的送風(fēng)面積，使得送風(fēng)速度提高，以減少浮升力對(duì)射流的影響。

　　在吊頂有梁和室內(nèi)障礙物進(jìn)行氣流組織設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮：他們有可能阻礙射流的擴(kuò)散，導(dǎo)致射流提前下降到工作區(qū)，并在室內(nèi)形成較大的空氣滯止區(qū)域。