剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研1.doc

剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究-实验室模拟分析一、座椅下送风实验概况在某实验室进行的座椅下送风的温热环境和气流分布的实验，是模拟某剧场阶梯坐席空间内的温热环境以及气流分布。该剧场观众席高度约5m，长约20m，共16段阶梯。在实验室进行模拟时考虑温热环境和气流分布最不利的空间为座椅的最后几排，因此选取了观众席边上的最后4排作为研究对象。该实验的目的是确认该系统最适合的设计条件，以及空间内上下温度分布（包括温度梯度）、气流和温热感的主观评价。图1 座椅下送风实验室模拟全景实验是在2001年的5月到8月间进行的，为了更好的模拟不同季节实验室内的温热环境和气流分布，在该实验室的四周设置了温度缓冲室，同时利用风机盘管控制缓冲室内的温度分别模拟夏季、冬季和春秋季的大气环境温度。图1示了该实验室的模型。该实验室为7.25.382.51m，空调设备方面采用的冷源为风冷热泵和一个蓄冷水箱，一个调节送风温度的冷水箱。热源采用燃油热水机和一个热水蓄水箱。实验室内部送风来自是由新回风混合的空调箱，温度缓冲室和控制室（紧邻实验室）采用风机盘管控制室内温度。整个系统的自动控制为lon-works分散控制和中央监控，监测送、回、排、新风的温度、湿度和风量，以及室内各个测点的温度、湿度。在控制上送风、回风、排风和新风均采用变频调节风量，利用水系统的三通阀、二通阀以及冷水箱来控制送风温度和湿度。送风位置是在每个座位下部的阶梯侧。阶梯坐席模型内为送风静压箱，座椅下设送风口，送风方向为水方向上45（图2）。实验室测试模型中送风口的布置按照送风口与座椅的相对位置不同分为正下型配置和交叉型配置（图3）。实验室测试条件分为夏季、冬季和过渡季工况。实验条件表1测定条件室温送风温度风量室内负荷主观问卷试验温度设定配置位置m3/h冷负荷热负荷夏季正下型26.020.51000照明40w18灯人体60w20人电热毯2无实施交叉型26.020.51000实施冬季正下型22.028.5450照明40w1个人体60w1人fcu模拟外围护结构负荷实施交叉型22.028.5400实施过渡季正下型22.022.01000无无未实施交叉型22.022.01000未实施二、实验测试数据分析速度场下面是三个工况中，两种不同的风口配置下的风速测试情况。测试使用的仪器是无指向性的热球风速仪。考察不同工况下的风速测定结果，可以发现在夏季和过渡季工况下，交叉型配置和正下型配种中风速的测定结果都呈现出良好的由低向高的衰减趋势。出风速度均小于0.25m/s，而在1.1m高度出的风速也小于0.08m/s。但在冬季工况下，两种配置中的风速都有较大的波动，而且由低向高的衰减趋势也不明显。笔者认为这主要原因是因为冬季暖气流的流动更容易收到室内热源的影响，因为测点布置在发热人体模型周围。在人体的腹部以下，气流尚能呈现出一定的衰退减趋势，但随着气流逐渐接近人体的发热中心（躯干部分内的电阻丝），气流大小就逐渐收到影响，呈现出不稳定的态势。在人体头部以上的空间内的气流也同样如此。这和文献1中的热源上部的气流速度会较大的实验研究结果是一致的。在夏季和过渡季的工况中，两种配置中风速基本上在0.1m/s以下，属于在微风速区。另外还测试了人体模型前方断面b-b上的速度分布情况，发现这个断面上的速度场非常平稳均匀，且也是微风速的流动状态。图4 实验室测点的布置2温度场实验着重测试了座椅下送风的温度梯度。置换通风中工作区内的温度梯度是影响人体舒适的重要因素，主要是0.1m到1.1m之间的温度差。离地面0.1m的高度是人体脚踝的位置，脚踝是人体暴露与空气中的敏感部位。而1.1m高度是室内人员处于坐姿时头部的大致位置，也是属于比较敏感的部位。测试使用的仪器是热电偶。比较三种工况两种配置下的温度测定的结果，不难得到这样的结论。（i）冬季工况下，正下型配种和交叉型配置中的温度梯度(0.1-1.1)均小于3；（ii）在过渡季工况下，两种配置中的温度梯度也同样小于3；（iii）夏季工况下，正下型和交叉型两种配置中的温度梯度都大于3，后排测点由于实验室层高限制，出现了5，超过了国际标准中关于置换通风的温度梯度的最大舒适性标准。笔者认为造成这样一个结果可能是由于实验室的吊顶不够高（2.51m）。图6夏季实测数据表由于实验室实际条件的限制，不能得到像剧场一样的吊顶高度，较低的吊顶和吊顶上安装的照明光源最终影响了实验中温度的分层情况。这个影响程度可以从图6看出。在去掉了照明负荷的情况下，夏季实测数据显示人体居住区的温度梯度小于3；针对模型实验的局限性，进行了该实验的cfd模拟，在模拟中进行了改变实验室的吊顶高度、改变送风温度等多种假想条件下的模拟计算，从而实现对真正工程情况的模拟。详细的模拟情况，请看某剧场座位下送风空调方式的温热环境/气流分布实验研究-（2）cfd模拟（潘毅群，白玮，村田敏夫，谭洪卫）。图7不同工况下温度梯度的比较图8实验室温度测点位置示意图三、实验室主观问卷调查结果在该实验中，为了取得关于该实验的全面资料，还专门进行了主观问卷调查。在不同的工况和配置中，均有56名被调查者坐在实验室下送风的座椅上填写主观问卷。问卷包括被调查者最初步的个人资料，如年龄、性别等，还有在不同的时间内（两个小时内，从进入开始每隔10分钟）身体的各个部位的热感觉、气流感，以及对室内热环境、气流感是否可以接受，是否感到不满意，以及身体各部位对温度差的感觉和接受程度。由于被调查者均是专门征集的，并在实验室内完成问卷，因此最后问卷结果的可信率可达100%。下面是一部分主观问卷的统计结果。从所有的主观数据进行分析，可以看出夏季和冬季工况下，主观评价均为良好。室内温热感均在稍凉和适中之间，因而室内热环境的平均可接受程度全都是可以接受。室内气流感的平均可接受度也趋向于完全可以接受。从ppd值的表现来看，除冬季交叉型配置外，其他配置中的人员对气流感，即吹风风险不满意率都不大于15%，热舒适不满意率也均不在于10%。但几种配置中对局部温度北度的评价差别较大，其中尤其数冬季正下型配置的评价结果最差。 图9 夏季交叉型配置中不同测点温度梯度的测定图10 夏季正下型配置中不同测点温度梯度的测定不同工况下室内热环境和气流环境的ppd（%）表3室内气流感室内热环境室内局部温度差夏季正下型配置0%0%20%夏季交叉型配置9%0%9%冬季正下型配置11.1%0%33.3%冬季交叉型配置20%10%20%四、结论（1）无论正下型配置还是交叉型配置，其形成的温度场和速度场都没有很大区别。而从人体的主观感受来看，夏、冬两季正下型配置的室内人员平均不满意率都稍低于交叉型配置，但此种配置中室内局部温度差造成的不满意率却稍高于交叉型；由于本次主观问卷实验的样本数较少，因此主观问卷结果只能说明一定的倾向性。（2）座椅下送风的送风口位置距离人员的敏感部位脚踝很近，因此要特别注意送风速度及温度，不能带给人员不舒适的冷风感和气流感。本实验中的送风速度基本上都在合适范围0.25m/s左右，保证了人员居住区内的微风速。（3）实验结果说明座椅下送风空调中夏季20.5左右的送风温度和冬季28.5左右的送风温度是可以保证人员居住区内的热舒适性在合理的26.0，从人员的主观感受来看，这一点也是可以接受的。（4）虽然夏季工况下，两种配置中的局部温度差都超过了国际上公认的舒适性标准，但在考虑了实验模拟的夏季热负荷偏大以及较低的吊顶造成照明辐射的影响之后，去掉了照明负荷，实测0.1m1.1m的温度梯度在3以内，满足了公认的温度梯度的热舒适性标准。参考文献住宅小区集中供冷优化管理系统及其基于网络的实现1 引言建筑能耗在全球能源的消耗中占有相当大的比例，在一些发达国家，其比例有的已达到40%。我国作为一个发展中国家，近年来建筑能耗所占的比重也越来越大，业已占到全国总能耗的20%左右，这其中更有85%的是用于建筑的采暖和空调1。由于我国用于发电的一次能源在多为原煤（原煤发电约占总量的75%左右），而原煤属于不清洁能源，其在开采、运输、使用过程中都会对环境造成极大的污染。因此，做好建筑能耗的优化管理就可达到节约能源和保护环境的双重目的。住宅小区集中供冷是指通过小区内的管网向用户输配供应冷源机房生产的冷水，以满足用户空气调节的需要。由于集中供冷的规模效应，使得它在防止大气污染、提高能源利用率、有效利用空间、全国各地和资金、美化城市形象等方面具有十分突出的优点，非常符合绿色建筑、健康住宅的健康、舒适、节能、环保的要求，因而有着重大的经济效益和社会效益，是现代化住宅小区建筑空调发展的必然趋势。由于住宅小区的集中供冷系统非常复杂，因此对其进行优化管理必须引进系统工程的概念，不能仅仅只从技术或经济的角度对其进行考虑，而应该全面考虑技术、经济、环境、人文等多方面因素。基于以上这种理念，我们经过大量的工作后，提出了基于网络技术的集中供冷优化管理系统框架及其实现途径。该系统充分利用控制、计量、废热利用等多种手段，对住宅小区集中供冷系统的设计、建造、使用等过程进行全程优化管理。 2 集中供冷优化管理系统本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统包括以下几个部分：住宅小区集中供冷冷源决策系统、住宅小区集中供冷最优设计系统、集中供冷系统与人工景观相结合的技术、住宅小区集中供冷协调控制系统和住宅小区集中供冷自动计费系统。21 住宅小区集中供冷冷源决策系统2传统的集中供冷冷源决策往往只注重某个方面因素的分析，而不涉及复杂因素的相互影响。由于住宅小区集中供冷是一个非常复杂的系统，其最优性受到技术、经济、环境、文化等多个方面的制约，因此，仅仅只从某个方面进行分析，肯定不能得出一个满意的结果。本文提出的住宅小区集中供冷冷源决策系统采用美国数学家t.l.sady教授在20世纪70年代提出的层次分析法（analytical hierarchy process，简称ahp）对住宅不区的集中供冷冷源进行决策。层次分析法是一种把数据、专家意见和分析人员的判断有效结合的方法，是一种定性分析和定量分析相结合的系统分析方法。它把一个复杂的问题分解成各组成因素，然后用两两比较的方法确定决策方案中各因素的相对重要性。由于住宅小区集中供冷冷源决策中具有诸多因素不能明确化的特点，如系统对环境的影响以及系统的可靠性等，因此，层次分析法能很好地应用于集中供冷系统的冷源决策过程。22 住宅小区集中供冷最优设计系统3冷源形式确定后，利用住宅小区集中供冷最优设计系统可以对系统进行设计。该系统采用计算机模拟分析的方法，以整个集中供冷为其优化对象。它首先对住宅小区集中供冷的全年能耗按变基准温度度日法进行预测，然后采用寿命周期费用（life cycle cost，简称lcc）分析法对整个集中供冷系统进行经济分析，从而得出冷源以及冷水输配系统的最佳配置、冷水的最优供回水温差等。23 集中供冷系统与人工景观相结合的技术3随着人们生活水平的提高，人们对环境的要求也越来越高，在一些住宅小区中，喷泉和人造瀑布等人工景观随处可见。集中供冷系统的冷却塔通常会发出较大的噪声，且其形象与周围环境也极不协调。因此，我们特提出了一种利用喷泉或人造瀑布来代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案（图1和图2）。采用这种方案后，可以达到美化环境、改善小区微气候，减少冷却塔的投资和消除冷却塔的运行噪声等目的，从而使得集中供冷系统对小区环境的影响降到最小。图1喷泉冷却方式 图2 人工瀑布冷却方式通过对该方案的热力分析和其它相关技术的研究表明，经过精心的设计、完善的运行管理、巧妙的布局，将循环冷却水应用于小区水景工程中是完全可行的。24 住宅小区集中供冷协调控制系统4集中供冷系统可以分为四个部分：冷源、冷却水系统、冷水系统和末端用户。由于受计算机技术、通信技术、电子技术等科学的限制，传统的集中供冷系统一般采用和设备单体控制的方法，即系统中每个部分的控制都是各自为政，没有考虑集中集中供冷中各个部分之间的相互影响，每个部分都有着自己独立的控制方案，而不是从系统的整体出发，没有一个统一的最优控制方案。另外，其每个部分的控制方案都是一成不变的，都是建立在一些凭经验建立的数学模型上，而没有考虑到具体系统的不同。与传统的控制方案不同，集中供冷协调控制系统把整个集中供冷系统（除开末端用户部分）作为自己的优化控制目标，不再只是孤立地对各个部分进行控制，而是充分考虑到各个部分之间的相互影响。在集中供冷协调控制系统中，它不仅利用最新的计算机通信技术把整个系统有机的联合起来，而且还利用人工智能新技术对整个系统的控制过程进行最优化的处理，最后，它利用节能效果极佳的变频技术使整个系统真正在最节能最高效的状况下运行。25 住宅小区集中供冷自动计费系统5在我国，由于各方面的原因，现有的对集中供冷的收费仍采用传统的按面积收费的方法，该方法存在着许多的弊端，造成了能源的大量浪费。由于集中供冷计费能够将用户的自身利益与其能量的消耗结合起来，这势必会增加用户的节能意识，推动节能工作的良性向前发展，并使得用户的生活水平环境不断地提高和改善。因此，在集中供冷的住宅小区中必须进行分户计费。通过对现有集中供冷收费方法进行详细地分析后，我们提出了一个基于公平的集中供冷计费方法，该方法充分考虑到各用户围护结构的不同和用户之间热传递所带来的影响，因此可以大幅减少在计费中出现的一些纠纷，增加计费的公平性。在此基础上开发集中供冷计费系统可以自动对各用户消耗的冷量进行计量，并可根据积压用户的围护结构对其消耗的冷量进行自动调节。采用住宅小区集中供冷自动计费系统后，可以促进用户更加主动地节约能源，从根本上杜绝集中供冷能源的人为浪费。3 集中供冷优化管理系统的网络实现通过对住宅小区集中供冷系统和各种通信技术的综合分析，集中供冷优化管理系统采用lontalk作为自己的通信协议来集成集中供冷系统内的各类子系统：集中供冷协调控制系统、集中供冷自动计费系统以及其他控制或管理子系统。lonworks现场总线拓扑结构灵活多变，可根据建筑物的结构特点采用不同的网络连接方式，具有高度的可靠性、较好的可维护性和扩充性。在lonworks现场总线中，由于采用统一的数据结构-网络变量，各类设备采集的数据可以共享，因此能节约大量的设备费用。建立在lonworks现场上的lontalk是一种开放性通信协议，遵守协议的设备和系统可以直接互连，组成无主站点对点的分布式网络。由于lontalk通信协议已被子世界上3000多家著名企业采用，使得其已成为事实上的行业标准。集中供冷优化管理系统可能通过internet与外界联系，这使得决策人员、操作人员和管理人员可以集中供冷系统进行远程监控。当系统出现故障时，维修人员可在千里之外对其进行处理，因而能节省大量的人力和物力。（图3）图3 集中供冷优化管理系统在集中供冷优化管理系统中，我们采用密套接字协议层（security socket layer，简称ssl）技术来保证系统的安全性，允许客户/服务器应用程序之间的通信不会被偷听、篡改和伪造。协作管理环境（cooperation management enviroment,简称cme）软件功能模块包括电子白板、基于web的访问工具、多媒体数据存储、文本信息交流工具和传输工具，通过这些工具，监控人员即使在千里之外，也会觉得自己跟被管理的设备近在咫尺。4 应用实例应深圳市某单位的要求，我们利用本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统对深圳市某住宅小区的集中供冷系统进行了方案设计。该住宅小区位于深圳市区，预计住户总数将达到31240户。根据该小区的规划，我们拟设立三个集中供冷系统对小区进行供冷，其中，系统a共有住户13337户，系统b共有住户8691户，系统c共有住户9212户。 以下是我们为该小区设计的集中供冷系统部分方案：（1）集中供冷冷源使用的能源，可以分为电力方式、热力方式和混合方式。其中热力方式包括燃气、燃油、燃煤、外部供汽四种情况，混合方式指电力与热力兼有的方式。与以上三种能耗方式对应，集中供冷系统常用的冷源设备主要是离心式（或螺杆式）制冷机和吸收式制冷机（包括直燃吸收式制冷机和蒸汽型吸收式制冷机）。根据本文提出的集中供冷冷源决策系统和深圳当地的能源政策，考虑到设备的初投资（包括增容费）、运行费用（与当地的电价、燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境的影响等几个方面的因素后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境影响等几个方面的因素后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃气型直燃机具有最佳的经济和环境效益。（2）由地该住宅小区集中供冷系统的供冷范围比较大，这就使得冷水输送系统的消耗的能量非常大，而且室外管网的初投资和管网的冷损失也随着增大。通过对整个系统的优化分析，发现当维持冷水机组的供水温度不变而提高回水温度时，可以提高整个集中供冷系统的经济性。经过详细计算确定，该小区集中供冷系统的最佳供回水温差为t=89。（3）为了进一步美化该住宅小区的环境，我们设计了利用人工瀑布或喷泉代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案。具体方案为：在喷泉、瀑布跌落的水池中堆放一定的淋水填料，在填料的下部安装有风机，这样就形成一个降低水温用的冷却构筑物。其中，风机用来加大通风量，而淋水填料可以将水滴变成更小的水滴或很薄的水膜，以增大水与空气的接触面积和延长两者的接触时间，从而加强水与空气的热湿交换。水的冷却过程主要是在淋水填料中进行。（4）小区集中供冷协调控制系统分别采集集中供冷系统中的冷却水流量、冷冻水流量、冷却水入口温度、冷冻水出口温度、冷