低温送风系统若干问题的浅析

　　摘要： 低温送风空调系统能够大量的节省能耗，提高室内空气品质，其优点已经得到很多工程设计人员及业主的认同。但是，这种系统也存在一些影响其应用的难题，其中关键的一点是：对低温送风系统的射流分离点的控制比较困难。本文从五个方面对低温送风系统的射流分离距离进行分析和讨论：（1）由于送风温度的降低，容易导致送风射流提前分离下降到工作区，从而造成室内人员的吹冷风感。（2）由于送风射流的提前分离，会造成室内一部分区域形成空气滞止区。（3）在部分负荷情况下，低温送风系统的射流分离距离的研究更加具有工程意义。（4）房间空间结构对低温送风系统的分离距离的影响。（5）在空调供热工况下，低温送风系统的分离距离的研究。
　　关键词： 低温送风 射流分离 节能 室内环境
　　1 低温送风系统射流分离点的简介
　　1.1 低温送风系统的特点及其射流分离的特性低温送风系统就是随着冰蓄冷系统的发展而兴起的。它可以充分利用冰蓄冷系统直接供应的1～4℃的低温冷媒水，从而在不增加制取低温冷媒水费用的前提下，降低送风温度提高送风温差。并且带来一系列的优点：Ⅰ.送风量减少节省送风系统的风机能耗；Ⅱ.减少送风设备（如风管、散流器、空气处理机组、风机等设备）的初投资和安装费用，以及所需的安装空间，从而有可能降低楼层高度；Ⅲ.提高冷媒水的除湿能力，从而提高了室内舒适性。低温送风系统可以节约能源，改善室内环境，这些优点已经在实践中证实。但是，这种系统也存在一些影响其应用的难题，其中关键的一点是：由于低温送风系统的送风温差增大，射流分离点的控制比较困难，从而有可能会恶化室内环境。
　　1.2 目前的研究现状在1988年，Dorgan C E， Elleson J S.[2]就提出了：低温送风系统的低温射流容易下降到工作区，从而造成室内人员的吹冷风感，降低了室内的环境质量。在应用低温送风系统刚开始时，常采用带风机的混合箱末端设备。但是，采用这种方法，有研究表明[3]：这种空气分布末端设备的小功率风机消耗大量的能耗，甚至有可能超过所节约的风机能耗，而且小风机的噪声比较大，降低室内环境质量，所以这种方法不是一种理想的节能方法。
　　随后，有许多研究者对低温送风系统的散流器进行了研究，并设计了一些专用的散流器，如：旋流型散流器[4]、喷嘴型散流器[5]以及中国西南交通大学设计的“风车－风扇”式旋流型散流器[6].通过这些散流器可以提高送风射流与室内空气的混合，从而降低射流提早下降到工作区的可能性。本文将从五个方面对低温送风系统进行分析和讨论：
　　2 射流下降引起吹风感
　　2.1 吹风感的定义“吹风感”的概念是用来评价室内空气速度和温度对人体舒适性的一个指标。其定义是：在空气湿度和热辐射一定的情况下，由于空气流动和温度引起的局部冷、热感[10].其评价方法是：有效吹风温度法。
　　2.2 射流下降对舒适性的影响对于制冷工况，送风射流下降到工作区，会产生两个方面的影响。一方面，在射流下降的区域会造成空气流速比较大并且温度也比较低，从而会造成室内人员的吹冷风感。另一方面，由于射流提前下降，造成室内存在空调风不能到达的区域。在该区域里，空气流速比较低而且温度比较高，从而造成室内人员比较热，降低室内热舒适性。
　　在低温送风系统射流下降的可能性更大，而且影响也更加严重。由于送风温度低，会对低温送风系统造成两个负面影响。其一，送风温差增大，导致射流的浮力的影响增大，从而使射流提前下降的可能性增大。其二，送风流量减少，低温送风系统的气流组织设计的难度加大。如果送风系统没有进行良好设计的话，很可能会导致室内温度分布的不均匀，降低了室内的热舒适性。
　　对于低温送风系统的气流组织的几点建议：（1）宜采用具有送风射流不易下降的圆形散流器，但需注意这种射流的射程比较短。（2）为了使室内的温度分布比较均匀，需要采用数量更多，尺寸较小的散流器来分布较小流量的空调风。（3）采用扩散性能比较好的散流器，使低温射流快速与室内空气混合，从而降低射流下降的可能性，提高室内温度分布的均匀性。（4）射流的紊度也是产生吹冷风感的一个原因，不要轻信高紊流度的射流会使低温射流能与室内空气混合较快提高室内的热舒适性。所以在应用高紊流度的散流器，需要考虑射流的紊流度，以免造成的负面效应。
　　3 射流分离距离对滞止区的影响3.1 滞止区的位置滞止区的位置与送风方式以及送风末端设备有关，也与空调工况有关。本文主要讨论低温送风系统的气流组织。一般地，低温送风系统采用顶部送风方式，这样的话，低温射流可以通过与房间上部非工作区的空气进行有效混合，从而降低室内人员的吹冷风感的可能性。对于制冷工况下，由于自然对流的原因，室内空气会从上往下形成一个速度大约为0.1m/s的滞止区域。对于供热工况下，同样的原因，室内空气会形成一个从下往上的滞止区。为了便于理解，这里给出顶部送风的圆形散流器和高侧墙散流器分别在供冷和供热工况下的滞止区域分布图[10]，见图1.从图1可以看出：在供冷工况下，滞止区域比较小而且分布在房间的上部，对室内环境的影响较小。在供热工况下，滞止区域在房间的下部，而且比供冷工况的要大，当采用圆形散流器时，更为明显。
　　3.2 滞止区对室内环境的影响滞止区域的特点是空气流动缓慢，不同速度呈分层状态。但这并不表示空气品质不好。只要室内的其他舒适性参数满足要求的话，舒适性标准并没有室内最小流速的限制。但是，在实际工程当中，当空气流速比较低的情况下，很难维持室内的温度分布均匀，以及保证室内的污染物有效的排出。所以，虽然滞止区域对室内环境没有直接的影响，但是在设计过程中还是应尽可能的减少滞止区域。
　　3.3 射流分离距离对滞止区的影响及其建议从顶部风口送冷风的示意图（图1）可以看出，在受热墙壁一侧，上升的自然对流阻碍了整个射流的运动，因此，射流在到达该墙壁之前就开始下降。另一方面，整个射流到达内墙后会沿墙壁下降一段距离。采用这种送风口，能够使室内滞止空气量降低并且室内空气的温差减少，适合于低温送风系统。
　　图1：圆形散流器和高侧墙散流器的顶部送风系统的滞止区域分布图4 VAV系统中射流分离距离的分析空调设计负荷是按照最不利情况得出的，在实际工程当中大部分时间空调负荷都低于空调设计负荷。为了进一步的节约能源，通常空调系统采用变风量系统（VAV）以满足低负荷要求。在低温送风系统中应用VAV系统，由于流量的减少以及温差的增大会产生一些新的问题。在变风量系统中，存在一个最小风量，该风量是根据室内环境最小通风量确定的。在低温送风系统中，这个风量是影响室内环境最恶劣的情况。如果调节散流器的风口不能满足舒适性要求的话，需要提高送风温度。VAV系统，在最小送风量下运行是最容易产生不舒适感的情况。所以工程师和设计人员需要对此时的射流分离距离进行仔细设计和考虑。
　　4.1 送风量以及送风速度对射流分离距离的影响散流器的开口面积不变时，如果送风量减少，那么送风速度也相应减少。此时，Ar数会增大，浮升力对射流的影响增大，射流下降的可能性增大。Kirkpoatrick和Hassani从理论上已经研究表明[6]：当其他条件不变的情况下，只要送风射流的动量相同的话，射流产生的室内热舒适性相同。所以可以通过调节散流器的开口面积来避免这个问题。但是，送风速度又必须满足室内环境的噪声要求，以及散流器的压降要求。当散流器的压降过大，不但会增加能耗，而且噪声会增大。
　　需要强调的几点是：（1）对于送风温差一定，送风量对射流分离距离的影响比速度对其的影响要大。因此，为了避免射流降落，房间内采用几个较小的送风口比单独用一个大风口要好得多。（2）偏转角度大的送风口也会引起顶棚效应，这一效应将会增加射程，减小射流降落值。但是，需要注意，这样的话，要保证吊顶的卫生状况，以避免送风射流受到吊顶的污染。
　　5 房间空间结构对射流分离距离的影响房间的几何尺寸和空间结构都会影响室内的气流组织分布。当房间的几何尺寸比较小，会使送风射流变成受限射流。一般舒适性空调中，送风射流基本上都具有受限射流特性。当射流为受限射流时，射流的射程受到回流的截面尺寸和空间长度的影响。另外，当射流沿着墙体或者吊顶壁面送出的话，会形成贴附射流。其次，房间的梁对射流的影响也非常大。如果气流组织设计不合理的话，梁对射流会起阻碍作用，同时，也会使室内滞止区域增加，影响室内环境。
　　5.1 贴附射流的特点及其对射流分离距离的影响假如射流沿着表面或者离表面几厘米平行射出时，射流会具有贴附表面的特性。而影响射流的因素就称之为射流的“Coanda”效应。这种效应使得在射流贴附表面会形成一个低压区，导致房间气压较高的空气使得送风射流贴附在表面上，所以射流难得下降，射流分离距离增大。一般的原则是：贴附射流的分离距离是自由射流的分离距离的 倍。
　　5.2 天花板的梁以及室内障碍物对射流的影响在房梁裸露的空间内，梁和室内障碍物有可能会改变送风射流的流型，影响室内气流组织，降低室内舒适性。送风口应该布设在最低房梁的底部，其高度应该低到足以采用向上或弧形的射流路径。送风口与梁的位置是梁对射流的影响的决定因素。当梁离送风口的距离超过一个极限值时，可以认为梁对射流没有影响。否则，射流将会与梁碰撞，并且改变了射流的方向，有可能导致射流提前下降，使室内温度分布不均匀。
　　6 供热工况时射流的分离距离随着人们生活质量的提高，室内热源不断增加。空调在供热工况运行的时间也越来越少。在有些大楼的内部区域需要常年制冷，仅在周边区域需要供热，而且热负荷比较低。造成供热工况下，空调系统运行比较难以控制。空调在供热工况下运行，会产生两个方面的问题。其一：热负荷较低，送风量减少，气流组织设计比较困难。其二：受浮力的影响，热射流有上升的趋势，从而造成室内温度分层现象。根据ASHRAE标准，工作区的垂直温差不宜超过3K.解决方案建议：在制冷工况下，低温送风系统中，由于送风温差大，流量也比较小。如果制冷工况满足的话，那么供热工况也比较容易满足舒适性要求。从这个角度来讲，低温送风系统对于供热工况还有优势。但是，根据ASHRAE手册可知：供热送风温差不宜超过15℃，以免造成室内的温度分布不均匀，影响室内的舒适性。
　　对于热风上浮的问题，可以采用调整散流器的导叶片，使得送风射流朝工作区方向送出。另外，也可以调整散流器的送风面积，提高送风速度，以减少浮升力对射流的影响。目前制造厂商已经生产出了这类产品。可以到制造厂商的产品目录获得相关信息。
　　7 经过对低温送风系统的若干问题进行分析与讨论，得出如下一些结论与建议对于低温送风系统的送风口选择的几点建议：（1）空气末端设备采用较小型号的散流器对室内环境有利。（2）采用扩散性能比较好的散流器。（3）射流的紊度也是产生吹冷风感的一个原因，需注意：紊流对射流分离具有两面性作用。
　　虽然滞止区域对室内环境没有直接的影响，但是在设计过程中还是应尽可能的减少滞止区域。
　　热源对射流分离距离至少有两个方面的影响。当热源较近时会使容易射流下降到工作区。当热源较远时，射流比较难得下降到工作区，从而影响室内温度分布的均匀性。
　　偏转角度大的送风口也会引起顶棚效应，并可以减小射流下降到工作区的可能性。但是，需要注意要防止送风射流受到吊顶的污染。
　　对于热风上浮的问题，可以采用调整散流器的导叶片，使得送风射流直接往工作区方向送出。另外，也可以调整散流器的送风面积，使得送风速度提高，以减少浮升力对射流的影响。
　　在吊顶有梁和室内障碍物进行气流组织设计时，需考虑：他们有可能阻碍射流的扩散，导致射流提前下降到工作区，并在室内形成较大的空气滞止区域。