冷却顶板与置换通风复合空调系统的热舒适性分析
李楠，廖建科，郑文茜，刘红
(重庆大学 城市建设与环境工程学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆，400045)
摘要：为研究冷却顶板与置换通风复合系统(CC/DV)的舒适性，通过对送风温度、垂直温差、吹风感以及平均辐射温度等几个影响人体舒适性的参数进行分析。研究结果表明：冷却顶板与置换通风复合系统具有较小的垂直温差，能有效降低吹风感风险，并具有均匀的辐射温度，这有助于提高人体舒适性；与传统的空调系统相比，冷却顶板与置换通风系统是一种兼具节能和舒适性的新型空调方式，能有效结合冷却顶板较好的热舒适性和置换通风良好的空气质量的优点。
关键词：冷却顶板与置换通风；热舒适；送风温度；垂直温差；吹风感；平均辐射温度
中图分类号：TU83 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)06-2434-07
Analysis on thermal comfort of combined system with cooling ceiling and displacement ventilation
LI Nan, LIAO Jian-ke, ZHENG Wen-qian, LIU Hong
(Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education,
Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China)
Abstract: To study thermal comfort of the combined cooling ceiling and displacement ventilation (CC/DV) system, an analysis on the parameters of supply air temperature, vertical temperature differences, draft and mean radiant temperature, which influence human feelings was conducted. The results show that the combined system has low supply air temperature and vertical temperature differences; it can avoid draft effectively, and has a uniform radiant temperature which can improve human comfort. Compared with conventional air conditioning systems, it is a new air conditioning style concerning energy efficient as well as better thermal comfort, and effectively combines advantage of cooling ceiling related to better thermal comfort and advantage of displacement ventilation related to better air quality. Along with the state advocates energy saving and emission reduction, the combined system will have a broad application prospect.
Key words: cooling ceiling and ventilation displacement system; thermal comfort; supply air temperature; vertical temperature difference; mean radiant temperature
人们80%以上的时间在室内度过，室内空气质量的优劣将直接影响人们的工作和生活，甚至可能威胁到人类的身体健康。因此，一个舒适的室内环境成为人们追求的理想环境。随着空调技术的广泛应用，人们对建筑室内热环境提出更高的要求，建筑室内的人体热舒适和健康问题成为人们关注的焦点。同时，由于建筑能耗大幅度地增加，人们开始重视能源的有效利用和可持续发展。室内舒适性的改善与空调系统能耗问题成为目前暖通空调领域所面临的一个主要矛盾。为改善室内空气品质，提高室内舒适性，并节约能量，近年来提出一种同时考虑舒适性与节能性的冷却顶板与置换通风(CC/DV)复合空调系统。CC/DV复合空调系统将置换通风系统与冷却顶板装置有机结合，可有效去除潜热负荷和显热负荷，并分别控制室内温度和湿度，是一种既能提高能源利用率又能改善室内空气品质的新型空调系统。与传统空调系统相比，采用CC/DV系统的房间工作区的气流速度较低，有效避免吹风感，室内空气的竖直温度梯度相对较小，可提高人体热舒适性。相关研究表明：CC/DV复合空调系统的能耗一般可比传统空调系统节能30%~40%[1-3]。目前，国内外关于冷却顶板与置换通风复合空调系统营造舒适的室内环境和节约能源的研究越来越多。朱能等[4]指出在CC/DV复合空调系统中，由于下送风温度比较低，且在房间地板附近有空气流动，容易在膝与足部形成风感威胁。马玖辰[5]通过在相同工况条件下，对复合空调系统与置换通风系统房间水平、垂直温度场的比较，认为复合空调系统室内温度场分布均匀，垂直温度梯度较低，均在3 ℃以下，满足人体热舒适性要求，复合空调具有良好的热舒适性。国外学者关于CC/DV复合空调系统的研究主要集中在热舒适、室内空气品质、设计参数以及能耗及与其他系统的总费用比较等方面[6-8]。从生理角度上讲，人最舒适的感觉是头凉脚暖，但这种空调方式可能会使房间垂直方向出现下低上高的温度分布，并且由于下送风方式空气温度比较低容易引起风感威胁。因此，有必要对CC/DV系统的舒适性进行深入研究。
1 冷却顶板与置换通风空调复合 系统
1.1 置换通风系统
置换通风是基于空气密度差所形成的热气流上升和冷气流下降的原理。新鲜空气由送风口直接送入工作区，并在地板上形成一层较薄的空气湖，空气湖由较凉的新鲜空气的扩散而成。在室内的热源(人员及设备)的作用下，新鲜空气由于热源的浮力作用使其向室内上部流动并形成室内空气运动的主导气流，送风速度约为0.25 m/s，对室内主导气流无任何实际的影响。
置换通风房间工作区内由热对流产生的温度梯度是造成人体局部不舒适的主要原因。离地面0.1 m的高度是人体脚踝的位置，脚踝是人体暴露于空气中的敏感部位，该处的空气不应引起人体不舒适。房间工作区的温度梯度往往取决于离地面1.1 m高度处的温度(对坐姿人员如办公、会议、听课和观剧等)。室内垂直温度梯度导致脚凉头暖的现象，这种现象与人体得舒适性规律有悖。ISO7730标准[9]规定，地板上方0.1~1.1 m之间的垂直温差不应超过3 ℃。出于舒适性的考虑，为不使人体产生过重的脚凉头暖的不适感，送风温差一般为2~4 ℃，最大不能超过6 ℃。由于受空间和送风速度限制，单一的置换通风系统所能提供的制冷量就比较小，冷负荷一般不能超过30 W/m2[10]。如何在不破坏置换通风良好的气流组织和保证舒适度的前提下提高空调系统的制冷能力，最佳的解决方法就是将冷却顶板系统和置换通风系统结合使用。
1.2 冷却顶板系统
冷却顶板供冷量由冷冻水通过导热和对流的方式传递到顶板表面，顶板、热源以及维护结构之间通过辐射来传递冷量，与室内空气之间则通过对流来传递冷量。冷却顶板一般可以提供60~80 W/m2的冷量[11]。不同于全空气系统，冷却顶板系统通过直接的辐射和间接对流的作用来移除热源的热量。对于辐射换热来说，其换热量最终取决于冷却顶板、墙面、人体及室内热源的表面温度，各表面的几何形状，相对位置及其辐射特性；对流的换热量则完全取决于顶板附近的空气流动方式，通过控制空气流动的方式可在很大程度上对冷却量进行控制。一般而言，顶板供冷中辐射换热量占总热交换量的50%以上[12]。
在辐射换热的作用下，室内围护结构、地面等各表面温度均匀，且较低，此时人的实感温度低于环境的空气温度，所以，人体将有较高的舒适感。此外，冷却顶板系统能提供一个垂直温差较小，几乎没有气流，不产生局部不舒适的室内环境，而且可以在冷源和房间空气温差很小的情况下运行，这使得天然冷源的使用成为可能。因此，冷却顶板系统与传统的空调系统相比，具有更好的舒适性、节能效率等优势。基于这些优势，近几年冷却顶板系统越来越受人们的关注。然而，冷却顶板系统不能有效的控制湿度水平，易结露，为避免顶板结露，顶板表面温度至少应该比室内空气的露点温度高1 ℃[3]。由于露点温度的限制，冷却顶板系统的辐射供冷能力有限，而且冷却顶板系统并不能改善室内空气品质，即无法去除室内潜热负荷和排除室内污染物[13]。因此，冷却顶板通常要与某种形式的送风方式结合，将室外新风经过除湿后送入室内，即可解决新风问题，又可降低室内空气温度，并降低结露的风险。送风可以承担一定的室内冷负荷，使得顶板辐射供冷在冷负荷较大的场合也能使用。
1.3 置换通风与冷却顶板复合空调系统
CC/DV系统综合冷却顶板在提高人体热舒适方面的优越性和置换通风系统在提高室内空气品质方面的独特优势，并且具有良好的节能效果。室内负荷由冷却顶板系统和置换通风系统共同负担，顶板消除显热负荷，而湿负荷及有害物通过置换通风来消除。与传统的空调系统相比，冷却顶板置换通风复合空调系统具有热舒适性和经济性2个方面的优势。在热舒适性方面，一般认为，在舒适条件下，人体产生的全部热量，大约按下述比例散发：对流散热30%，辐射散热45%，蒸发散热25%[14]。可见辐射换热对人体的舒适感极为重要，在某些情况下甚至起主导作用。而冷却顶板主要是以辐射换热为主，降低垂直温差。同时，冷却顶板在夏季降低围护结构表面温度，增加人体辐射散热份额，有利于提高舒适性。辐射供冷不会造成吹冷风的感觉，不存在“空调病”。在经济性方面，在大型公共建筑采暖空调能耗中，60%~70%[12]是由输送和分配冷量、热量的风机水泵消耗。由于大部分冷负荷由顶板承担，因此，与传统空调方式相比，送风量大大降低，可节省风机能耗。国外研究资料表明[15]与常规空调相比，冷却吊顶系统可节省风机能耗70%~80%。
2 CC/DV系统的热舒适性分析
空气调节技术的产生和应用，初衷是给人们提供一个可避开酷热和严寒的环境，提高人体的热舒适性。热舒适在ASHRAE 55—2004标准[16]中定义为：人体对热环境表示满意的意识状态。Gagge等[17-18]认为“热舒适”指的是人体处于不冷不热的“中性”状态，即认为中性的感觉就是热舒适。人们习惯于用“暖”或“冷”来描述所在房间的热环境，然而决定人体冷热感觉的变量主要有以下6个：空气温度、空气流速、空气相对湿度和平均辐射温度、活动量以及衣着情况。因此，要充分发挥空调系统提高建筑室内空气品质并且满足人体的热舒适性要求的功效，必须综合考虑上述6个方面。在冷却顶板与置换通风系统中，影响人体热舒适性的参数主要有送风温度、垂直温差、吹风感、辐射温度以及空气湿度等。
2.1 送风温度
在CC/DV系统中，送风温度的影响是十分重要的，其变化量直接决定着顶板所承担冷量的比例，它对置换通风的热力分层高度、热舒适性指标均产生一定的影响[19]。袁锋[20]应用CFD模型研究送风温度对室内温度场的影响，分别模拟送风温度为24，22，20，19和18 ℃的室内热环境状况。表1所示为5种送风温度工况条件下工作区内温度情况。
表1 5种送风温度工况条件下工作区内温度情况
Table 1 Temperature in occupied zone under five kinds
of supply air temperature conditions results of physical data ℃
从表1可知：随着送风温度降低，系统的供冷量增大，工作区的平均温度随之而降低。脚踝处的最低温度t0.1也随着送风温度的降低而降低；当送风温度为18 ℃时，t0.1为19.31 ℃，低于CIBSE(2006)标准关于t0.1为20 ℃的规定；t0.1-1.1为3.40 ℃，也不符合ISO7730[9]标准中t0.1-1.1＜3 ℃的规定。由于置换通风系统送风温度低于室内工作区温度，密度大的冷空气下沉到地表面，部分冷空气在室内热源的作用下流向房间的上部，在竖直方向上形成下低上高的温度梯度，这样容易形成脚凉头暖的局面，在送风温度过低时还容易引起吹风感，这些现象都与人体舒适性规律相悖。为避免由送风温度过低而引起的吹风风险，从舒适性的角度出发，本文作者建议复合空调系统的送风温度不低于19 ℃。
陈露[21]同样采用CFD软件计算工具研究冷却顶板和置换通风复合空调系统中不同的参数变化对人体热舒适的影响。针对送风温度变化产生的影响，分别设置19，20和21 ℃ 3种不同的送风温度进行模拟计算，送风速度设定为0.4 m/s，顶板温度设定为 19 ℃。图1所示为不同送风温度下X=1 900 mm断面温度梯度图。从图1可见：送风温度越高，室内温度越高，当送风温度为19 ℃时，室内工作区温度保持在23.5~24 ℃左右，工作区的垂直温度梯度随着送风温度升高而逐渐降低。当房间温度为24~25 ℃，在人体脚部和膝部以及工作区温度相差很小，低于1 ℃，不会使人产生不舒适感。在各个工况下，空调房间的温度梯度均小于3 ℃，完全满足ISO7730标准[9]中垂直温差小于3 ℃的规定。同时，房间工作区的温度随着送风温度的升高而升高，送风温度的升高可以获得较高的通风效率和热舒适性，但是，送风温度不宜过高，因为温度偏高可能不能完全消除室内湿负荷和满足承担部分热负荷的要求，使房间工作区域的空气品质 下降。
图1 不同送风温度下X=1 900 mm的断面温度梯度图
Fig.1 Sectional temperature gradient map (X=1 900 mm) at different air temperatures
2.2 垂直温差
垂直温度梯度是影响热舒适的重要因素之一，头和脚踝之间温度梯度过大会使人产生不舒适的感觉。由于目前CC/DV复合空调系统的应用在我国尚处于起步阶段，暖通空调相关标准、规范还尚未对其舒适性和垂直温差作出具体的规定，然而为不影响舒适性，欧洲及国际标准已对此做出较明确的规定，相关指标见表2。
表2 欧洲及国际标准关于垂直温差t0.1-1.1的规定
Table 2 Provisions on vertical temperature difference provided by European and some international standards ℃
研究者对关于垂直温差对人体热感觉的影响进行大量研究，Yu等[23]在置换通风系统中研究垂直温差的热响应，得出在不同的环境温度和不同的局部热感觉下，温度梯度对整体热舒适的影响也不同，而整体热感觉对整体不满意率有显著的影响，即使热感觉接近中性，不同的温度梯度对热舒适有不同的影响。
CC/DV复合空调系统房间的温度梯度与二者所承担的负荷比例有关，随着冷却顶板辐射负荷增加，室内向下运动的气流将会加强，从而改变置换通风系统下低上高的温度分布模式，使室内温度分布更加均匀，降低垂直温差，能有效削弱由垂直温差带来的不舒适感，提高热舒适度。图2[24]所示为冷却顶板表面温度对室内垂直温度分布的影响。由图2可见：当仅有置换通风时，室内0.1 m处与1.1 m 处的垂直温差已超过3 ℃，当系统与冷却顶板系统结合后，垂直温差可下降到3 ℃以下，并且在一定温度范围内，冷却顶板表面温度越低，垂直温差越小。
图2 顶板表面温度对室内垂直温度分布的影响[26]
Fig.2 Impact of coiling surface temperature on distribution of indoor vertical temperature
目前，置换通风与冷却顶板系统的设计都是基于脚踝和头部之间的垂直温差基础之上的。表3所示为国内外学者在不同的研究中得到的工作区垂直温度。
表3 工作区的垂直温度梯度(0.1~1.1 m)
Table 3 Vertical temperature gradient in the occupied zone (0.1~1.1m)
从表3可知：在CC/DV空调房间，在冷却顶板系统的冷辐射作用下，室内受热源加热的上升空气温度降低，房间下部空气由于置换通风的低温送风，这样，在2个系统相会结合的作用下室内温度趋于均匀，温度梯度降低。一般垂直温度梯度都不会超过3 ℃，根据ISO7730标准[9]、ASHRAE 55—2004标准[16]关于垂直温差上限值不能大于3 ℃的规定，可知采用CC/DV系统更容易满足人体的热舒适性要求。
2.3 吹风感
气流速度是另一个影响人体热舒适的重要因素。气流速度过大，会使人产生冷吹风感。吹风感也是空调房间中最让人抱怨感到不满的问题之一，Fanger将其定义为“气流对人体造成的不希望的局部的冷作用”[29]，它与空调房间气流的温度和平均风速相关。在一定的风速下，人体因温度的高低对风的感觉不同，在越低温的环境下越易使人体产生风感。另外，大量的研究表明[30-32]，吹风感的产生不仅与空调房间空气的温度及平均风速有关，而且与房间气流的紊流度有关，紊流度越大，人体的热舒适性越低，而置换通风系统气流流态主要以低紊流或层流为主，因此，能有效降低吹风感的风险。
由于CC/DV系统中冷空气直接进入工作区容易在膝与足2部位存在吹风感，要控制和消除吹风感威胁，需严格控制工作区的空气速度并减小湍流度，而置换通风系统是以低速在房间下部送风，其最大风速一般出现在地板附近，特别是0.1 m高度左右，出口风速为0.25 m/s左右，一般不大于0.3 m/s。在1.1 m处的风速为0.08 m/s左右，距地板0.5 m以上的高度方向其风速则低于0.08 m/s [33]。一般而言，只要保证分层高度在工作区以上，由于送风速度极小且送风紊流度低，即可保证在工作区大部分区域风速低于0.15 m/s[34]，而当室内主导气流速度低于0.2 m/s时，无论气流的方向如何都不会对人体产生吹风感。因此，与传统空调系统相比，该系统能更好地控制吹风感的产生，更容易营造舒适的室内环境。
2.4 平均辐射温度
辐射温度对人体热舒适有重要的影响作用[35]，辐射不对称性可能会引起局部热不舒适和降低环境的可接受度。当建筑内表面温度过度偏离室内空气温度时，仅仅通过对流系统很难消除由冷或热表面辐射引起的不舒适。因此，当室内辐射温度与空气温度温差很小时将有利于营造舒适的室内环境。研究表明[36]：通常采用CC/DV系统的房间，在复合空调系统足够冷辐射能力的作用下，房间内各个表面直接被冷却，因此，房间的辐射温度较低，使平均辐射温度接近空气温度，平均辐射温度稍低于或等于房间的空气温度，而且使室内温度均匀，避免辐射不对称性的产生。与传统的全空气系统相比，采用CC/DV系统所得到的平均辐射温度大约低2 ℃[26,28]，这种低辐射温度的环境往往能使人感到更舒适。因为它降低人体皮肤表面与室内环境之间的对流换热作用，有利于人体舒适性的提高；另一方面，在较低的平均辐射温度下，人的实感温度将比环境的空气温度低2~3 ℃[37]，夏季为得到同等的舒适条件，采用复合系统的房间，室内空气温度可比采用全空气系统的房间空气温度高 2~3 ℃，从而减少冷负荷，有利于节约能源。关于辐射温差对人体热舒适性的影响，Kumpmann等[19]测得在房间1.1 m高度处的房间辐射温差为5.3 ℃，而根据Fanger[38]的相关研究可知人体所能忍受的最大辐射温差可达14 ℃。Loveday等[39]在实验中得出：当冷却顶板的温度为12.5~22 ℃时，辐射温差为0~4 ℃。因此，认为使用CC/DV系统的房间，室内空气温度均匀，辐射温差对人体热舒适性的影响不大。
3 讨论
虽然从以上对送风温度、垂直温差、吹风感及平均辐射温度各指标的分析中，可知置换通风与冷却顶板复合空调系统较传统空调系统具有良好的舒适性特征，但单一的置换通风系统承担的负荷较小，送风速度较低，并会造成下冷上热的气流分布，容易造成吹风感，甚至在房间中出现较大垂直温差，形成脚凉头暖的现象，这对热体舒适性是非常不利的。为避免吹风感的产生和获得较低的垂直温差，必须充分考虑冷却顶板和置换通风系统的负荷分配比例问题，因为随着冷却顶板负荷增加，可以降低垂直温差，使室内温度趋于均匀，但若负荷增加过大，会产生较为强烈的下降气流，这将在一定程度上破坏置换通风的气流流态，甚至使置换通风流态与混合通风流态相类似，进而存在吹风感，并且降低室内空气质量；另一方面随着冷负荷的增加，导致辐射顶板温度可以会降低到室内空气露点温度以下，造成顶板结露的威胁。在此情况下，CC/DV系统不但不能满足人体热舒适性的要求，而且会降低室内工作区的空气品质。因此，在针对CC/DV系统的具体应用场合应充分考虑空调区域总冷负荷、空间体积、空间高度以及冷却顶板布置位置等参数，合理分配冷负荷比例。
4 结论
(1) CC/DV复合空调系统有效地结合冷却顶板更好的热舒适性优点和置换通风更好的空气质量的优点，而且与传统空调系统相比，CC/DV系统的节能效果显著，并更具经济性。
(2) 可以预见，随着国家大力倡导节能减排，CC/DV复合空调系统将因其高舒适性和节能效果以及在室内空气品质方面的优越性，必将在我国有着广阔的应用前景。
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(编辑 邓履翔)
收稿日期：2011-06-05；修回日期：2011-08-02
基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(50838009)
通信作者：李楠(1976-)，男，重庆人，博士，副教授，从事建筑节能与建筑环境的研究；电话：13658378086；E-mail：nanlicqu@yahoo.com.cn
