改善室內空氣環(huán)境的調節策略

改善室內空氣環(huán)境的調節策略

　　提要論述了在室內空氣環(huán)境調節技術(shù)方面所面臨的挑戰，近年來(lái)空調領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展動(dòng)向，并在環(huán)境參數動(dòng)態(tài)化研究基礎上，提出改善室內空氣環(huán)境的調節策略。

　　關(guān)鍵詞室內空氣環(huán)境熱舒適空氣品質(zhì)

　　AbstractDescribesthechallengestothetechnicalfieldofindoorairenvironmentcontrol,developmentandthetrendinairconditioningtechnologyinrecentyears,andpresentscontrolstrategiesofindoorairenvironmentimprovement.

　　Keywordsindoorairenvironment,thermalcomfort,airquality

　　--------------------------------------------------------------------------------

　　1挑戰背景

　　室內空氣環(huán)境按其原有的意義應為空氣溫度、濕度、流速及清潔度四種因素的綜合。但在研究人體熱舒適時(shí)，則將清潔度換成表面平均輻射溫度，且稱(chēng)其為熱環(huán)境。顯然，空氣環(huán)境和熱環(huán)境有其共同性，而又有差異。本文主要涉及其共性，所以通用兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。

　　熱環(huán)境各因素對人體的影響研究已經(jīng)經(jīng)歷了大半個(gè)世紀，并根據美國堪薩斯州立大學(xué)等長(cháng)期研究的結果，產(chǎn)生了ASHRAE55-74標準，即《人們居住的熱舒適條件》及后來(lái)的ASHRAE55-81標準《人們居住的熱環(huán)境條件》。國際標準人組織（ISO）根據丹麥工業(yè)大學(xué)P.O.Fanger教授的研究成果于1984年制定了ISO-7730標準，即《適中的熱環(huán)境--PMV與PPD指標的確定及熱舒適條件的確定》上述研究成果及相應標準都是以穩態(tài)熱環(huán)境為條件，以人體的主觀(guān)熱感覺(jué)處于中性，風(fēng)速不大于0.15m/s，相對濕度為A為最舒適的熱環(huán)境。顯然，這是形成舒適性熱環(huán)境設計的依據。

　　長(cháng)期實(shí)踐結果表明，人工維持的中性熱舒適環(huán)境，即保持室內工作區空氣溫度、相對濕度及風(fēng)速長(cháng)期穩定的技術(shù)策略是不完善的。這主要表現在：人體長(cháng)期處于性熱舒適的穩態(tài)熱環(huán)境內會(huì )產(chǎn)生"空調適應不全癥"。即空調系統維持的相對"低溫"環(huán)境使皮膚汗腺和皮脂腺收縮，腺口閉塞，導致血流不暢，發(fā)生神經(jīng)功能紊亂等癥狀候群。同時(shí)，由于缺少適當刺激，人體的適應能力下降，抵御疾病的能力降低，或者由于室內外存在較大的"熱沖擊"，使人易患感冒或中暑。一些調查表明，使用空調越多，人們的抱怨也越多。

　　此外，在大型和高層建筑物內，大量合成材料的使用，采用密封性良好的門(mén)窗等建筑構件，以及為了節能盡可能減小新風(fēng)量等措施，使室內產(chǎn)生的多種有機氣體及由人體產(chǎn)生的生物性污染物等得不到合理的稀釋和置換。因此，室內空氣品質(zhì)惡化，導致一些建筑物成為"病態(tài)建筑"（SickBuilding）。人生活在此種建筑物內，會(huì )表現出呼吸道系統和眼受刺激，困倦、乏力、胸悶、精神恍惚、過(guò)敏等癥狀，世界衛生組織已將此類(lèi)癥狀稱(chēng)為"病態(tài)建筑綜合癥"（SickBuildingSyndrome）。尤其值得指出的是，設計和管理不善的空調系統（空氣處理設備中大量水體的存在、空氣過(guò)濾裝置失效和管理不善等）也是造成病態(tài)建筑的一個(gè)重要因素。還有由空調系統傳播的疾病，如軍團病等，亦不可小視。

　　由上述可見(jiàn)，對空氣調節的挑戰已不僅限于維持何種熱環(huán)境參數、采用何種工作模式及如何節省能量消費的問(wèn)題，而是擴大到空氣調節在維持空氣環(huán)境的"清潔度"（如果把空氣品質(zhì)與清潔度聯(lián)系起來(lái)）這一方面究竟能起什么作用。

　　面對空氣調節所帶來(lái)的一些負面效應，有人提出研究如何避免和最低限度使用空調的問(wèn)題。在世界范圍內，數以百萬(wàn)計的病態(tài)建筑使室內空氣品質(zhì)的研究成為熱點(diǎn)。以此為背景，在盡量減少能耗和環(huán)境污染的條件下，提供健康、舒適、可承受的居住和工作環(huán)境就理所當然地成為人們追求的目標。

　　2空調技術(shù)的進(jìn)展

　　在上述背景下，近年來(lái)空調技術(shù)取得了一些新進(jìn)展。首先是在歐洲一些國家傳統的"上送下回"氣流分布方式被"置換式"（Displacement）所取代。一種新型徑向送風(fēng)的"矢流式"送風(fēng)口也應運而生。這種氣流分布方式使送入房間的空氣首先進(jìn)入工作區，在房間的豎向形成一定的溫度梯度。這樣，不論在保證工作區空氣的新鮮度還是在節能方面均有明顯的優(yōu)點(diǎn)。但是，這種送風(fēng)方式要求較高的送風(fēng)溫度，送風(fēng)溫差不宜過(guò)大，因而送風(fēng)量較大。在"下送上回"這一有效送風(fēng)方式的基礎上，進(jìn)一步發(fā)展成送風(fēng)系統只送新風(fēng)的方式，在工作區下部形成一個(gè)新風(fēng)帶。由于人體表面溫度較高，周?chē)諝饨?jīng)人體加熱后，可形成一上升對流氣流，下部的新鮮空氣則流經(jīng)人的呼吸區，因而人體周周的空氣品質(zhì)是好的。與些同時(shí)，由于溫度分層，房間頂部溫度較高，所以在天花板設置一盤(pán)管式吸熱面（Cooled-ceiling）來(lái)傳遞大約70%的房間熱負荷（最大負荷時(shí)），而其負荷則由送入房間的空氣經(jīng)采用上部排風(fēng)排至室外。進(jìn)入冷卻天花板盤(pán)管的水溫一般高于20℃，以防結露。這樣就可在一些可能提供較低溫度天然水源的地區減少人工制冷的負荷和能量消耗。

　　與些同時(shí)，在另一些國家（如德、美、英、日、南非等）則興起一種"工位調節"（Task-conditioning）。這種調節方式的主要特點(diǎn)在于就地設置送風(fēng)的末端裝置，強調個(gè)人舒適要求的可實(shí)現性。伴隨辦公建筑內現代辦公用具的發(fā)展，架空地板已成為方便布線(xiàn)形成網(wǎng)絡(luò )的一種必要條件。而架空地板的下部則為空調送風(fēng)系統提供了一個(gè)良好的分配空間，也為每一個(gè)工位設置送風(fēng)末端裝置提供了條件。為避免辦公室的"恒溫器之爭"，集中空調系統保持多數人可以接受的室內空氣參數，而對于個(gè)人舒適要求則通過(guò)送風(fēng)末端（地板上設置的帶風(fēng)扇或不帶風(fēng)扇的風(fēng)向可調的風(fēng)口、柱式送風(fēng)裝置等）來(lái)予以滿(mǎn)足。

　　類(lèi)似于工位調節，對坐椅送風(fēng)方式也有不少的研究成果。尤其是椅下低速送風(fēng)方式的研究值得關(guān)注。

　　采用下送風(fēng)方式，成其是地板風(fēng)口送風(fēng)，人們普遍關(guān)心的問(wèn)題是二次揚塵。在這方面所做的實(shí)測研究結論并不一致。在有的建筑物內，采用下送風(fēng)的室內空氣含塵濃度反而比上送下回方式低。這說(shuō)明房間使用的表面材料和維護潔凈的水平也不能忽視。

　　另一方面的發(fā)展則在于使工位調節的末端裝置送風(fēng)動(dòng)態(tài)化。目前日本已開(kāi)發(fā)出頂置式動(dòng)態(tài)送風(fēng)口（條縫式和方形風(fēng)口），認為這是辦公建筑空調的新發(fā)展，并將這種空調方式稱(chēng)為"刺激空調"。同樣，在工位調節的送風(fēng)末端裝置上加裝可動(dòng)導葉已有實(shí)驗研究成果。眾所周知，在一定溫濕度條件下的風(fēng)作用具有增強人體散熱、降低等感溫度的效果。因此，利用動(dòng)態(tài)送風(fēng)可不同程度地提高工作區的空氣溫度，這無(wú)疑會(huì )有一定的節能意義。

　　一些國家對利用自然通風(fēng)夜間冷卻，尤其是對歷史性建筑物和傳統民居在空氣環(huán)境調節方面的經(jīng)驗總結，也值得我國重視。

　　總之，我們認為當前舒適性空氣調節的發(fā)展歸納為三種趨勢：一是由全面向局部的轉化，即改變經(jīng)典空調將整個(gè)房間作用調節對象，而將經(jīng)過(guò)處理的空氣直接送入人所在的區域，甚至送到人所在的工位，提高送風(fēng)的有效性；二是由主要關(guān)心空氣的溫濕度調節、保證人體的熱舒適向全面關(guān)心空氣品質(zhì)、提供保證人體健康舒適的空氣環(huán)境的轉化；三是由穩態(tài)的調節模式向動(dòng)態(tài)模式的轉化。顯然，這些趨勢與前述的目標是一致的，即減少能耗和環(huán)境污染，提供健康、舒適和可承受的居住和工作環(huán)境。

　　3動(dòng)態(tài)空氣環(huán)境的調節策略

　　所謂動(dòng)態(tài)空氣環(huán)境是指空調系統所維持的某個(gè)空氣環(huán)境參數或某幾個(gè)環(huán)境參數的組合不是穩定不變的，而是隨時(shí)間變化的。通過(guò)對空氣環(huán)境和熱環(huán)境各參數的分析可知，空氣溫度和空氣流速是易變的，且易于控制。為了探索人體在動(dòng)態(tài)環(huán)境條件下的適應性，我們以大學(xué)生為受試對象，在實(shí)驗室內進(jìn)行了動(dòng)態(tài)熱環(huán)境的人體熱反應（生理的和心理的）及人體熱反應的動(dòng)態(tài)調節兩方面的實(shí)驗研究，以期回答下列問(wèn)題：

　　在動(dòng)態(tài)空氣環(huán)境下人體熱反應的特點(diǎn)；

　　人體可以接受的環(huán)境參數變化范圍；

　　動(dòng)態(tài)空氣環(huán)境的調節策略。

　　動(dòng)態(tài)空氣環(huán)境下人體的熱反應研究包括空氣溫度發(fā)生突變、遞變和波動(dòng)三種情況。尤以空氣溫度突變具有典型性。在人體的活動(dòng)強度為靜坐，衣服熱阻為0.5～0.6clo，由中性熱環(huán)境（25℃）突變到30℃、35℃等溫度較高的熱環(huán)境時(shí)，人體熱感覺(jué)呈現逐漸升高直到穩定的過(guò)程。然而，當由較高溫度的熱環(huán)境突變至中性熱環(huán)境時(shí)，人體熱感覺(jué)則呈現迅速降低，而且會(huì )超過(guò)中性熱反應，出現"熱感超越"的現象。對這一現象，目前從生理學(xué)上尚只能解釋為人體皮膚表面的冷感受器遠比熱感受器分布密度高（一般為4～10倍數）的緣故。人體熱瓜的這一特點(diǎn)雖然在變化率較小的溫度遞變和周期較長(cháng)的溫度波動(dòng)熱環(huán)境中表現并不明顯，但在較短周期溫度波動(dòng)和周期性風(fēng)作用時(shí)卻有不可忽視的作用。如在周期性溫度波動(dòng)時(shí)，對應各時(shí)刻的空氣溫度下人體預測的穩態(tài)平均熱感覺(jué)和實(shí)際平均熱感覺(jué)（采用ASHRAE的7級熱感覺(jué)指標）之間存在一定的差別。

　　在熱環(huán)境單參數變化條件下，通過(guò)實(shí)驗發(fā)現：當空氣溫度的變化范圍為28～31℃（相對濕度≤70%），升溫和降溫的時(shí)間比為10:5,10:7,10:9和10:13時(shí)，人體瞬時(shí)熱感覺(jué)值一般≤+1.0。只在溫度達到31℃峰值后，有時(shí)熱感覺(jué)達到或略超過(guò)1.0?！鱐SV一般為0.25～0.45?？梢?jiàn)在溫度波動(dòng)條件下，人體的實(shí)際熱感覺(jué)按時(shí)間平均有所降低。這也說(shuō)明實(shí)現環(huán)境溫度的動(dòng)態(tài)化會(huì )帶來(lái)一定的"熱環(huán)境效益"。同時(shí)可見(jiàn)，3℃的空氣溫度變化，人體是可以接受的，而不會(huì )出現不適的反應。

　　對風(fēng)速動(dòng)態(tài)化的研究結果證明：掃描式的風(fēng)扇作用能克服穩態(tài)吹風(fēng)引起的人體不良反應。采用一定掃描時(shí)間和頻率的風(fēng)作用實(shí)質(zhì)上是一種自然風(fēng)作用的近似模擬。如前所述，適當提高空氣溫度加上利用掃描式的風(fēng)作用，同樣可以取得令人滿(mǎn)意的熱舒適效果。按風(fēng)速分析為0.4,0.7及1.0m/s，吹停時(shí)間之經(jīng)為1：1及3：3(min)所做的實(shí)驗表明，即使在空氣溫度為30℃，衣服熱阻為0.25clo時(shí)，掃描式吹風(fēng)的風(fēng)速大于0.4m/s即可使人體的平均熱感覺(jué)TSV≤+1.0。在空氣溫度為28℃，掃描送風(fēng)風(fēng)速同樣為0.4m/s，衣服熱阻為0.5clo時(shí)，熱感覺(jué)值則為+0.5～0.6。對比用穩態(tài)送風(fēng)時(shí)的熱感覺(jué)（+0.23）和無(wú)風(fēng)時(shí)的熱感覺(jué)（+0.8）可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)的風(fēng)作用是穩態(tài)風(fēng)作用的一種弱化。改變掃描式吹風(fēng)的吹停比即可改變風(fēng)作用對降低人體熱感覺(jué)的效果。因此，在一定的人體活動(dòng)強度和衣服熱阻條件下，已知掃描式吹風(fēng)的工況，即可確定在不同空氣溫度下掃描式吹風(fēng)對降低人體熱感覺(jué)的有效性。

　　基于以上研究結果，在炎熱季節建筑物內具備空氣冷卻設備并能實(shí)現掃描式吹風(fēng)時(shí)，其調節模式可用動(dòng)態(tài)熱環(huán)境評價(jià)指標DTSV，即在動(dòng)態(tài)溫度和風(fēng)速條件下按時(shí)間平均的人體熱感覺(jué)來(lái)進(jìn)行判斷。當DTSV（在室內無(wú)掃描式吹風(fēng)時(shí)即為PMV）<+1.0時(shí)，應滿(mǎn)足通風(fēng)要求且均勻送風(fēng)，而當0.5

　　綜上所述，研制下送風(fēng)并具有掃描式吹風(fēng)的空氣調節末端裝置是實(shí)現空氣環(huán)境動(dòng)態(tài)調節不可缺少的硬件。同時(shí)也需要開(kāi)發(fā)新的空氣環(huán)境評價(jià)軟件。顯然，適當提高室內空氣溫度，擴大室內參數控制區的范圍，不僅可減少空氣冷卻設備的負荷和縮短其運行時(shí)間，并可延長(cháng)利用室外新風(fēng)實(shí)現自然冷卻的時(shí)間，因而有利于改善室內空氣品質(zhì)及顯著(zhù)地節約能耗。同時(shí)，空氣溫度的適當波動(dòng)和間歇吹風(fēng)的刺激，也有利于人體健康。

　　4主要參考文獻

　　1APGaggeetal.Comfortandthermalsensationsandassociatephysiologicalresponsesatvariousambienttemperatures.Environmentalresearch.1967,1.

　　2FBauman.Task/ambientconditioningsystems:Engineeringapplicationguidelines.CEDR,UniversityofCalifornia,Berkeley,1995.

　　3ZhaoRongyi,Strategiesforimprovingthethermalenvironment.Proceedingsof2ndInternationalConference,IndoorairqualityinAsia,Beijing,1994.