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地板式送風空調系統

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Diagram of underfloor air distribution showing cool, fresh air moving through the underfloor plenum and supplied via floor diffusers and desktop vents. Warm, stale air is exhausted at the ceiling
地板式送風空調系統中的空氣流動圖

地板式送風空調系統(UFAD) 是一種通風策略，用於在建築物中提供通風和空調，作為暖通空調系統設計的一部分。 地板式送風空調系統使用位於結構混凝土板和高架地板系統之間的地板下部空間，為位於或接近佔用空間內地板水平的送風出口（通常是地板擴散器）供應經過空調調節的空氣。空氣從房間的天花板高度或佔用區域上方的最高處排出。 [1]

地板式送風空調系統利用空氣的自然浮力並產生空氣分層現象：房間的下部供應新鮮的空調空氣，產生幾乎是空氣置換的效應，並且幾乎沒有空氣再循環；分層的上部區域集中了較溫暖、混合均勻的空氣和更多的污染物。這種現象可以更有效地供應和調節使用者附近的空氣，並將廢氣從使用者身上抽走。 [2]

地板式送風空調可以帶來優於傳統中央空調系統幾個潛在優勢，包括降低全周期建築成本；提高熱舒適度、居住者滿意度和工作效率；改善通風效率、室內空氣質素和健康；減少建築能耗；並降低新建築的樓板構造高度。 [3]

地板式送風空調系統最初是在 1950 年代引入的，用於具有高熱負荷和高架地板系統的房間（例如計算機房、控制中心等）。 該系統於 1970 年代引入西德的辦公樓，並增加了使用者可以控制的局部供應擴散器。如今，地板式送風空調系統已在歐洲、南非和日本獲得廣泛認可。 [1]

地板式送風空調系統通常用於辦公樓，尤其是需要高架地板進行電纜管理的開放式辦公室和其他需要空間靈活性的場所。地板式送風空調適用於多種不同的建築類型，包括商業、學校、教堂、機場、博物館、圖書館等。 [4]在北美使用地板式送風空調系統的著名建築包括紐約時報大廈、美國銀行大廈和三藩市聯邦大廈。在 地板式送風空調系統的施工階段需要仔細考慮，以確保密封良好的氣室，避免地板式送風空調下部空間中的供應空氣泄漏。

地板式送風空調系統描述

地板式送風空調系統依靠空氣處理裝置過濾和調節空氣以達到適宜的的空氣質素，然後將其輸送到佔用區域。傳統中央空調系統通常使用通風管道來分配空氣，而 地板式送風空調系統則使用高架地板的地板下空間通風。增壓室通常高出結構混凝土板0.3和0.46米（12和18英寸） ，儘管更低的高度也是可能的。 [5] [6]特別設計的地板擴散器被用作空氣供應出口。 [7]最常見的地板式送風空調系統配置包括一個中央空氣調節單元，通過加壓通風系統輸送空氣，並通過地板擴散器輸送到空間中。其他方法可能包括在插座、地板下管道、桌面通風口配備的的帶風扇的出風單元或連接到個人環境控制系統。 [1]

地板式送風空調系統空氣供給和分層

熱分層是根據相對密度對內部空氣進行分層的過程的結果。由此產生的空氣層是一個垂直梯度，下面是高密度和較冷的空氣，上面是低密度和較暖的空氣。 [8]由於空氣的自然對流運動，分層主要用於冷卻條件。 [8]

空氣分層利用熱浮力在使用者水平分層提供高質量空氣，在使用者區域之外則不對空氣進行調節。

地板式送風空調系統利用了熱空氣因熱浮力而上升時發生的自然分層。在 地板式送風空調系統設計中，經過調節的空氣停留在房間較低的佔用部分，而居住者和設備等熱源會產生熱羽流，這些熱羽流將暖空氣和熱源產生的污染物帶到天花板，在那裏它們通過回流排出空氣管道。 [1] 地板式送風空調系統創建的溫度分層對空間設定點有影響。使用者的大部分身體所在的區域溫度低於恆溫器高度處的溫度；因此，與傳統的架空系統相比，目前的做法建議提高恆溫器設定點。最佳通風策略控制供應出口，以將供應空氣與室內空氣的混合限制在剛好低於空間的呼吸高度。超過這個高度，就允許出現分層和更污染的空氣。與傳統的均勻混合系統相比，使用者呼吸的空氣中污染物濃度得以降低。 [1]

地板式送風空調系統的理論行為基於置換通風的羽流理論。與低速輸送空氣的經典置換通風 (DV) 系統[8]相比，典型的 地板式送風空調系統通過具有更高送風速度的地板擴散器輸送空氣。除了增加混合量（因此與 置換通風系統相比可能會降低通風性能）之外，這些更強大的送風條件還會對居住區域的室內空氣分層和熱舒適性產生重大影響。因此，這種分層的控制和優化對於 地板式送風空調系統的設計和規模、節能運行和舒適性能至關重要。 [2]

許多因素，包括天花板高度、擴散器特性、擴散器數量、送風溫度、總流量、冷負荷和調節模式等都會影響 地板式送風空調系統的通風效率。 [9]渦流和穿孔地板面板擴散器已被證明會在佔用區域產生低氣流速度，而線性擴散器會在佔用區域產生最高速度，擾亂熱分層並構成潛在的氣流牽引風險。 [9]此外，地板擴散器增加了使用者觸及範圍內的個人控制元素，因為用戶可以通過旋轉擴散器頂部來調節擴散器輸送的空氣量。

應用特點

地板式送風空調系統冷負荷

計算過程的流程圖顯示了中央空調系統計算的冷卻負荷轉換為 地板式送風空調系統冷卻負荷，然後在供應室、區域（房間）和返回室之間劃分。

地板式送風空調系統和架空系統的冷負荷曲線不同， [10]主要是由於與質量較重的結構樓板相比，重量較輕的高架地板具有蓄熱效果。高架地板的存在降低了板材儲存熱量的能力，從而與沒有高架地板的系統相比，具有高架地板的系統產生更高的峰值冷卻負荷。在中央空調系統中，特別是在邊緣區域，部分進入的太陽輻射熱在白天儲存在樓板中，從而減少峰值區域製冷負荷，然後熱量在系統關閉時在夜間釋放。在地板式送風空調系統中，高架地板的存在將吸收太陽能的大塊地板轉變為重量更輕的材料，從而導致相對較高的峰值區域冷負荷。 [4]基於 EnergyPlus 模擬的建模研究表明，通常，地板式送風空調系統的峰值冷卻負荷比中央空調冷卻負荷高 19%，並且地板式送風空調系統總冷卻負荷的 22% 和 37% 進入周邊和內部的供氣室。 [11]

Center for the Built Environment 制定了一個新的指標：地板式送風空調系統冷負荷比（UCLR），定義為地板式送風空調系統計算的峰值冷負荷與混合良好的中央空調系統的峰值冷負荷之比，以計算每個區域內地板式送風空調系統冷負荷以及中央空調（混合良好）系統的峰值冷卻負荷。 UCLR 由區域類型、樓層和區域方向決定。 供氣室比例 (SPF)、區域比例 (ZF) 和 回氣室比例 (RPF) 的含義類似，用於計算供氣室、區域和回氣室冷卻負荷。 [10]

地板式送風空調系統和能耗

地板式送風空調系統系統的能源評估尚未完全正式完成，但它是非常有前景的。研究表明，與基於天花板的空氣分配 (CBAD) 相比，地板式送風空調系統可節省高達 30% 的能源，因為它具有較低的壓降和較低的氣流速率。 [12]典型的增壓室壓力為25帕斯卡（0.0036磅力每平方英寸） （0.1英寸水柱體積）或更小。 [13] 地板式送風空調系統特別適用於天花板高度較高的建築，節能效果更為明顯。由於地板式送風空調系統是通過使用不同類型的分配配置和出口的高架地板供氣來實現的，因此系統高效運行的關鍵是確保熱分層的建立。 未全效運行的地板式送風空調系統無法達到系統預設的能耗節約。 [14]此外，節能調查表明，這個數量因位於不同氣候的建築物而異，建議在設計合適的 HVAC 系統之前進一步研究調查這個因素。 UFAD系統在正常天氣條件下提供最佳節能效果；節能能力在太熱或太冷的氣候下有所下降。 [15]另一方面，批評者質疑地板式送風空調系統系統是否能夠在實踐中提高能源效率，因目前的系統缺乏嚴格的研究和測試來解釋不同氣候、系統設計、熱舒適性和空氣質素下系統的運行情況。有限的模擬工具、缺乏設計標準和相對稀缺的示例項目加劇了這些問題。 [16] [17]

參考

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Bauman, Fred S.; Daly, Allan. Underfloor Air Distribution (UFAD) Design Guide. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. 2003. ISBN 978-1-931862-21-9. OCLC 54615153. 
  2. ^ 2.0 2.1 Webster, T.; Bauman, Fred; Reese, J. Underfloor air distribution: thermal stratification. ASHRAE Journal. 2002, 44 (5) [2022-11-21]. （原始內容存檔於2018-11-19）. 
  3. ^ Bauman, Fred; Webster, T. Outlook for underfloor air distribution. 2001-06-01 [2022-11-21]. （原始內容存檔於2018-11-08） （英語）. 
  4. ^ 4.0 4.1 ASHRAE Technical Resource Group On Underfloor Air Design. UFAD GUIDE Design, Construction and Operation of Underfloor Air Distribution Systems. W. Stephen Comstock. 2013 [2022-11-21]. ISBN 978-1-936504-49-7. （原始內容存檔於2015-09-24）. 
  5. ^ Hanzawa, H.; Higuci, M., Air flow distribution in a low-height underfloor air distribution plenum of an air conditioning system, AIJ Journal of Technology and Design, 1996, 3: 200–205, doi:10.3130/aijt.2.200 
  6. ^ Bauman, Fred; Pecora, Paolo; Webster, Tom, How low can you go? Air flow performance of low-height underfloor plenums, Center for the Built Environment, UC Berkeley, 1999 [2022-11-22], （原始內容存檔於2015-04-04） 
  7. ^ Bauman, Fred. UFAD diffusers. Center for the Built Environment, UC Berkeley. [2022-11-22]. （原始內容存檔於2021-09-25）. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 Nielsen, P. V., Displacement Ventilation – Theory and Design, U (Department of Building Technology and Structural Engineering, Aalborg University), 1996, U9513, ISSN 0902-8005 
  9. ^ 9.0 9.1 Lee, K.S.; Jiang, Z.; Chen, Q., Air distribution effectiveness with stratified air distribution, ASHRAE Transactions, 2009, 115 (2) 
  10. ^ 10.0 10.1 Schiavon, Stefano; Lee, Kwang Ho; Bauman, Fred; Webster, Tom. Simplified calculation method for design cooling loads in underfloor air distribution (UFAD) systems. Energy and Buildings. February–March 2011, 43 (2–3): 517–528 [2022-11-22]. doi:10.1016/j.enbuild.2010.10.017. （原始內容存檔於2019-04-03）. 
  11. ^ Schiavon, Stefano; Lee, Kwang Ho; Bauman, Fred; Webster, Tom, Simplified calculation method for design cooling loads in underfloor air distribution (UFAD) systems, Energy and Buildings, 2011, 43 (2): 517–528 [2022-11-22], doi:10.1016/j.enbuild.2010.10.017, （原始內容存檔於2019-04-03） 
  12. ^ Alajmi, Ali; El-Amer, Wid. Saving energy by using underfloor-air-distribution (UFAD) system in commercial buildings. Energy Conversion and Management. Global Conference on Renewables and Energy Efficiency for Desert Regions (GCREEDER 2009). 2010-08-01, 51 (8): 1637–1642 [2022-11-22]. ISSN 0196-8904. doi:10.1016/j.enconman.2009.12.040. （原始內容存檔於2012-08-31） （英語）. 
  13. ^ Bauman, Fred; Daly, Allan, Underfloor Air Distribution Design Guide, ASHRAF, 2003 
  14. ^ Alajmi, Ali F.; Abou-Ziyan, Hosny Z.; El-Amer, Wid. Energy analysis of under-floor air distribution (UFAD) system: An office building case study. Energy Conversion and Management. 2013-09-01, 73: 78–85. ISSN 0196-8904. doi:10.1016/j.enconman.2013.04.003 （英語）. 
  15. ^ Assessing the Performance of UFAD System in an Office Building Located In Various Climate Zones (PDF). [2022-11-22]. （原始內容存檔 (PDF)於2022-11-15）. 
  16. ^ Lehrer, David; et al, Reality new research findings on underfloor air distribution systems., Center for the Built Environment, UC Berkeley: 6, 2003 [2011-11-29], （原始內容存檔於2022-11-22） 
  17. ^ Woods, James, What real world experience tells us about the UFAD alternative, ASHRAE Journal, 2004 [2011-11-29], （原始內容存檔於2022-11-28） 
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