099 办公建筑个体空调系统的性能评价

1办公建筑个体空调系统的性能评价天津大学环境与工程学院闻济舟刘俊杰摘要随着科学的发展和技术的进步，办公建筑内空调系统的设计更强调节能和良好的室内空气品质。因此，个体空调系统的概念应运而生，这种系统针对的主要空气调节区域是办公室内的工作区域，其特点包括：降低空调系统运行能耗，同时提高人的舒适度和健康满意度，并保证良好的室内空气品质。本文将从上述三个方面详细地介绍个体空调系统在办公建筑内的使用，并客观分析它的技术优势及特点。关键词个体空调系统；节能；人体热舒适；空调通风1引言自1970年以来，建筑内的办公环境已发生重大改变。为提高生产率，现代办公建筑多装配有各种自动化办公系统。相应地，办公环境的概念也从以往的“办公场所”转变成了“生活场所”或者“创造性场所”。办公建筑室内环境的设计更强调节能和良好的室内空气品质，在这样的势头推动下，办公建筑内暖通空调系统的设计和运行也经历了诸多变革[1]。例如，在20世纪70年代，暖通空调系统曾一度强调维持整栋建筑内部的良好室内环境。然而时过境迁，随着研究重心向能源有效利用和人体热舒适性上的转移，整体建筑空间室内环境控制的理念也逐渐地转变为分层式空气调节或分区域式空气调节。这些新的理念中就包括了个性环境个体空调系统。个体空调系统的定义为：任何允许建筑内人员对局部小区域的热舒适性进行个性调控，同时仍能自动维持其周围空间处于可接受环境条件的空调系统。（又称为“个性环境控制系统”或“个性通风空调系统”）[2]因此，个性环境单元的控制环节部分地或全部地分散在整个空调区域内，并处于室内人员的控制之下。通常，室内人员能够控制包括进入房间的送风量，送风方向以及送风温度等参数。个体空调系统所创造的个性环境单元能够带来诸多益处，包括更加优质的热舒适性，更加高效的通风效率，更加良好的空气品质以及更加令人满意的工作效率。在此基础上，作为新型空调系统，个体空调系统受到了极大的关注。它可以不同程度地降低用于空气调节的总能耗，其基本原则是：将调控重点放在工作区域，并使其周围区域达到可接受水平即可。作为空调系统，它也因为能够有效应对个体的热舒适性而为各方关注,[3]并且在民航客机和高速列车等非建筑类实体中已经有了诸多应用。近些年来，为了迎合人们日益增加的对室内热负荷进行局部控制的要求以及对热环境的不同偏好，业界不断研究和发展着各式各样的个体空调系统。在办公建筑中，个体空调系统研究的重点在于不仅要实现能源消耗的降低，同时还必须创建可以最大程度提高员工生产率的舒适工作环境。例如在日本，政府为了减少办公建筑夏季二氧化碳的排放，设定其室内温度为28℃。在这样的室内条件下，如缺少对环境因素，如风速，冷辐射量等的个性控制，员工极易产生闷热感。[3]因此，如何在室内空气温度设定值偏高的条件下实现员工的热舒适性，就成为了个体空调系统亟待解决的问题。安装个体空调系统后，能量集中用于工作区域而仅仅维持其周围区域在可接受的一般水平。此外，通过个性调节创造适宜的办公环境，和通过直接向呼吸区送入新鲜空气提高人的舒适度和健康满意度，也是这套系统值得期待的地方。下图为一典型个体空调系统。2图1典型个体空调系统[4]本文将总结现阶段世界各国研究人员针对个性环境个体空调系统的不同评价研究方法和角度，主要包括：从个体空调系统的能耗角度出发；从室内人员对于个体空调系统的热舒适角度出发；从个体空调系统的通风评价角度出发。并且客观指明其中出现的问题，以期发现其在未来应用中可能的发展方向。2个体空调系统的能耗研究自从20世纪70年代爆发世界范围内的能源危机以来，公众愈发认识到建筑节能的重要意义。除了加强建筑本身的气密性和通过大量使用绝热材料来减少建筑物围护结构散热外，根据实际情况改进原有的空调系统也是一项主要的节能手段。因此，个体空调系统的节能性就成为了系统评价的重要方法。早在1992年，就有研究人员曾利用计算机模拟的方法比较过一套具备个性环境控制功能的空调系统和一套传统空调系统的能耗特性[5]。他们模拟的是由Arens等人于1990年提出的桌面式个性环境控制系统，该系统由一块电辐射板、两个局部式风扇、一台噪声发生器、一套局部工作照明设备和一个工作区人员传感器组成。模拟结果表明此系统与传统空调系统相比，节能效果从-15%到7%，即可能出现负效果。后来，Bauman等人对此系统进行了进一步的实验研究，发现该系统的使用必须对应于工作区的人员负荷的实际情况，即只有在工作区存在人员负荷的条件下使用，该系统才能达到节能的目的，或者说，如果该系统不考虑人员负荷的实际情况，在工作时间内均使用同样的运行模式，则系统节能效果无法确定，甚至可能出现不节能的现象。2005年，Sekhar等人设计了一套结合个性通风和传统空调的新式个体空调系统，并以主体暴露在不同的室内环境下所反应的热舒适度为基础，通过模拟计算得出结论：在室内温度保持在当时相关标准中所给出的舒适温度范围内的最大值时，新式个性通风型空调系统较传统空调系统节能15~30%。[6]2008年，Schiavon和Melikov借助多种模拟工具，专门研究了控制个性通风空调系统送风温度这一方法对个体空调系统节能效果的影响。[7]使用的个性通风空调系统安装在一栋位于寒冷气候地区的高级别建筑内。经过大量模拟计算，最终认为控制个性通风空调系统送风温度这一策略会在很大程度上影响该系统的能耗特性，并且提出将送风温度恒定在20℃是最佳的选择。此外，他们还提出针对此类系统最有效的节能策略是将房间内设定温度值的上限调整到30℃，据计算这样一来节能效果最大可以达到60%（与传统的混合新、回风式空调系统相比）。然而作者还指出，在运用这种控制策略时必须保证室内人员在绝大部分时间内都呆在工作区内，而且由于气候条件、建筑特性等的不同，他们所做模拟得到的结果不能简单直接地用于其他场合。至此，我们可以看出，办公建筑中个体空调系统（个性通风空调系统）的能耗性能并非一个独立的特性参数，它与系统配套使用的控制策略密切相关。撇开控制策略评价一套个体空调系统的节能效果是3片面的。而且，每种不同的控制策略所带来的节能效果也是不同的，在某个实际问题中选取与系统兼容性最好的控制策略（可称为策略最优化）必须依靠大量准确的模拟计算。用于此类计算常用的软件有：EnergyPlus、Transys、ESP-r，IDAICE等，另外也有利用纯实验方法测量相应个体空调系统能耗的例子，但由于此类方法对实验条件要求过高，因此采用率不高。当前，主要有四种与个体空调系统配合使用的控制策略，分别为：·控制送风温度·在通风效率足够高的前提下减少个性通风系统的送风量·适当提高房间的最高允许设计温度·根据工作区内人员负荷情况决定系统送风量控制送风温度这项策略的出发点在于希望工作人员可以根据室内温度变化自行调节送风温度，比如在房间温度偏低的时候适当提高送风温度，满足自身热舒适性的需求。而且由于个体空调系统是将空气直接送至人体附近区域，因此从热舒适度角度出发此系统中送风温度的最高和最低允许值都有所限制。Schiavon和Melikov对这种控制策略做过诸多研究。在这二人的研究中，送风温度范围设定在20~26℃。[4,7]2008年，他们曾对丹麦哥本哈根一栋建筑内的某间办公室进行研究，结果发现在使用个性通风系统时不无论配以哪种送风温度控制策略，其能耗水平都会比传统的混合新、回风式空调系统还要高出61%到268%。这主要是因为个体空调系统的最低送风温度出于热舒适度的考虑被限定在20℃，而传统空调系统的送风温度仅为16℃。哥本哈根气候寒冷，全年中只有3.2%的时间气温超过20℃。因此送风温度越高，相应所需的空气加热量越大，空调系统能耗也会增加。但是在二人于2009年完成的对位于新加坡的一间同类型办公室所进行的研究中，却会发现用这种控制策略可以大大降低系统能耗。同时注意到新加坡的气候条件（高温潮湿）与丹麦正好相反。故而有以下推论：送风温度控制策略对个体空调系统能耗的影响受室外气候的影响。在低温地区该策略破坏节能效果，然而在高温潮湿地区该策略则会体现明显的节能效果。根据HVAC的基本理论，减少送风量毫无疑问是降低空调系统能耗的重要途径。然而在实际研究中，送风量的变化对个体空调系统节能情况的影响却不尽相同。在Sekhar等人于2009年的研究中，就曾发现在此项控制策略条件下运行个体空调系统，其节能效果的优劣也是由室外气候条件所决定。Sekhar等人通过计算机模拟，发现在寒冷的北欧地区，减少个体空调系统的送风量固然可以降低其空气加热量，但由于室外空气对室内环境具有自然冷却效果，在一定程度上抵消了室内所需冷量，因此从系统整体出发，节能与否难以确定；但是当室外环境换到炎热潮湿的东南亚地区，这一控制策略就能起到较好的节能效果。至于提高通风效率，现阶段已知的通风效率较高的个性通风形式有头部送风、座椅送风等，设计理念都是将100%新鲜空气送至人员呼吸区内。有关通风效率进一步的讨论见后面的章节。早在2005年，相关的研究中就提出在提高房间设定温度的情况下利用个体空调系统，可以既满足人体的热舒适度和室内空气品质的要求，同时又达到降低能耗的目的。研究表明，一套一级主空调系统和二级个性通风空调系统联合运行的空调系统，其节能效果可达到15~30%。[6]后来，又有研究指出[4]，当室内温度设定值由24℃上升到28℃，利用相同的带有个性通风性能的空调系统，其能耗可相应降低23.3%。可以想象，运用这种控制策略时还应对室内人员采取相应的管理方法，须保证他们在室内的多数时间中都呆在自己的工作区域内，因为那里才是个体空调系统提供的热舒适性区域。利用红外线、CO2探测技术了解室内人员情况，并反馈至空调系统，实现系统自动化的同时降低能耗，是当代智能建筑中一个重要的理念和发展趋势。后人以此为理论基础，在个体空调系统中提出了房间全占有率的概念，即位于自己工作区域内的实际人员数量与房间设计最大人数之间的比值。Melikov等人在研究中曾用到这一概念，他们分别利用欧洲标准和Nobe等人所做调查中给出的房间全占有率图表进行对应的模拟计算，结果表明无论选用哪张图表，都会得出如下结论：根据室内人员负荷情况决定4系统送风量这一控制策略会对个体空调系统的节能效果产生重要影响。有数据显示，此项策略能带来20%左右的节能效果[4,7]。3个体空调系统的热舒适性研究在对办公室室内人员进行的调查中发现，办公室环境令人不满的主要原因是缺乏热舒适性[8]，这也会间接地造成室内人员工作效率的下降[9]。关于热舒适，ASHRAEStandard54-1992中对它的定义是：人体对热环境表示满意的意识状态。而且Gagge[10]和Fanger[11]等人均认为“热舒适”指的是人体处于不冷不热的“中性”状态，即认为“中性”的热感觉就是热舒适。而之所以提出个体空调系统的理念，一个重要的原因就是这类空调系统可以对处于其调节区域内的个体的热舒适进行有效地维持和调控，并且这种调控还是被控个体能够主观控制的。因此，针对个体空调系统热舒适性的研究在学界不胜枚举。早期曾有人对比过个性环境个体空调系统和地板式送风空调系统，研究人员将一间长方形实验室从中间分成两个部分，将两种形式的空调系统分别安装在两个部分内[1]。试验结果表明，对于室内人员来说，地板式送风空调系统在办公桌平面以下的空间内温度更加适宜，个体空调系统则正好相反，它是在办公桌平面以上的空间内温度更加适宜。此外，作者还测量了两套系统在高度方向的温度变化情况。地板式送风空调系统对应的最大温差达到1.2℃，然而个体空调系统只有很小的0.4-0.6℃。随着高度上升，个体空调系统作用下形成的温度分布愈趋合理。并且，送风量的变化也没有对办公桌高度平面上的温度分布产生太大的影响，细看之下会发现人员周围的温度梯度随着风量增大越来越小。因此，从保持办公桌面以上空间内气流速度、温度分布的角度来说，个体空调系统更具优势。在以上数据及结论的基础上，作者引用PMV（预测平均评价）作为评价系统热舒适性的指标，并根据“PMV绝对值越大，越有利于评价空调系统创造的热环