摘要：本文分析了空調系統(tǒng)節(jié)能和舒適性空調系統(tǒng)的意義，闡述了置換通風的概念、基本原理、基本特征。提出了置換通風新型末端裝置研究、開發(fā)的技術思路。對置換通風的適用性問題，進行了舉例分析。

1 引言

隨著人類文明的進步和科技的發(fā)展，人們對自己工作、學習、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、提高生活品質和勞動效率有著重要意義。為實現(xiàn)高質量的室內氣候環(huán)境，電制冷空調系統(tǒng)已被廣泛采用。同時，人們對地球環(huán)境的關注越來越高，對環(huán)境保護的呼聲也日趨強烈，要求采用節(jié)能的、健康的、可持續(xù)發(fā)展的策略進行空調設計。

1.1 中國能源現(xiàn)狀和空調系統(tǒng)節(jié)能

我國提出了長期的經濟發(fā)展目標，即下世紀中葉趕上中等發(fā)達國家水平。社會經濟的發(fā)展必將伴隨著巨大的能源消費需求。能源是國民經濟的基礎產業(yè)，也是公用事業(yè)，更是經濟發(fā)展和提高人民生活水平的物質基礎。人類社會的進步與能源的發(fā)展密切相關。我國制定的二十一世紀議程和九五計劃及2010年遠景規(guī)劃中把能源和環(huán)境保護列為最優(yōu)先的發(fā)展領域。

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構的能源生產消費大國。目前，煤炭提供76%的發(fā)電能源，到2020年煤電仍高達60%[1]，煤電的使用導致SO2、NOX、CO2和煙塵大量排放，給環(huán)境保護造成了巨大壓力。我國大部分地區(qū)的絕大多數空調系統(tǒng)直接利用電能供冷，空調系統(tǒng)的節(jié)能，相當于間接減少了SO2、NOX、CO2和煙塵的排放，對環(huán)保有利。

目前世界發(fā)達國家的民生耗能率高達總耗能量的1/3左右，其中絕大部分又消費在建筑物上，各國為推動建筑節(jié)能的進展，相繼制定和頒布了一系列的建筑節(jié)能法規(guī)、標準和指導性文件。我國政府積極倡導和努力實施節(jié)約能源、保護環(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)能是一項復雜的系統(tǒng)工程，包括各種綜合性的技術，包括建筑物本身和空調系統(tǒng)、設備的節(jié)能[2].就空調系統(tǒng)而言，空調系統(tǒng)節(jié)能又與建筑節(jié)能有關，包括建筑物的朝向和平面布置、維護結構的保溫性能、窗戶的隔熱和建筑物遮陽等等�？照{系統(tǒng)的節(jié)能也與運行節(jié)能有關，包括采用降低室內設計標準、減少新風量的方法，采用天然冷源，過渡季節(jié)取室外新風自然冷卻、冷卻塔供冷技術，采用建筑設備控制自動化技術，采用熱回收技術，例如從排風中回收熱量等等。

采用新的節(jié)能的空調方式，選用更節(jié)能的空調產品，也是空調系統(tǒng)節(jié)能的一項重要、有效的措施。在某些場合，置換通風就是一種較好的節(jié)能的空調方式。

1.2 高舒適性空調系統(tǒng)的標準及要求

首先必須提出，高舒適性的空調系統(tǒng)不僅僅與空調系統(tǒng)的設計有關，他還與室內環(huán)境品質有關，包括與室內環(huán)境的聲、光、熱等諸多物理的，以及室內建筑裝修、建筑材料、空氣品質等等的物理化學因素有關。本文僅討論空調系統(tǒng)對舒適性方面的影響問題。

隨著空調建筑的增多、空調技術的進步，人們對空調的理解早已不是溫度這一參數。高舒適性空調是指空調系統(tǒng)能提供一個良好的熱舒適性環(huán)境、良好的室內空氣品質。因此，健康空調、綠色空調、未來空調等說法和概念應運而生[3].

舒適性空調系統(tǒng)的概念經過了以下幾個發(fā)展階段：（1）本世紀中葉，發(fā)達國家以完全犧牲不可再生能源維持室內環(huán)境；（2）70年代石油危機后，人們意識到節(jié)能的重要性，發(fā)達國家采用了較低的室內設計標準。但是，由此產生了一系列建筑病綜合癥，人們又開始意識到室內空氣品質的重要性，這一課題成為學者們研究的熱點；（3）90年代至今，出現(xiàn)了許多一味高標準的建筑空調，特別是一些高檔的智能化辦公大樓，建筑空調耗能有進一步增加的趨勢。

2 置換通風的歷史沿革、概念、原理

2.1 置換通風的發(fā)展歷史

置換通風起源于北歐，1978年德國柏林的一家鑄造車間首先使用了置換通風裝置�，F(xiàn)在置換通風廣泛應用于工業(yè)建筑、民用建筑和公共建筑，北歐的一些國家50%的工業(yè)通風系統(tǒng)、25%的辦公通風系統(tǒng)采用了置換通風系統(tǒng)[4].我國的一些工程開始采用了置換通風系統(tǒng)，并取得了令人滿意的效果。

2.2 置換通風的基本概念[4]

a 稀釋通風示意圖 b 置換通風示意圖圖1 混合通風與置換通風系統(tǒng)的比較

房間置換通風原理的基本概念如圖1b所示。在舒適性通風中，大多數污染物質是溫暖的，因此污染物質在浮升力的作用下而上升�；旌贤�風方式下混合空氣和污染物會遍及整個房間（如圖1a）。當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，室內空間的空氣品質會比傳統(tǒng)的混合通風方式好。比較這兩種系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)置換通風整個空間的污染物濃度較混合通風的的濃度低。（我們假設兩種通風方式的空氣流量、污染率、房間尺寸相等。）

本文中提到的置換通風，能提供良好空氣品質（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在提高空氣品質方面優(yōu)于混合通風。

2.3 置換通風的基本特征

置換通風的基本特征是水平方向會產生熱力分層現(xiàn)象。置換通風下送上回的特點決定了空氣在水平方向會分層，并產生溫度梯度。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，由于送風量有限，在某一高度送風會產生循環(huán)。我們把產生循環(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，通風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�；旌虾椭脫Q通風系統(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通常提供更好的空氣品質。

下列情形更適合采用置換通風：

——污染物質比環(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。

浮升力作為驅動力的置換通風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）強烈；

——污染物比環(huán)境空氣冷/密度大。

3 置換通風的應用前景分析

置換通風的應用是隨著置換通風的概念被廣泛接受和置換通風末端產品的大量開發(fā)、生產、應用而推廣開來的。筆者認為置換通風在我國的廣泛應用與以下兩個方面有很大關系，一是與置換通風末端產品的發(fā)展和新產品的開發(fā)有關，二是與人們對它的深入了解，特別是設計人員和業(yè)主的深入了解有關。

3.1 置換通風末端產品的發(fā)展歷史

最初的置換通風末端裝置僅考慮讓新鮮空氣平穩(wěn)、均勻的送入室內，送風速度低、溫差小，故送風末端體積較大，相應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。

隨著空調技術的發(fā)展，根據新的建筑特點和功能開發(fā)了地板送風、座椅下送風的末端裝置。其后開發(fā)了結合置換通風和冷卻吊頂的末端送風裝置，并得到應用[5].“置換通風末端裝置+冷卻吊頂”形式解決了腳冷頭暖的不舒適感覺，置換通風末端用來保證衛(wèi)生要求的通風量和消除濕負荷，冷卻吊頂可以消除垂直溫度梯度對人的不適感覺，冷卻吊頂的應用相對傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)有特殊意義，就是其采用了輻射換熱技術，傳統(tǒng)的混合通風，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 我國置換通風末端產品的現(xiàn)狀

置換通風的應用與發(fā)展是與置換通風末端裝置的發(fā)展緊密相聯(lián)系的。

置換通風目前在我國運用還不十分廣泛，究其原因，筆者認為國內生產置換通風末端的廠家少，產品單一，研發(fā)能力不強是一重要原因。設計置換通風的工程可選擇的設備少，妨礙了置換通風的廣泛使用。

目前全球經濟一體化進程加快，中國即將加入世界貿易組織，關稅下降，國內市場進一步開放，國外的末端產品逐漸進入中國市場，國內的研究開發(fā)也在進一步加強，這就使得置換通風有更廣闊的發(fā)展空間。

3.3 新一代置換通風末端裝置的研究

新一代末端裝置要考慮的技術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機組，風管、風口的初投資，節(jié)省通風管道占用的建筑面積，減少空氣輸送量以減少輸運動力，從而減少風機耗能。

因此，末端裝置的設計思路圍繞解決以上問題而展開。

為解決置換通風送風量大，送風溫差小的問題，可借鑒誘導通風的原理[6]，考慮提高一次風送風溫差，在送至室內之前，或在人員活動區(qū)將一次風與室內空氣混合，以提高送風溫度。采用強化傳熱技術，使得室內空氣在人員活動區(qū)迅速分布均勻，減少溫度梯度。

4 置換通風的適用性分析

4.1 適用的冷源

置換通風要求采用中央冷水機組提供集中冷源，采用空氣處理設備集中處理空氣，采用水泵、水管輸送冷水。是否采用置換通風的空調方式，首先要考慮選用何種冷源。傳統(tǒng)的混合通風可以采用中央冷水機組也可以采用其他形式的冷源，比如分體式空調，VRV系統(tǒng)、單元式空調機組、直接蒸發(fā)式制冷機等等。

選用何種主機與初投資和運行費用的多少有直接關系。對于小型空調系統(tǒng)，直接蒸發(fā)制冷設備總是比冷水機組便宜，但是中大型工程這方面的費用比較接近。運行費用通常與空氣處理方法有關，當然還與采用何種主機及其運行有關。

置換通風適用于采用冷水機組提供冷源的空調方式，若是用其他冷源形式一般不考慮采用置換通風。置換通風要求的送風溫度較高，冷水機組可以利用三通控制閥提供可變的換熱盤管溫度，因此采用這種設備穩(wěn)定性好。相反，直接蒸發(fā)制冷設備，具有固定的換熱盤管溫度，就算是采用多個壓縮機，盤管溫度也只能分檔調節(jié)。

置換通風要求采用冷水機組，因此從經濟性方面考慮，置換通風不適用于小型的空調系統(tǒng)。對于大中型系統(tǒng)，當初投資對業(yè)主來說是非常重要的考慮因素時，也應認真考慮。

4.2 置換通風適用性舉例

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。

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以內保持舒適性空調標準，送風方式可采用下送風的置換通風形式，也可采用上送風的混合通風形式。

該例很利于采用置換通風的空調方式：（1）房間足夠高（大于2.5m），容易產生置換效果；（2）2m以上的溫度梯度不太重要，只需保證2m以內人員活動區(qū)維持較低的溫度梯度；（3）從頂部排風，可以減少冷負荷；（4）噪音很容易控制。

電視演播室采用置換通風的優(yōu)點是相當大的。燈光負荷不會擴散至人員活動區(qū)，散熱甚至可直接由排風帶走。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，置換通風的制冷主機裝機容量就比混合通風的制冷主機裝機容量小。

這種情形采用混合通風的劣勢表現(xiàn)在：

（1） 需要更大的冷卻能力和主機，相應地要增加運行費用；

（2） 送風和噪音控制更難預料，因為，為使風能送至人員活動區(qū)和克服垂直高度的影響，出風口送風速度較大。送風口速度較大會產生噪聲，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生置換效果，采用置換通風沒有優(yōu)勢。

由于置換通風送風溫度高，這就需要比混合通風更大的送風量。另外，天花高度有限，下部送風氣流很可能形成與混合通風相同的氣流組織。

例3： 3m層高，負荷隨季節(jié)變化的中等尺寸房間

該例中裝機容量和送風量與混合通風大致相同，但是置換通風需要冷水機組提供冷源。如果混合通風同樣采用冷水機組，從經濟性方面考慮兩者投資大致相同，但置換通風提供更好的空氣品質。

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，可以產生置換效果，還可以直接排除頂部的部分燈光、設備熱源。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，采用置換通風的優(yōu)點是很明顯的。置換通風提供座位人員舒適環(huán)境，但是對于高人員密度的劇院，置換通風提供的冷量可能不夠，需要增加相應的混合通風空調方式。

目前，國內的上海大劇院就同時采用了座椅下送風的置換通風和樓層局部誘導送風和包廂的局部上送風的送風體系[8].

上述簡化的例子，可以幫助設計人員和業(yè)主了解到何種情況下適用于置換通風或不適用。設計置換通風還是混合通風，應該從經濟性、舒適性、節(jié)約能源等方面詳細分析，綜合考慮。

5 結論

本文分析了空調系統(tǒng)節(jié)能和舒適性空調系統(tǒng)的意義，提出了舒適性空調系統(tǒng)應該是節(jié)能、環(huán)保、健康的空調系統(tǒng)的觀點，闡述了置換通風的概念、基本原理、基本特征。提出了置換通風新型末端裝置研究、開發(fā)的技術思路。對置換通風的適用性問題，進行了舉例分析。

通過分析，我們得到如下結論：

（1）置換通風是一種高舒適性的空調系統(tǒng)。由于送風速度低，紊流度低，不產生吹風感，因此舒適性很高；新鮮空氣先經過人員活動區(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。

（2）置換通風是一種節(jié)能的空調方式。只需在工作區(qū)保證設計參數，送風溫度高，相對混合通風，可以減少冷負荷，特別對于高大空間建筑物，此特點更明顯；可以方便的利用低品位能源、利用自然通風供冷。

（3）熱力分層的產生，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，一般應保持在3℃以內，溫差太大則降低了舒適性；同時要保證一定的送風量，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）置換通風送風溫度不能太低的限制，使得送風量增大，輸運空氣管路增大，輸運動力增加，不利于經濟性�？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通風的原理，提高一次風送風溫差，在送至室內之前，或在人員活動區(qū)將一次風與室內空氣混合，提高送風溫度；可以采用強化傳熱技術，使得室內空氣在人員活動區(qū)迅速分布均勻，減少溫度梯度。

（5）置換通風的冷源一般考慮中央冷水機組。

（6）從經濟性方面考慮，置換通風更適用于大中型空調系統(tǒng)。

（7）在層高大于3米時，置換通風的優(yōu)點更明顯。置換通風不適用于層高小于2.5米的房間。

置換通風在舒適性、良好的空氣品質和節(jié)能效果等方面有相當的優(yōu)越性，隨著人們對置換通風研究的深入，空調設計人員、業(yè)主對其的進一步了解，末端裝置和新產品的不斷改進、開發(fā)、應用，其應用價值將得到充分體現(xiàn)。

參考文獻：

1 鄭企仁，中國潔凈煤發(fā)電技術的展望，中荷潔凈煤技術研討會，1995.7，P15-17

2 錢以明，高層建筑空調與節(jié)能，同濟大學出版社，P456-564

3 龍惟定，綠色建筑的暖通空調設計，現(xiàn)代空調，中國建筑工業(yè)出版社，1999（1）

4 H？？kon Skistad， Displacement Ventilation， Research Studies Press Ltd.

5 Z Hing， Q Chen， A Moser. Indoor airflow with cooling panel and radiative/convective heat source. ASHRAE Transactions，1993；99（2）

6 李強民 鄧崢，置換通風在我國的應用，暖通空調新技術，中國建筑工業(yè)出版社，1999（1）

7 Mike Hardy， Consideration of Displacement Ventilation vs Mixed Flow Ventilation， for Building Owners/ Designers， Ambthair Services Ltd. 1997

8 張富成等，上海大劇院空調設計，暖通空調新技術，中國建筑工業(yè)出版社，1999（1）

作者簡介：

李欣，男，工學學士，高級工程師，深圳市振華路8號設計大廈11樓，518031.Email：

羅軍，男，1974年1月生，工學碩士，深圳市振華路8號設計大廈11樓，518031. Email：