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置换通风系统的发展现状研究

摘要：本文阐述了置换通风的发展进程，包括国外置换通风的起源，近代的研究成果，以及国内现在的一些发展状况。分析比较了置换通风与混合通风，地板送风以及碰撞射流通风这三种通风方式，对其通风效率，换气效率，气流组织等进行分析，得出置换通风的优缺点。最后展望了国内置换式通风的发展前景，指出结合我国国情发展置换式通风的必要性。
关键词：置换通风；混合通风；空气品质；颗粒物

0、引言
在现代社会中，人们在室内工作和学习的时间逐渐增长，因此对室内工作环境的要求也逐步提高。空调发展到现在，其任务已不仅仅局限于保证室内的温湿度的要求，而应向更高层面——创造良好的舒适环境提高室内空气品质和节约能源的方向发展。尤其在人类经历了2003年席卷全球的SARS风暴，紧接着国内的H1N1流感病毒侵袭之后，更体会到提高室内空气品质的重要性。置换通风系统作为一种良好的通风方式，得到了大家的广泛关注，在北欧国家占据了50%的空调市场，新建的办公楼中约有50%～70%采用置换通风系统。
1、通风系统概述
通风就是利用技术手段将车间内被生产活动所污染的空气排走，把新鲜的或经专门处理的清洁空气送入车间内。它起着改善车间生产环境，保证工人从事生产所必需的劳动条件，保护工人身体健康的作用，是控制工业毒物，防尘，防毒，防暑降温工作中积极有效的技术措施之一。工业通风分为自然通风，机械通风，全面通风和局部通风。
使用通风设施应能保证车间有良好的气象条件，使工人得到最适宜的空气环境和足够的换气量；应能消除车间内有害气体、蒸气、雾及粉尘，使其浓度保持在卫生标准规定的最高允许浓度以下；从车间排出的污染空气必须经过净化处理，否则不得再次流入车间，更不能影响周围居民的环境。通风设备应不防碍工人操作，便于管理维修。
根据“预防为主”的方针和我国宪法中有关国家保护环境资源和自然资源，防止污染和其他公害以及改善劳动条件、加强劳动保护的规定，使工业企业的设计符合卫生要求．保障人民身体健康，我国于1979年颁布了《工业企业设计卫生标准》。在标准中对车间卫生做了具体规定，给出了车间空气中有害物质的最高允许浓度，以及工作地点的夏季温度规定，并规定了居住区大气中有害物质的最高允许浓度。1973年颁布的《工业“三废”排放试行标准》，对常见的13类有害物质的排放量或排放浓度作了规定。要达到标准中规定的要求，保证从事生产的劳动条件和人类居住环境的生活条件，通风是最有效的技术手段之一。
2、置换通风的发展及研究现状
（1）置换通风的发展历史
置换通风起源于北欧，1978年德国柏林的一家铸造车间首先使用了置换通风装置。现在置换通风广泛应用于工业建筑、民用建筑和公共建筑，北欧的一些国家50%的工业通风系统、25%的办公通风系统采用了置换通风系统[4].我国的一些工程开始采用了置换通风系统，并取得了令人满意的效果。
（2）置换通风的基本特征
置换通风的基本特征是水平方向会产生热力分层现象。置换通风下送上回的特点决定了空气在水平方向会分层，并产生温度梯度。如果在底部送新鲜的冷空气，那么最热的空气层在顶部，最冷的空气层在底部。置换空气在水平方向汇入上升气流，由于送风量有限，在某一高度送风会产生循环。我们把产生循环的分界面高度被称为 “分界高度”。这样，就形成了两个区域的气流形式，底部区域是相对清洁的空气，上部区域存在更多的污染。所以为了获得良好的空气品质，通风量必须满足一定要求。以使“分界高度”高于人员活动区，这样人们便处于清洁区。
由此可见，置换通风不允许我们大量减少空气流量也不是任何地方都适用。我们发现，通常混合和置换通风系统要求相同的空气流量。不同的是，在同样的空气流量下置换通风通常提供更好的空气品质。
下列情形更适合采用置换通风：污染物质比环境空气温度高或密度小；供给空气比环境空气温度低；层高大的房间，例如房间层高大于3米；浮升力作为驱动力的置换通风在下列情形效率较低：天花板的高度低于2.3米；房间空气扰动（湍流）强烈；污染物比环境空气冷/密度大。
（3）置换通风在国外的发展
置换式通风于20世纪70年代末首先在北欧使用。1978年德国柏林一个焊接车间首次使用了置换式通风方式。20世纪80年代中，该方式又被用于办公室等商业建筑中。在过去的十几年里，国外对置换式通风系统做了大量研究：如英国的BSRIA对部分置换式通风系统进行了实地测试和计算机预测，并将两个结果的温度场和速度场进行了比较，用于预测热舒适度；挪威的SINTEF对已有的置换式通风系统进行了大量的实地测试，并对几种典型场所提出了置换通风系统的设计原则；法国最大的企业之一—法国电力(EDF)出资支持法国第三大国立LET实验室对置换式通风进行全面的、系统性的研究。并为此建立了置换式通风实验台，侧重于对置换式通风系统干扰因素如送风量、热气流的流量和热气流的温度对置换通风系统的影响进行了细致研究和系统的计算机仿真，开发仿真软件，为置换式通风系统的合理设计提供依据。用CDF技术研究后指出：热源所处高度的不同，必将对室内温度产生较大的影响。随着热源所处高度的增加，热力分层高度也随之提高，同时在热源上方将产生较大的温度梯度。在置换通风与冷却顶板相结合方面，通过与传统通风方式相比较发现：前者可节约30%左右。
(4)置换通风在国内的发展
国内对置换式通风的研究起步较晚。不同学者就置换通风系统中有关问题做了不同的研究和讨论。其中以同济大学和东华大学的研究最具代表性。同济大学建立气流实验室对置换通风气流特性进行了实验研究。同时开展了置换空调系统的应用研究，并与企业合作开发了具有国际先进水平的“置换通风装置系列产品”，填补了国内空白。东华大学也多次参与法国LET实验室关于置换通风系统干扰因素的实验研究。东华大学的倪波博士对单一热源置换通风情况下的垂直方向温度梯度和三维温度场进行了实验研究，并对不同围护结构和不同的外环境温度作了4个对比实验。华中科技大学的张俊梅等学者应用CDF技术对置换通风系统的参数设计进行了研究，提出置换通风系统各项参数的确定方法，使得设计的系统既能保证室内较高的空气品质，又能防止出现垂直温差过大及吹风感等现象。同济大学的李强民，天津大学的朱能、刘珊等学者把置换通风系统与冷却顶板结合起来，使置换通风的理论研究和实际应用更向前推进了一步。随着计算流体力学在暖通中的运用，相应开展了大量置换通风流场、度场、度场和含湿量分布的数值模拟，取得了不少重要成果。
3、置换通风与其他送风方式的比较
(1)置换通风与混合通风的比较
通过对两种通风方式的特征，通风效果，室内空气品质以及能耗的比较可以看出置换通风具有以下优点：置换通风比传统的混合通风具有更高的换气效率和通风效率；置换通风比混合通风具有更高的室内空气品质和舒适性；在能耗上置换通风可以比混合通风节能效果更好。
(2)地板送风与置换通风的比较
通过对置换通风和地板送风的基本原理，气流组织形式，通风效率、空气品质和热舒适度的比较，得到以下结论：与置换通风相比，在处理较大负荷环境时地板送风具有优势；与置换通风相比，地板送风可以提高地板附近空气温度，并减小沿垂直方向的温度梯度；与传统送风方式相比，地板送风可以提高房间空气交换效率和室内空气品质，但逊于置换通风地板送风；散流器的个性化控制可以显著提高办公人员对环境的满意程度；地板送风散流器周围气流速度较大，一定程度上影响了人员的舒适性。送风速度在活动区的影响范围，以及对人员舒适性影响程度等方面的问题尚需进一步研究。
综上所述，通过对以上二种通风与置换通风方式的比较，得出置换通风可使室内工作区得到较高的空气品质、较高的热舒适性，并具有较高的通风效率。空调节能和IAQ是当前暖通空调界面临的两大课题，而置换通风能在一定程度上较好地处理这两个问题。当然随着技术的发展，置换通风也必将被一些更理想的通风方式取代，如上述碰撞射流通风系统，不断完善前任的理论研究，使技术更加完善。
4、置换通风的应用前景分析
置换通风的应用是随着置换通风的概念被广泛接受和置换通风末端产品的大量开发、生产、应用而推广开来的。笔者认为置换通风在我国的广泛应用与以下两个方面有很大关系，一是与置换通风末端产品的发展和新产品的开发有关，二是与人们对它的深入了解，特别是设计人员和业主的深入了解有关。
（1） 置换通风末端产品的发展历史
最初的置换通风末端装置仅考虑让新鲜空气平稳、均匀的送入室内，送风速度低、温差小，故送风末端体积较大，相应的末端装置有圆柱型、半圆柱型、1/4圆柱型、扁平型及平壁型等几种。末端装置一般落地安装。
随着空调技术的发展，根据新的建筑特点和功能开发了地板送风、座椅下送风的末端装置。其后开发了结合置换通风和冷却吊顶的末端送风装置，并得到应用 “置换通风末端装置+冷却吊顶”形式解决了脚冷头暖的不舒适感觉，置换通风末端用来保证卫生要求的通风量和消除湿负荷，冷却吊顶可以消除垂直温度梯度对人的不适感觉，冷却吊顶的应用相对传统的空调系统有特殊意义，就是其采用了辐射换热技术，传统的混合通风，是以采用对流为主的传热方式，而冷却顶板辐射换热的比例大大提高，
（2）我国置换通风末端产品的现状
置换通风的应用与发展是与置换通风末端装置的发展紧密相联系的。置换通风目前在我国运用还不十分广泛，究其原因，笔者认为国内生产置换通风末端的厂家少，产品单一，研发能力不强是一重要原因。设计置换通风的工程可选择的设备少，妨碍了置换通风的广泛使用。
目前全球经济一体化进程加快，中国即将加入世界贸易组织，关税下降，国内市场进一步开放，国外的末端产品逐渐进入中国市场，国内的研究开发也在进一步加强，这就使得置换通风有更广阔的发展空间。
（3）新一代置换通风末端装置的研究
新一代末端装置要考虑的技术思路和问题是解决如下几个问题（1）在人员活动区域减少和消除热力分层对人的影响；（2）减少空气输送量以降低空调机组，风管、风口的初投资，节省通风管道占用的建筑面积，减少空气输送量以减少输运动力，从而减少风机耗能。因此，末端装置的设计思路围绕解决以上问题而展开。
为解决置换通风送风量大，送风温差小的问题，可借鉴诱导通风的原理，考虑提高一次风送风温差，在送至室内之前，或在人员活动区将一次风与室内空气混合，以提高送风温度。采用强化传热技术，使得室内空气在人员活动区迅速分布均匀，减少温度梯度。
5、总结
置换通风系统由于通风效率高，通风效果好、节能显著等优点，得到快速的发展，被广泛接受。这种通风方式的高效性、合理性为其开辟了广泛的发展前景。提高室内空气品质、节约能耗、走可持续发展之路已成为暖通领域面临的主要问题之一。与传统的混合通风相比，置换式通风以其独特的气流形式，提供了良好的空气质量，节约了能耗，正被世界各国所广泛应用。同样，作为一种低能耗、健康建筑理想的空调形式，也正在我国大力推广。而研究一套适合我国国情的置换式通风设计准则和方法，是值得进一步深入研究的课题。
参考文献：
【1】李龙宇,李强民 置换通风的原理及应用[J].通风除尘,1996(1).
【2】倪波 置换通风的实验研究[J].暖通空调,2000,30(5):2-4.
【3】孙涛 置换通风与混合通风系统的比较研究[J].节能,2006(8).
【4】姜茜 浅谈置换通风的发展及研究现状2005