改善室內(nèi)空氣環(huán)境的調(diào)節(jié)策略

改善室內(nèi)空氣環(huán)境的調(diào)節(jié)策略  

1 挑戰(zhàn)背景

　　室內(nèi)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，則將清潔度換成表面平均輻射溫度，且稱其為熱環(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，所以通用兩個術語。
　　熱環(huán)境各因素對人體的影響研究已經(jīng)經(jīng)歷了大半個世紀，并根據(jù)美國堪薩斯州立大學等長期研究的結果，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(jù)丹麥工業(yè)大學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(wěn)態(tài)熱環(huán)境為條件，以人體的主觀熱感覺處于中性，風速不大于0.15m/s，相對濕度為50%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(jù)。
　　長期實踐結果表明，人工維持的中性熱舒適環(huán)境，即保持室內(nèi)工作區(qū)空氣溫度、相對濕度及風速長期穩(wěn)定的技術策略是不完善的。這主要表現(xiàn)在：人體長期處于性熱舒適的穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境內(nèi)會產(chǎn)生"空調(diào)適應不全癥"。即空調(diào)系統(tǒng)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，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(nèi)外存在較大的"熱沖擊"，使人易患感冒或中暑。一些調(diào)查表明，使用空調(diào)越多，人們的抱怨也越多。
　　此外，在大型和高層建筑物內(nèi)，大量合成材料的使用，采用密封性良好的門窗等建筑構件，以及為了節(jié)能盡可能減小新風量等措施，使室內(nèi)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(nèi)空氣品質(zhì)惡化，導致一些建筑物成為"病態(tài)建筑"（Sick Building）。人生活在此種建筑物內(nèi)，會表現(xiàn)出呼吸道系統(tǒng)和眼受刺激，困倦、乏力、胸悶、精神恍惚、過敏等癥狀，世界衛(wèi)生組織已將此類癥狀稱為"病態(tài)建筑綜合癥"（Sick Building Syndrome）。尤其值得指出的是，設計和管理不善的空調(diào)系統(tǒng)（空氣處理設備中大量水體的存在、空氣過濾裝置失效和管理不善等）也是造成病態(tài)建筑的一個重要因素。還有由空調(diào)系統(tǒng)傳播的疾病，如軍團病等，亦不可小視。
　　由上述可見，對空氣調(diào)節(jié)的挑戰(zhàn)已不僅限于維持何種熱環(huán)境參數(shù)、采用何種工作模式及如何節(jié)省能量消費的問題，而是擴大到空氣調(diào)節(jié)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）這一方面究竟能起什么作用。
　　面對空氣調(diào)節(jié)所帶來的一些負面效應，有人提出研究如何避免和最低限度使用空調(diào)的問題。在世界范圍內(nèi)，數(shù)以百萬計的病態(tài)建筑使室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究成為熱點。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(diào)技術的進展

　　在上述背景下，近年來空調(diào)技術取得了一些新進展。首先是在歐洲一些國家傳統(tǒng)的"上送下回"氣流分布方式被"置換式"（Displacement）所取代。一種新型徑向送風的"矢流式"送風口也應運而生。這種氣流分布方式使送入房間的空氣首先進入工作區(qū)，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(qū)空氣的新鮮度還是在節(jié)能方面均有明顯的優(yōu)點。但是，這種送風方式要求較高的送風溫度，送風溫差不宜過大，因而送風量較大。在"下送上回"這一有效送風方式的基礎上，進一步發(fā)展成送風系統(tǒng)只送新風的方式，在工作區(qū)下部形成一個新風帶。由于人體表面溫度較高，周圍空氣經(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(qū)，因而人體周周的空氣品質(zhì)是好的。與些同時，由于溫度分層，房間頂部溫度較高，所以在天花板設置一盤管式吸熱面（Cooled-ceiling）來傳遞大約70%的房間熱負荷（最大負荷時），而其負荷則由送入房間的空氣經(jīng)采用上部排風排至室外。進入冷卻天花板盤管的水溫一般高于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(qū)減少人工制冷的負荷和能量消耗。
　　與此同時，在另一些國家（如德、美、英、日、南非等）則興起一種"工位調(diào)節(jié)"（Task-conditioning）。這種調(diào)節(jié)方式的主要特點在于就地設置送風的末端裝置，強調(diào)個人舒適要求的可實現(xiàn)性。伴隨辦公建筑內(nèi)現(xiàn)代辦公用具的發(fā)展，架空地板已成為方便布線形成網(wǎng)絡的一種必要條件。而架空地板的下部則為空調(diào)送風系統(tǒng)提供了一個良好的分配空間，也為每一個工位設置送風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(diào)系統(tǒng)保持多數(shù)人可以接受的室內(nèi)空氣參數(shù)，而對于個人舒適要求則通過送風末端（地板上設置的帶風扇或不帶風扇的風向可調(diào)的風口、柱式送風裝置等）來予以滿足。
　　類似于工位調(diào)節(jié)，對坐椅送風方式也有不少的研究成果。尤其是椅下低速送風方式的研究值得關注。采用下送風方式，成其是地板風口送風，人們普遍關心的問題是二次揚塵。在這方面所做的實測研究結論并不一致。在有的建筑物內(nèi)，采用下送風的室內(nèi)空氣含塵濃度反而比上送下回方式低。這說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(diào)節(jié)的末端裝置送風動態(tài)化。目前日本已開發(fā)出頂置式動態(tài)送風口（條縫式和方形風口），認為這是辦公建筑空調(diào)的新發(fā)展，并將這種空調(diào)方式稱為"刺激空調(diào)"。同樣，在工位調(diào)節(jié)的送風末端裝置上加裝可動導葉已有實驗研究成果。眾所周知，在一定溫濕度條件下的風作用具有增強人體散熱、降低等感溫度的效果。因此，利用動態(tài)送風可不同程度地提高工作區(qū)的空氣溫度，這無疑會有一定的節(jié)能意義。一些國家對利用自然通風夜間冷卻，尤其是對歷史性建筑物和傳統(tǒng)民居在空氣環(huán)境調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)將整個房間作用調(diào)節(jié)對象，而將經(jīng)過處理的空氣直接送入人所在的區(qū)域，甚至送到人所在的工位，提高送風的有效性；二是由主要關心空氣的溫濕度調(diào)節(jié)、保證人體的熱舒適向全面關心空氣品質(zhì)、提供保證人體健康舒適的空氣環(huán)境的轉化；三是由穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)模式向動態(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 動態(tài)空氣環(huán)境的調(diào)節(jié)策略

　　所謂動態(tài)空氣環(huán)境是指空調(diào)系統(tǒng)所維持的某個空氣環(huán)境參數(shù)或某幾個環(huán)境參數(shù)的組合不是穩(wěn)定不變的，而是隨時間變化的。通過對空氣環(huán)境和熱環(huán)境各參數(shù)的分析可知，空氣溫度和空氣流速是易變的，且易于控制。為了探索人體在動態(tài)環(huán)境條件下的適應性，我們以大學生為受試對象，在實驗室內(nèi)進行了動態(tài)熱環(huán)境的人體熱反應（生理的和心理的）及人體熱反應的動態(tài)調(diào)節(jié)兩方面的實驗研究，以期回答下列問題：
在動態(tài)空氣環(huán)境下人體熱反應的特點；
人體可以接受的環(huán)境參數(shù)變化范圍；
動態(tài)空氣環(huán)境的調(diào)節(jié)策略。
　　動態(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、遞變和波動三種情況。尤以空氣溫度突變具有典型性。在人體的活動強度為靜坐，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，人體熱感覺呈現(xiàn)逐漸升高直到穩(wěn)定的過程。然而，當由較高溫度的熱環(huán)境突變至中性熱環(huán)境時，人體熱感覺則呈現(xiàn)迅速降低，而且會超過中性熱反應（見圖1），出現(xiàn)"熱感超越"的現(xiàn)象。對這一現(xiàn)象，目前從生理學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(shù)）的緣故。人體熱瓜的這一特點雖然在變化率較小的溫度遞變和周期較長的溫度波動熱環(huán)境中表現(xiàn)并不明顯，但在較短周期溫度波動和周期性風作用時卻有不可忽視的作用。如在周期性溫度波動時，對應各時刻的空氣溫度下人體預測的穩(wěn)態(tài)平均熱感覺和實際平均熱感覺（采用ASHRAE的7級熱感覺指標）之間存在一定的差別，即



式中：PMV（τ）--τ時刻預測穩(wěn)態(tài)熱感覺投票值；
TSV（τ）--τ時刻實際熱感覺投票值，或稱動態(tài)熱感覺。


圖1 溫度突變情況下人體熱反應(Iclo)=0.6clo

　　在熱環(huán)境單參數(shù)變化條件下，通過實驗發(fā)現(xiàn)：當空氣溫度的變化范圍為28～31℃（相對濕度≤70%），升溫和降溫的時間比為10:5,10:7,10:9和10:13時，人體瞬時熱感覺值一般≤+1.0（見圖2）。只在溫度達到31℃峰值后，有時熱感覺達到或略超過1.0。△TSV一般為0.25～0.45。可見在溫度波動條件下，人體的實際熱感覺按時間平均有所降低。這也說明實現(xiàn)環(huán)境溫度的動態(tài)化會帶來一定的"熱環(huán)境效益"。同時可見，3℃的空氣溫度變化，人體是可以接受的，而不會出現(xiàn)不適的反應。


圖2 溫度波動時的人體熱反應（升溫降溫時間比10:7;Iclo=0.6clo）

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


圖3 動態(tài)風作用下的人體熱感覺

　　基于以上研究結果，在炎熱季節(jié)建筑物內(nèi)具備空氣冷卻設備并能實現(xiàn)掃描式吹風時，其調(diào)節(jié)模式可用動態(tài)熱環(huán)境評價指標DTSV，即在動態(tài)溫度和風速條件下按時間平均的人體熱感覺來進行判斷。當DTSV（在室內(nèi)無掃描式吹風時即為PMV）<+1.0時，應滿足通風要求且均勻送風，而當0.5<DTSV<1.0時，則只用掃描式吹風模式，當DTSV≥+1.0時，則需開動空氣冷卻設備加掃描式吹風，直到DTSV≤+0.5時，停止空氣冷卻，只用掃描式吹風。當然，這種調(diào)節(jié)模式可以是按個人舒適要求來判斷和調(diào)節(jié)，也需要開發(fā)簡易的DTSV傳感器，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。
　　綜上所述，研制下送風并具有掃描式吹風的空氣調(diào)節(jié)末端裝置是實現(xiàn)空氣環(huán)境動態(tài)調(diào)節(jié)不可缺少的硬件。同時也需要開發(fā)新的空氣環(huán)境評價軟件。顯然，適當提高室內(nèi)空氣溫度，擴大室內(nèi)參數(shù)控制區(qū)的范圍，不僅可減少空氣冷卻設備的負荷和縮短其運行時間，并可延長利用室外新風實現(xiàn)自然冷卻的時間，因而有利于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)及顯著地節(jié)約能耗。同時，空氣溫度的適當波動和間歇吹風的刺激，也有利于人體健康。

4 主要參考文獻

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3 Zhao Rongyi, Strategies for improving the thermal environment. Proceedings of 2nd International Conference, Indoor air quality in Asia, Beijing, 1994.

作者簡介

* 趙榮義100084 北京市海淀區(qū)清華大學
(010) 62782746