改善室內(nèi)空氣環(huán)境的調(diào)節(jié)策略
提要論述了在室內(nèi)空氣環(huán)境調(diào)節(jié)技術(shù)方面所面臨的挑戰(zhàn)，近年來空調(diào)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展動(dòng)向，并在環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)化研究基礎(chǔ)上，提出改善室內(nèi)空氣環(huán)境的調(diào)節(jié)策略。
關(guān)鍵詞室內(nèi)空氣環(huán)境熱舒適空氣品質(zhì)
AbstractDescribesthechallengestothetechnicalfieldofindoorairenvironmentcontrol,developmentandthetrendinairconditioningtechnologyinrecentyears,andpresentscontrolstrategiesofindoorairenvironmentimprovement.
Keywordsindoorairenvironment,thermalcomfort,airquality
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1挑戰(zhàn)背景
室內(nèi)空氣環(huán)境按其原有的意義應(yīng)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。
熱環(huán)境各因素對(duì)人體的影響研究已經(jīng)經(jīng)歷了大半個(gè)世紀(jì)，并根據(jù)美國堪薩斯州立大學(xué)等長期研究的結(jié)果，產(chǎn)生了ASHRAE55-74標(biāo)準(zhǔn)，即《人們居住的熱舒適條件》及后來的ASHRAE55-81標(biāo)準(zhǔn)《人們居住的熱環(huán)境條件》。國際標(biāo)準(zhǔn)人組織（ISO）根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)，即《適中的熱環(huán)境--PMV與PPD指標(biāo)的確定及熱舒適條件的確定》上述研究成果及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)速不大于0.15m/s，相對(duì)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(shè)計(jì)的依據(jù)。
長期實(shí)踐結(jié)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(duì)濕度及風(fēng)速長期穩(wěn)定的技術(shù)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(huì)產(chǎn)生"空調(diào)適應(yīng)不全癥"。即空調(diào)系統(tǒng)維持的相對(duì)"低溫"環(huán)境使皮膚汗腺和皮脂腺收縮，腺口閉塞，導(dǎo)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(dāng)刺激，人體的適應(yīng)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(gòu)件，以及為了節(jié)能盡可能減小新風(fēng)量等措施，使室內(nèi)產(chǎn)生的多種有機(jī)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(dǎo)致一些建筑物成為"病態(tài)建筑"（SickBuilding）。人生活在此種建筑物內(nèi)，會(huì)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"（SickBuildingSyndrome）。尤其值得指出的是，設(shè)計(jì)和管理不善的空調(diào)系統(tǒng)（空氣處理設(shè)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(gè)重要因素。還有由空調(diào)系統(tǒng)傳播的疾病，如軍團(tuán)病等，亦不可小視。
由上述可見，對(duì)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(fèi)的問題，而是擴(kuò)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(duì)空氣調(diào)節(jié)所帶來的一些負(fù)面效應(yīng)，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(jì)的病態(tài)建筑使室內(nèi)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(dāng)然地成為人們追求的目標(biāo)。
2空調(diào)技術(shù)的進(jìn)展
在上述背景下，近年來空調(diào)技術(shù)取得了一些新進(jìn)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(fēng)的"矢流式"送風(fēng)口也應(yīng)運(yùn)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(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(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(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展成送風(fēng)系統(tǒng)只送新風(fēng)的方式，在工作區(qū)下部形成一個(gè)新風(fēng)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(duì)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(shí)，由于溫度分層，房間頂部溫度較高，所以在天花板設(shè)置一盤管式吸熱面（Cooled-ceiling）來傳遞大約70%的房間熱負(fù)荷（最大負(fù)荷時(shí)），而其負(fù)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)入冷卻天花板盤管的水溫一般高于20℃，以防結(jié)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(fù)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(diào)節(jié)"（Task-conditioning）。這種調(diào)節(jié)方式的主要特點(diǎn)在于就地設(shè)置送風(fēng)的末端裝置，強(qiáng)調(diào)個(gè)人舒適要求的可實(shí)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(luò)的一種必要條件。而架空地板的下部則為空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的分配空間，也為每一個(gè)工位設(shè)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(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(duì)于個(gè)人舒適要求則通過送風(fēng)末端（地板上設(shè)置的帶風(fēng)扇或不帶風(fēng)扇的風(fēng)向可調(diào)的風(fēng)口、柱式送風(fēng)裝置等）來予以滿足。
類似于工位調(diào)節(jié)，對(duì)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)心的問題是二次揚(yáng)塵。在這方面所做的實(shí)測(cè)研究結(jié)論并不一致。在有的建筑物內(nèi)，采用下送風(fēng)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(hù)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(fēng)動(dòng)態(tài)化。目前日本已開發(fā)出頂置式動(dòng)態(tài)送風(fēng)口（條縫式和方形風(fēng)口），認(rèn)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(fēng)末端裝置上加裝可動(dòng)導(dǎo)葉已有實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(qū)的空氣溫度，這無疑會(huì)有一定的節(jié)能意義。
一些國家對(duì)利用自然通風(fēng)夜間冷卻，尤其是對(duì)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(yàn)總結(jié)，也值得我國重視。
總之，我們認(rèn)為當(dāng)前舒適性空氣調(diào)節(jié)的發(fā)展歸納為三種趨勢(shì)：一是由全面向局部的轉(zhuǎn)化，即改變經(jīng)典空調(diào)將整個(gè)房間作用調(diào)節(jié)對(duì)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(fēng)的有效性；二是由主要關(guān)心空氣的溫濕度調(diào)節(jié)、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(zhuǎn)化；三是由穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)模式向動(dòng)態(tài)模式的轉(zhuǎn)化。顯然，這些趨勢(shì)與前述的目標(biāo)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(diào)節(jié)策略
所謂動(dòng)態(tài)空氣環(huán)境是指空調(diào)系統(tǒng)所維持的某個(gè)空氣環(huán)境參數(shù)或某幾個(gè)環(huán)境參數(shù)的組合不是穩(wěn)定不變的，而是隨時(shí)間變化的。通過對(duì)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(dòng)態(tài)環(huán)境條件下的適應(yīng)性，我們以大學(xué)生為受試對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)熱環(huán)境的人體熱反應(yīng)（生理的和心理的）及人體熱反應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)兩方面的實(shí)驗(yàn)研究，以期回答下列問題：
在動(dòng)態(tài)空氣環(huán)境下人體熱反應(yīng)的特點(diǎn)；
人體可以接受的環(huán)境參數(shù)變化范圍；
動(dòng)態(tài)空氣環(huán)境的調(diào)節(jié)策略。
動(dòng)態(tài)空氣環(huán)境下人體的熱反應(yīng)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(qiáng)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)，人體熱感覺呈現(xiàn)逐漸升高直到穩(wěn)定的過程。然而，當(dāng)由較高溫度的熱環(huán)境突變至中性熱環(huán)境時(shí)，人體熱感覺則呈現(xiàn)迅速降低，而且會(huì)超過中性熱反應(yīng)，出現(xiàn)"熱感超越"的現(xiàn)象。對(duì)這一現(xiàn)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(yuǎn)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(diǎn)雖然在變化率較小的溫度遞變和周期較長的溫度波動(dòng)熱環(huán)境中表現(xiàn)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(duì)應(yīng)各時(shí)刻的空氣溫度下人體預(yù)測(cè)的穩(wěn)態(tài)平均熱感覺和實(shí)際平均熱感覺（采用ASHRAE的7級(jí)熱感覺指標(biāo)）之間存在一定的差別。
在熱環(huán)境單參數(shù)變化條件下，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)空氣溫度的變化范圍為28～31℃（相對(duì)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)熱感覺值一般≤+1.0。只在溫度達(dá)到31℃峰值后，有時(shí)熱感覺達(dá)到或略超過1.0?！鱐SV一般為0.25～0.45?？梢娫跍囟炔▌?dòng)條件下，人體的實(shí)際熱感覺按時(shí)間平均有所降低。這也說明實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的動(dòng)態(tài)化會(huì)帶來一定的"熱環(huán)境效益"。同時(shí)可見，3℃的空氣溫度變化，人體是可以接受的，而不會(huì)出現(xiàn)不適的反應(yīng)。
對(duì)風(fēng)速動(dòng)態(tài)化的研究結(jié)果證明：掃描式的風(fēng)扇作用能克服穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)引起的人體不良反應(yīng)。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(dāng)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(yàn)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)，熱感覺值則為+0.5～0.6。對(duì)比用穩(wěn)態(tài)送風(fēng)時(shí)的熱感覺（+0.23）和無風(fēng)時(shí)的熱感覺（+0.8）可見，動(dòng)態(tài)的風(fēng)作用是穩(wěn)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(duì)降低人體熱感覺的效果。因此，在一定的人體活動(dòng)強(qiáng)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(duì)降低人體熱感覺的有效性。
基于以上研究結(jié)果，在炎熱季節(jié)建筑物內(nèi)具備空氣冷卻設(shè)備并能實(shí)現(xiàn)掃描式吹風(fēng)時(shí)，其調(diào)節(jié)模式可用動(dòng)態(tài)熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)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來進(jìn)行判斷。當(dāng)DTSV（在室內(nèi)無掃描式吹風(fēng)時(shí)即為PMV）<+1.0時(shí)，應(yīng)滿足通風(fēng)要求且均勻送風(fēng)，而當(dāng)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(diào)節(jié)末端裝置是實(shí)現(xiàn)空氣環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)不可缺少的硬件。同時(shí)也需要開發(fā)新的空氣環(huán)境評(píng)價(jià)軟件。顯然，適當(dāng)提高室內(nèi)空氣溫度，擴(kuò)大室內(nèi)參數(shù)控制區(qū)的范圍，不僅可減少空氣冷卻設(shè)備的負(fù)荷和縮短其運(yùn)行時(shí)間，并可延長利用室外新風(fēng)實(shí)現(xiàn)自然冷卻的時(shí)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(shí)，空氣溫度的適當(dāng)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(xiàn) 1APGaggeetal.Comfortandthermalsensationsandassociatephysiologicalresponsesatvariousambienttemperatures.Environmentalresearch.1967,1. 2FBauman.Task/ambientconditioningsystems:Engineeringapplicationguidelines.CEDR,UniversityofCalifornia,Berkeley,1995. 3ZhaoRongyi,Strategiesforimprovingthethermalenvironment.Proceedingsof2ndInternationalConference,IndoorairqualityinAsia,Beijing,1994.
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