地板送风系统的运行

1 引言

本文主要借鉴了美国地板送风系统的设计经验，重点介绍地板送风系统的发展及设计过程中遇到的问题。目前地板送风系统在我国的研究和应用处于起步阶段，需要广大的暖通空调设计研究者在学习借鉴国外先进技术的基础上多加努力。

2 地板送风系统概况

“地板送风空调系统”这个概念最早是由德国于20 世纪60 年代提出的。在20 世纪90 年代末和21 世纪初，地板送风（UFAD）系统被誉为“HVAC 领域中近乎完美的系统”，但到2010 年后该系统应用得少之又少。原因很简单：在实际工程中并没有运行得很好！尽管地板下布线方便是一个优势，并且通过调查显示，与上送风系统相比，住户可以感受到更好的室内空气质量，但是大多数项目并没有很好地体现出这种系统在改善舒适性和节能等方面的优势。虽然设计师们面对的形势尤为严峻，但这种系统仍然引起了人们的普遍关注及诸多研究。地板送风（UFAD）是指利用地板静压箱，将经热湿处理后的空气由地板送风口送到人员活动区的气流组织形式，系统工作原理如图1 所示。采用地板送风时，地面需架空，下部空间用作布置送风管，或直接用作送风静压箱，把空气分配到若干个地板送风口。地板送风口可以是旋流风口（有较好的扩散性能），或是格栅式、孔板式的其他风口。送出的气流可以是水平贴附或垂直射流。

图1 地板送风末端

地板送风系统不同于传统的送风系统，地板送风末端（UFTs）是具有变速风机且可调节电量或热水温度的小型风机盘管。人们第一次使用这种系统时，没有可以安装在结构楼板与架空地板（中心24 英寸[600mm]）之间的风机盘管（通常为14 英寸到18 英寸[355到460mm]），因此需要使用定制的风机盘管；而现在地板送风末端是可以从厂家买到的标准产品。

设置独立的供暖和制冷系统是一个难题：价格昂贵且很难与建筑融合，需要在外区设置额外的竖井或设备，如风机盘管或热泵，但这些设备放置在地下可能会引起噪声问题且难以维护。

3 地板送风系统设计

图2 所示为乌鲁木齐晚报报业大厦地板送风系统示意图。乌鲁木齐晚报报业大厦总建筑面积128155.5m²，总建筑总高度98.7m；地下二层至地下四层为车库，其中地下2 层为机械车库，地下1 层至4 层为商业、剧场，5 至24 层为办公写字楼。本工程5 至24 层采用风机盘管加地板下送风、集中回风的空调方式，风机盘管承担50% 的显热负荷，地板送风系统承担室内全部湿负荷和50% 的显热负荷。标准层每层核心筒设置一个空调机房，每个空调机房设置两台立式组合空调机组，每台空调机组负担一个区域的地板送风，由建筑专业做地板分隔处理并贴100mm 厚橡塑保温板，使用地板送风系统的房间采用下送风、上回风（排风）方式。

图2 地板送风系统示意图

地板送风系统的负荷计算方法与常规的空调系统负荷计算方法基本一致。根据最大时负荷计算分析，西南朝向即1 区地板送风系统设置一台风量为12470m³/h 立式组合空调机组，东北朝向即2 区地板送风系统设置一台风量为9000 m³/h 立式组合空调机组，两台机组均做变频处理。

从空气处理机组送至地板下大空间的冷空气速率是由压力传感器控制的，其设定值根据内区温度控制回路进行重置。由于地板存在空气渗漏的现象，地板送风设计无法使用更高的压力，因此要求设计将地板压力最小化。机组内的回风口处设定温度传感器。夏季供冷时，夏季回风口电动风阀关闭，使用100% 的室外新风；当回风温度高于设定值26℃时，开大二级再热盘管上的电动水阀，直至完全打开；当回风温度低于设定值17℃时，关小此电动水阀，直至完全关闭，实现免费供冷；冬季供热时，新风量调降至40%，回风风量调至60%，当回风温度低于设定值22℃时，打开二级再热盘管的电动水阀，直至完全打开；当回风温度高于设定值28℃时，关小电动水阀至全部关闭。

系统的设计成本效益是合理的，几乎可以应用于任何建筑，无论建筑面积多少，均高效节能。本设计地板送风温度为15.5℃，工作区温度梯度小，上部区域温度梯度大，保证了送风舒适度的温度要求，同时再热损失是很小的。但是这种系统有一个无法避免的缺陷：地板下的送风温度会逐渐降低（也称为热衰减）。地板下的初始送风温度为15.5℃，但当空气从位于地板送风末端周边的送风井穿过地板时，由于结构板与架空地板之间存在传热，因而送风温度会升高，可能会达到20℃或更高，如图3 所示。图4 为美国加州萨克拉门托的一个大型项目，该项目初次使用地板送风系统时，地板下的温度由放置在地板下临时数据采集器进行测量。红色区域是竖井所在的位置，灰线是气流分布管道，每20 至30 英尺(6 􀀀 9m) 布置一个低速送风口。位于竖井附近的初始点的送风温度接近63 ℉ (17℃ ) ，但温度由竖井向外快速衰减。在西侧，地板送风末端的送风温度达到72 ℉（22℃），如此高的温度不适用于要求低温的办公室。如果通过降低送风温度来补偿，由于温度较低的地板会进行辐射和对流，内区即使在无压力的情况下（无气流）也会过冷。没有简单的办法可以同时满足外区和周边区域的温度。

图3 得热造成送风温度衰减

图4 送风温度衰减

尽管在早期的设计中设计师们就已经看到了问题，但仍没有放弃对地板送风系统的探索，包括以下几方面的探索。

(1) 在地板下更广泛地布置送风管道。一些早期的设计几乎没有管道系统，这是灾难性的。之后设计师很快发现需要通过管道来减少地板送风起点与送风末端的距离。起初采用“50 英尺规则”，即地板送风初始点到末端的距离不大于50 英尺，但还是不够好。很快就更改为“40 英尺规则”，然后是“30 英尺规则”“20英尺规则”。许多设计师甚至想设计为“0 英尺规则”：对于整个周边系统，他们完全用管道进行输送，并且将地板送风末端转换为变风量空调箱。从这一点上看就是把上送风VAV 系统移至到地板下。

(2)在地板下以相对低的风速送入以达到均匀送风，避免附近的涡流扩散造成影响。但低速使温度衰减更为明显。因此对于外区，地板末端均采用较高的出口风速。因为结构板下和地板上都存在康达效应，远离送风末端的地方，送风气流受附壁作用影响小且气流速度较快，则送风温度相对较低。包括在出口处垂直安装风量调节阀，以便我们可以直接在地板送风末端控制风速。这些调整可以提高地板送风的性能，但问题仍然存在。这或许验证了欧洲设计师们早期的看法：周边空间应配备独立系统，地板送风系统只用于调节内区。

4 地板送风系统的合理利用

根据各地板送风系统设计经验发现，系统运行得好是因为有以下特点。

(1) 建筑有相对规则的矩形形状（无曲线、曲折或倾斜）。

(2) 空气处理机放置在每层靠近外墙处，以便新风的吸入和补充。

(3) 建筑的每个朝向都有独立的空气处理机组。处理后的空气由管道直接输送到窗户下的格栅。这些空气处理机组具有加热和制冷的能力。

(4) 内部负荷（照明、人员和设备）由每个工位地板下具有制冷功能可自主调节的旋流风口的送风量来承担，这是经典的地板送风设计。

(5) 空气处理机组宽600 mm 以匹配地板瓷砖的宽度，且能够供应约1400L / s 的气流。深度（760mm）的增加可以提高气流容量，但是气流受通风管道的尺寸限制；反过来，通风管道的尺寸受限于基座尺寸和地板高度，要求空气处理机组在一个紧凑的设备机房（MER）内并排布置。送风机一般是倒置式无蜗壳离心风机，为地板下提供新风，并且输送至地板基座之间的560mm宽的管道中。风机是变速的，要么是专用直接驱动风机与直流无刷电机匹配（EC 风机），要么是标准的无蜗壳离心风机和变频电机匹配。目前这些空气处理机组是半定制的，但易于制作，几乎任何生产空气处理机的厂家都可以完成制作。

(6) 空气处理机组管道外径为560 mm×380 mm，其接缝处平滑，平放于地板基座之间且在活动地板460mm 以下。它们内衬25mm 的管道，以尽可能减少在制热模式下送热风时地板的得热量。内部空气处理机组管道有355mm 高且不绝缘；将地板提高38mm 以允许接线从下面通过。管道尺寸保持不变以减少压降，同时补偿高于正常值的初始摩擦速率。

(7) 地板送风系统有严格的施工工序，架空地板的安装由地板承包商负责, 其主要工作包括基座安装、整体的架空地板块安装、空气通道安装、地板下隔断安装、送风口等终端设备安装口切割。静压箱虽然由地板承包商负责施工, 但机电承包商也需要密切关注密封性问题,避免因施工质量造成空气渗漏, 影响系统运行。在安装架空地板前, 必须对混凝土楼板进行全面清洁、对管槽沟进行密封工作, 以减少粉尘。使用前用吸尘器清除静压箱内的所有垃圾、尘土等。

这种系统设计有很多优势并且应能解决地板送风设计遇到的其他问题，这些问题如下。

(1) 采用静压箱送风后，送风口一般与地面平齐设置，且直接送至各工位，个人局部环境可实现个人控制，使用者既可自行控制风量也可控制出风的方向，明显提高了个人的舒适度。

(2) 由于回风口设于吊顶内，下送上回的气流组织形式，有利于排出余热，从而保证工作区的换气次数及空气品质。

(3) 由于地板下送风截面大，所以压力损失较小，从而减小了空气动能，减少了风机能耗。根据送风压力传感器调节风机转速，根据实际工程状况，进行送风风压、风机转速调试，使得运行符合要求，实现变风量控制。

(4) 所有制冷空气处理机组都有室外空气节能器，因为相对较高的送风温度（17℃左右）使其性能增强。在这种温度下，相对于送风温度为13℃的上送风系统，地板送风系统每年减少了超过2000 小时的机械制冷运行时间。

(5) 因为设计的地板送风空气处理机组普遍都有新风和回风，新风可由节能模式下的室内机组提供，而一年大部分时间都比较寒冷，所以在这种天气下，周边空气处理机组在供热的模式下可不供应新风。基本上内部冷负荷将有效加热最小通风量，比同时提供的自由冷却和新风预热的负荷要小。当室外温度足够低时，内部空气处理机将过冷而供应最小新风量，周边空气处理机组调节阀最小（非零）设定值将保持不变，因此它们也可以供应新风且有加热空气的能力。

(6) 如果外围护结构有很大的太阳得热量，则对于送风温度为17℃的典型地板送风系统来说，采用外径为560mm×380mm 的管道就太小了，空气处理机组送风温度可以在最大负荷时降低到13℃。更低的送风温度不会使人体感到不适，因为气流是沿着窗户向上送入室内的，而不是直接送到工位上。

(7) 所有盘管和管道都布置于设备机房内，活动地板下不敷设管道，因此几乎没有地板下渗水的风险。

(8) 所有维护都可以在设备机房内完成，在活动地板下没有调节阀、控制阀或末端装置。这对于典型的地板送风系统设计来说是一个显著的优势，特别是对于地板送风末端来说，需要定期维护过滤器。若装置在活动地板下通常难以检修。例如，必须先移动桌子、文件柜、地毯或地砖。

但是，与其他HVAC 系统一样，该系统仍存在以下缺点。

（1）地板静压箱高度可能会影响电气专业通讯电缆布线的要求，并且旋流风口不能放于管道所在的位置。通过在管道底部规则地布置槽口，管线可以从底部通过，以此来缓解接线问题。

（2）就投资、运行费用而言，虽然地板送风系统相对于上送风系统可减少结构造价，且各种管线无须预制、预埋，但架空地板工程造价较高，系统材料设备和控制系统造价增加，因此地板送风系统的初期投资较高。

（3）此设计不能应用于所有建筑。

5 结论

提高室内空气品质、降低建筑能耗，以及进行大空间局部热湿环境的控制，逐步成为当今建筑空调发展的重要方向，同时也对传统空调系统的设计提出新的挑战。在我国，地板送风系统刚刚开始在现代办公等建筑中应用，系统设计理念与方法、设计规范、设备研究与开发、系统管理与运行方法等各方面的工作还相当欠缺，因而借鉴国外有价值的文献，吸取国外的先进技术，有利于我国开发出更加舒适、经济、可靠的地板送风系统，使地板送风系统逐渐成为我国现代办公等建筑空调的主流。

参考文献

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作者

新疆建筑设计研究院  吴瑞雪