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)展動向，并在環(huán)境參數(shù)動態(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)
Abstract Describes the challenges to the technical field of indoor air environment control, development and the trend in air conditioning technology in recent years, and presents control strategies of indoor air environment improvement.
Keywords indoor air environment, thermal comfort, air quality
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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，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(shù)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(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(shè)計的依據(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)會產(chǎn)生"空調(diào)適應(yīng)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(dǎo)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(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"（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(shè)計和管理不善的空調(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(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），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，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)提供了一個良好的分配空間，也為每一個工位設(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)，而對于個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)動態(tài)化。目前日本已開發(fā)出頂置式動態(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，這無疑會有一定的節(jié)能意義。
一些國家對利用自然通風(fēng)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(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：一是由全面向局部的轉(zhuǎn)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(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)模式向動態(tài)模式的轉(zhuǎn)化。顯然，這些趨勢與前述的目標(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(yīng)性，我們以大學(xué)生為受試對象，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了動態(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(yīng)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(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，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，人體熱感覺則呈現(xiàn)迅速降低，而且會超過中性熱反應(yīng)，出現(xiàn)"熱感超越"的現(xiàn)象。對這一現(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(fēng)作用時卻有不可忽視的作用。如在周期性溫度波動時，對應(yīng)各時刻的空氣溫度下人體預(yù)測的穩(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。只在溫度達(dá)到31℃峰值后，有時熱感覺達(dá)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(shí)際熱感覺按時間平均有所降低。這也說明實(shí)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(yīng)。
對風(fēng)速動態(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，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，熱感覺值則為+0.5～0.6。對比用穩(wěn)態(tài)送風(fēng)時的熱感覺（+0.23）和無風(fēng)時的熱感覺（+0.8）可見，動態(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)作用對降低人體熱感覺的效果。因此，在一定的人體活動強(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，其調(diào)節(jié)模式可用動態(tài)熱環(huán)境評價指標(biāo)DTSV，即在動態(tài)溫度和風(fēng)速條件下按時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)時即為PMV）<+1.0時，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(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)行時間，并可延長利用室外新風(fēng)實(shí)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(dāng)波動和間歇吹風(fēng)的刺激，也有利于人體健康。
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