置換通風以房間內熱源(人員、設備等)產生的熱浮升力為動力而使室內空氣熱力分層的通風方式，原理如圖1所示。新鮮冷空氣直接以低速(送風速度約為0.25m/s左右)緩緩流入下部工作區域，送風的動量很低，以致于對室內主導氣流無任何實際的影響，冷空氣因密度大于周圍的空氣密度而沿著地板向四周蔓延，從而彌漫整個房間底部形成空氣湖。室內空氣湖在熱源自由熱對流(或稱熱羽流)的作用下，而被卷吸至上區，同時在上部排出熱污染空氣，以實現置換式通風。當熱源也是污染源時，對流氣流可以將污染物卷吸至上部空間區域，使得空調房間的污染區域上移，保證了工作區的空氣清新潔凈。

圖1 置換通風原理圖

(1) 置換通風具有明顯的熱力分層現象，在上下區內具有以下特點：在下部人員停留的工作區內垂直高度方向，空氣溫度分布為垂直遞增，在水平方向近乎為等溫。由于流體抗剪應力能力較差，所以水平面上溫差變化不大；在垂直方向不同的溫度層之間主要以分子熱運動和導熱進行熱量交換，只有在熱源附近由于熱源的熱射流作用，層與層之間進行對流換熱，一部分冷空氣被熱射流卷吸至分層高度以上。因此，下部空氣區內向上浮升的氣流呈單向流動，猶如汽缸內活塞運動一樣，從而提供了很好的室內空氣品質。在上部區存在氣流回返混合,氣流呈紊流混合狀態，該區域內空氣溫度高、污濁氣體濃度大，溫度和密度較均勻，空氣品質較差。但由于污染區在工作區的上部，所以，置換通風具有明顯改善室內的空氣品質的作用。

(2) 置換通風與混合通風相比，換氣效率高、通風效率好^[1]。

(3) 置換通風承擔工作區負荷和部分上區的負荷，具有明顯的節能效果^[2][3]。

(4) 通過送風量控制上下區的分層高度。

在實驗及分析研究中發現置換通風也存在某些局限性，如：

(1)當垂直溫差較大時，會產生吹風感或上熱下冷不舒適的感覺；所以送風溫差應控制在1～3℃的范圍內。

(2)由于人體的下肢體有較強的冷敏感區域，當冷氣流在下部流動時，會產生不舒適性，所以送風溫度不能太低；

(3) 空氣湖的流速不宜太大，應避免使人產生吹風感，因此風口送風面積會較大，從而在一定程度上限制了消除室內余熱的單位負荷能力；

(4) 由于送回風壓差較小，混合式的測風速法不易實現等。

根據上述分析可見，置換通風一般適用于以下場合^[4]：

(1) 必須使污染物與熱源相結合或污染物重率小；

(2) 工作區的冷負荷占總負荷的一部分；

(3) 房間高度必須>2.4m；

(4) 房間的冷負荷一般不超過120W/m²。

在辦公室和家居環境中，污染源主要是以人員和家用電器為主的熱污染；對于新裝修的房間內還存在重率較小有害揮發物，這些揮發物與熱源結合被卷吸至人員活動區以上的區域。因此辦公室和家居室能夠滿足置換通風的使用條件。

實現置換式通風空調的關鍵是置換式通風用空調器，與普通的家用空調器相比，在結構上有明顯的區別。置換通風空調器主要由兩部分組成：室外機和室內機，室外機主要由制冷設備的壓縮機、冷凝器和風機組成；室內機主要由制冷設備的節流閥、蒸發器和通風設備的(上側)回風格柵、雙向風機、(下側)送風格柵、室外風及風閥等組成。根據置換通風口的安裝方便性和對空間的利用程度可分為落地式置換通風空調器和壁掛式置換通風空調器，其工作原理如下。

落地式置換通風空調器主要形式以柜式為主，其工作原理：在夏季時，回風從上側回風口進入，經風機加壓，再經表冷器減濕降溫后由送風格柵均勻低速送入室內，在室內冷空氣因密度大，而沿地板向四周蔓延，并彌漫整個房間底部，形成空氣湖，在室內熱源熱羽流作用下，將部分冷的空氣卷吸至上區，在上部排出部分熱污染空氣，在分層高度處回風口吸入回風完成循環，從而實現置換式通風；在冬季，回風則從下側的風口進入，風機反轉，送風從上側風口以射流的形式將熱空氣送入室內。

壁掛式置換通風空調器主要是為了節省地面空間而將室內機懸掛于墻壁上。如此一來，相當于將置換通風風口的位置提高，原理如圖2所示。在送風時，必然將人員活動區的上部污濁空氣帶入下區，而削弱了置換通風的效果，關于風口上置置換通風的研究在文獻[5]中較為詳細的進行了論述，并對風口提出了基本要求。滿足這一要求實現的方法很多，對于大空間置換通風一般采取選用射流合理的風口，而在辦公、居室等小空間空調中，建議^[5]采用與室內裝修結合、充分利用夾壁空間，如柜櫥的背面與墻壁間隙、掛毯與墻壁面間隙等，實現送風空氣與上區污濁空氣隔離。根據以上分析，本文提出以下幾種壁掛式置換通風空調器形式：室內機+掛毯裝飾、室內機+柜廚與壁面、室內機安裝位置在分層高度處、室內機做成落地裝飾物墻角布置、室內機+特別制作的夾壁空間等。

圖2 壁掛置換通風原理圖

相對于其他場合空調方式，辦公和家用置換通風空調在設計上也不盡相同。為了獲得較好的空調效果，必須進行合理的計算和設計。

在國內設計規范資料^[6]中對置換式通風的熱舒適標準做了相應規定，見表1中GB欄。在國際上各國針對置換通風的特點，在滿足熱舒適性的設計標準要求上，各國或協會組織做了相應的且各自有所不同的設計標準或指標^[6][7]，參見表1。

辦公、居室的置換式通風的熱舒適標準一般采用GB 50019 (2003)或ISO 7730的標準。分層高度一般根據人員停滯區內較長時間的身體姿勢，可分為兩種：坐姿時取1.1m，站姿時1.8m。相應工作區的溫度梯度一般要求≤3℃/m。

在辦公室、家居環境中，置換通風空調設計工作主要有分層高度、送風溫度、熱舒適參數的確定，分層高度的控制方法，空調器送風量和風口尺寸(送風面積)確定等幾個部分。

3.2.1 分層高度、送風參數等的確定

分層高度是置換式通風空調房間的被控制參數，一般在設計前，根據人員較長時間停留區域內的身體姿勢確定，比如辦公室、家居室內的客廳，人員主要以坐姿為主，分層高度可以取1.1m；而在公共場所的會客廳多以站姿為主，可以取1.8m。值得注意的是室內上下區的分層并不明顯，兩者之間存在一個過渡區，在此區內溫度梯度較大、厚度一般為0.25～0.5ｍ^[8]。

熱舒適參數的確定。在置換通風房間中，室內空氣具有明顯的熱力分層現象，一般根據熱舒適標準需要確定以下幾個室內控制參數：

(2) 地面0.1m處的最低送風溫度t_{0.1 min}≥19.0℃(冬季)，t_{0.1 min}≥21.0℃(夏季)；

(3) 工作區最大空氣流速V_{0.1～1.1(1.8)max}£0.15m/s(冬季)，V_{0.1～1.1（1.8）max}£0.25m/s(夏季)。

表1 各國及協會組織的置換通風設計標準

適用指標國別或協會組織		DIN1946/2 (1994)	SIA V382/1 (1992)	CIBSE (1990)	ISO 7730 (1990)	ASHRA E 5529	GB 50019 (2003)
各項指標值	t0.1~1.1=t1.1-t0.1	£2℃	£2℃	£3℃	£3℃	——	——
	t0.1~1.8=t1.8-t0.1	——	——	——	——	£3℃	£3℃
	0.1m處最低送風溫度 t0.1min	21℃	冬季：19℃ 夏季：22℃	冬季：20℃ 夏季：22℃	19～26℃	18～29℃	——
	工作區空氣流速或 通風器出風速度	0.15～0.18 m/s	——	——	冬季：£0.15m/s 夏季：£0.25m/s	——	工業：£0.15m/s 民用：£0.20m/s

注：DIN—德國工業標準；SIA—瑞士工程師和建筑師協會；CIBSE—建筑設備工程師研究院； ISO—國際標準化組織；ASHRAE—美國供暖制冷空調工程師學會；GB—中華人民共和國國家標準。

3.2.2 分層高度的控制方法

在置換通風空調房間中，一般是利用在分層高度上熱源卷吸風量與送風量之間大小關系來控制房間內空氣上、下區的分層高度。如在某一分層高度上，送風量大于熱源卷吸風量，分層高度將向上移動，直至在另一分層高度處送風量與熱源卷吸風量相等。

3.2.3 空調器送風量的確定

在置換通風房間中，除了保證人員活動區的空氣品質外還需要考慮熱舒適性的要求。所以，置換通風的風量計算一般需要考慮兩個方面：室內空氣品質要求和室內熱舒適性要求。風量確定時，先用室內空氣品質控制的方法計算分層高度處熱源卷吸風量，然后再滿足熱舒適性要求的方法計算消除室內余熱所需風量，最后比較兩者，取風量較大者作為置換通風送風量^[9]。

① 控制室內空氣品質計算風量的原理：直接用經驗公式計算各個熱源對流流動引起的卷吸風量q_v,z，然后求和即得出置換通風房間內總的送風量q_s1。計算時，可以根據熱源的具體外形在表2中選擇相應的公式。

表2 熱源卷吸量計算公式表

熱源分類	參數及公式
點、線和 園面熱源	參數	點熱源	線熱源
	熱射流軸線速度vz(m/s)	vz=0.128Φ1/3z-1/3	vz=0.067Φ1/3
	熱射流軸線剩余溫度Δθz[K]	Δθz=0.329Φ2/3z-5/3	Δθz=0.094Φ2/3z-1
	熱源卷吸風量qv,z(L/s點熱源，L/sm線熱源)	qv,z=5.0Φ1/3z5/3	qv,z=13.0Φ1/3z
豎直面 熱源	參數	層流區	紊流區
	斷面最大速度vz(m/s)	vz=0.1·	vz=0.1·
	邊界層厚度δ[m]	δ＝0.05∙Δθ－0.25∙z0.25	δ＝0.11∙Δθ－0.1∙z0.7
	熱源卷吸量qv,z(L/sm 寬度)	qv,z＝2.87∙Δθ0.25∙z0.75	qv,z＝2.75∙Δθ0.4∙z1.2

表中Φ熱源對流熱流量[單位：W 或W/m]，用下式計算Φ值：Φ＝ k´Φ_tot

式中:Φ_tot-- 熱源總的能量消耗量 ，W； k--熱源對流換熱量系數，熱源為園管或方管時 k～0.9，小型發熱元件時k=0.4～0.6，大型機械或元件k=0.3～0.5； z對于點熱源是距離熱源的高度(m)。對由大面積熱源，z的計算如圖3所示,z包含虛擬熱原點距離z₀,文獻[9]給出射流擴散角α＝25^o，假設熱源面的直徑或近似圓形的當量直徑為D，則最大值z_{0 max}=2.3D，最小值z_{0 min}=1.8D；Δθ--是熱源表面溫度與周圍空氣的溫度差，℃。--=0.7

圖3 點熱源及面熱源的虛擬點

② 考慮熱舒適性的要求計算送風量。根據風量平衡，送風口送入的風量最后由排風口和回風口流出空調房間，同時消除室內余熱。滿足熱舒適要求需要風量的表達式為:

Q_s2=Q₀/[ρc_p(t_e－t_s)]  (1)

式中 q_s2空調送風量，m³/h；Q₀ 空調房間對流換熱量，W；ρ、c_p分別空氣密度和比熱，0.335Wh/Km³；t_e、t_s排風溫度和送風溫度(按設計標準查取送風溫度)，℃。利用這種方法計算所需要的送風量時，一般采用試算的方法。式(1)中Q₀可以采用混合通風計算方法計算出來的冷負荷。假定消除室內冷負荷的風量q_s2為q_s1，帶入公式(1)，計算出排風和送風溫度差Δt_es。根據空調熱舒適要求，一般送、排風溫差Δt_es≤10℃，如果計算出的送、排風溫差Δt_es<10℃，則排風的溫度可以采用“50%的原則”確定，即工作區內距離地面0.1m處的溫度與送風溫度差Δt_0~0.1是送、排風溫差Δt_es的50％。相反，如果計算的溫差Δt_es>10℃時，需要重新選擇送風溫差Δt_es≤10℃的一個值，帶入(1)式計算出送風量q_s2。再根據“50%的原則”確定出排風溫度。當熱源分布距離地面有一定距離時，送、排風溫度的計算也可采用“30%的原則”。

比較兩種計算方法計算出的風量，選取大者作為置換通風空調器的送風量。

3.2.4 置換通風空調器的送風面積計算

置換通風空調器的送風面積用(2)式確定送風面積：

F₀＝q_s/v₀   （2）

式中：F₀為送風斷面積，m²；q_s為送風量，m³/s；v₀為風口送風速度，熱舒適標準查得，m/s。

3.2.5 空調器選型

按風量計算過程②步中確定的送風溫度為空調器的送風溫度。根據送風量、送風溫度和室內全室冷負荷選擇空調器型號，并與室內建筑和裝飾配合正確安裝空調器。

(1) 室內機與室內裝飾相互協調配合設計，并保證送風不被裝飾材料二次污染；

(2) 室內機的布置位置最好在接近人員經常停留區域附近的壁面或墻底部，室內機的送風口下方應遠離熱源，即不應設置在熱水器、大功率燈具或電視機等熱源附近或上方；

(3) 地面風口出風處應留有足夠的出風面積或者出風格柵面積應足夠大，避免送風速度過大(一般不超過0.5m/s)，引起不舒適的冷感；

(4) 室內機及送風夾壁的風道應避免置于外圍護結構的墻面上；

(5) 與其他房間共用一臺室內機時，在兩房間門的上部或門上部墻上開通風窗（格柵），同時在門的下部(接近地面)開通風格柵；

(6) 當送風口的出風口位置較高或室內機安裝位置在分層高度處時，送風射流范圍內可以布置如花盆等室內景物，加強送風與人員活動區的空氣混合，防止產生冷感。但布置的裝飾物不能產生熱量、不能散發過敏性物質或揮發性有害物質。

辦公室和家居環境是人們工作學習的主要場所，其空氣品質的好壞對人體健康有重要的影響，而改善室內空氣品質的有效途徑之一就是采取有效的通風方式。而置換式通風具有通風效率高、明顯改善室內的空氣品質的特點，將置換式通風應用于辦公、家居環境中具有重要的研究價值。本文首先根據置換通風原理和特點及其適用條件，結合辦公室和家居環境的特點給出了置換式通風空調的工作原理，并按使用場合進行分類。繼而，相對于其他場合空調方式，文中給出了系統設計步驟和計算方法，以獲得較好的空調效果，最后指出置換通風空調器設計安裝應注意的問題。