地板式送风空调系统

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地板式送风空调系统(UFAD) 是一种通风策略，用于在建筑物中提供通风和空调，作为暖通空调系统设计的一部分。地板式送风空调系统使用位于结构混凝土板和高架地板系统之间的地板下送风静压箱，将经过处理的空气输送到送风口（通常为地面散流器），这些送风口一般布置在室内地面或接近地面的区域。空气在室内完成热湿交换后，通常从天花板高度或高于人员活动区的上部空间回风，从而形成自下而上的气流组织。

地板式送风空调系统利用空气的自然浮力并产生空气分层现象：房间的下部供应新鲜的空调空气，产生几乎是空气置换的效应，并且几乎没有空气再循环；分层的上部区域集中了较温暖、混合均匀的空气和更多的污染物。这种现象可以更有效地供应和调节使用者附近的空气，并将废气从使用者身上抽走。

地板式送风空调可以带来优于传统中央空调系统几个潜在优势，包括降低全周期建筑成本；提高热舒适度、居住者满意度和工作效率；改善通风效率、室内空气质量和健康；减少建筑能耗；并降低新建筑的楼板构造高度。将地板下送风与天花板回风相结合的气流组织，在高换气次数和低换气次数条件下，都可以显著降低空气传播病菌/病毒的风险。

地板式送风空调系统最初是在 1950 年代开始进入市场，最早用于具有高热负荷和高架地板系统的房间（例如计算机房、控制中心等）。该系统于 1970 年代应用于西德的办公楼，并增加了使用者可以控制的局部送风散流器。如今，地板式送风空调系统已在欧洲、南非和日本获得广泛认可。

地板式送风空调系统通常用于办公楼，尤其是需要高架地板进行电缆管理的开放式办公室和其他需要空间灵活性的场所。地板式送风空调适用于多种不同的建筑类型，包括商业、学校、教堂、机场、博物馆、图书馆等。在北美使用地板式送风空调系统的著名建筑包括纽约时报大厦、美国银行大厦和旧金山联邦大厦。在 地板式送风空调系统的施工阶段需要仔细考虑，以确保静压箱密封良好，避免地板式送风空调下部空间中的供应空气泄漏。

## 地板式送风空调系统描述

地板式送风空调系统依靠空调机组过滤和调节空气以达到合适的送风条件，然后将其输送到人员活动区域。传统中央空调系统通常使用通风管道来分配空气，而 地板式送风空调系统则使用高架地板的地板下静压箱。静压箱通常高出结构混凝土板0.3到0.46米，尽管更低的高度也是可能的。特别设计的地板送风口将空气送到室内。其他形式还包括在送风口处设置风机盘管末端装置、使用地板下风管、桌面送风口，或与个人环境控制系统相连接。

## 地板送风空调的气流组织和分层

热分层是是由于空气按密度差异自然分层所产生的现象。由此产生的空气层是一个垂直梯度，下面是高密度和较冷的空气，上面是低密度和较暖的空气。由于空气的自然对流运动，这种分层现象主要应用于制冷工况中。

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地板式送风空调系统利用了热空气因热浮力而上升时发生的自然分层。在 地板式送风空调系统设计中，经过调节的空气停留在房间较低的人员活动区域，而人员和设备等热源会产生热羽流，这些热羽流将暖空气和热源产生的污染物带向天花板，在那里它们通过回风排出。地板送风空调系统形成的温度分层对房间的温控设定有影响。使用者的大部分身体所在的区域温度低于恒温器高度处的温度；因此，与传统的上送风空调系统相比，通常建议将恒温器设定温度适当提高。理想的送风策略是控制送风口，使送风空气与室内空气的混合仅发生在呼吸高度以下区域。超过这个高度，就允许出现分层和污染物浓度较高的空气层。与传统的均匀混合系统相比，使用者呼吸的空气中污染物浓度得以降低。

地板送风空调系统的理论是扎根于置换通风的热羽流理论。传统置换通风系统通常以低速送风不同，典型的地板送风空调系统一般通过地板送风口以较高的送风速度将空气送入室内。这种较高的送风速度会增加空气的混合程度（从而通风效果比置换通风系统差），同时也会对室内空气分层以及人员活动区域的热舒适性产生显著影响。因此，对这种空气分层现象进行有效控制和优化，对于地板送风空调系统的设计与选型、节能运行以及舒适性表现都至关重要。

影响地板送风空调系统通风效率的因素很多，包括：层高、送风口特性、送风口数量、送风温度、总风量、冷负荷以及空调运行模式等。研究表明，旋流型和穿孔地板送风口在人员活动区域内可形成较低的空气速度；而线性送风口则会在该区域产生较高的气流速度，从而扰乱热分层结构，并可能带来吹风感。此外，地板送风口还提供了一定程度的个性化调节能力，使用者可以通过旋转送风口顶部来调节送风量，从而实现对局部环境的控制。

## 应用特点

### 地板式送风空调系统冷负荷

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地板式送风空调系统和上送风系统的冷负荷不同，主要是由于与质量较重的结构楼板相比，重量较轻的高架地板蓄热效果较差，从而具有更高的峰值冷负荷。在上送风空调系统中，特别是在外周区域，部分进入的太阳辐射热在白天储存在楼板中，从而减少峰值冷负荷，然后热量在夜间缓慢释放。在地板式送风空调系统中，高架地板的存在将吸收太阳能的大块地板转变为质量更轻的材料，从而导致相对较高的峰值冷负荷。基于 EnergyPlus 模拟的模拟研究表明，通常，地板式送风空调系统的峰值冷负荷比上送风空调系统冷负荷高 19%，并且地板式送风空调系统总冷负荷的 22% （外周区域）和 37%（内部区域）进入了送风静压箱中。

建筑环境中心提出了一种新的指标——地板送风空调系统冷负荷比（UCLR）。该指标定义为：地板送风空调系统计算得到的峰值冷负荷与均匀混合系统计算得到的峰值冷负荷之比，用于在已知传统顶送风（均匀混合）系统峰值冷负荷的基础上，估算各区域的地板送风空调系统冷负荷。该指标取决于房间类型、楼层位置以及区域朝向。同时，还提出了供风静压箱负荷比例 (SPF)、房间区域负荷比例(ZF) 和回风静压箱负荷比例，用于分别计算送风静压箱、房间区域以及回风空间的冷负荷分配 (RPF)。

### 地板式送风空调系统分区送风流量的设计工具

有两种设计工具可以用来计算地板送风空调系统的分区送风流量，一个是普渡大学为ASHRAE研究项目(RP-1522)所开发的。另外一个是加州大学伯利克分校的建成环境中心开发的。

ASHRAE 研究专案（RP-1522）开发了一种简化设计工具，可用于计算人体头部与脚踝之间的垂直温差、单个静压箱区域的送风量、散流器数量以及气流组织效率。该工具要求使用者指定区域冷负荷和分配给地板下静压箱的冷负荷比例。此外，使用者还需要输入送风温度，或者是在散流器，或者是在风管中的送风温度，同时还需提供静压箱空气流量与区域送风量之间的比值。该工具允许用户从三种不同的散流器中进行选择，并适用于七类建筑，包括办公室、教室、车间、餐厅、零售商店、会议室和礼堂。

基于大量研究成果，加州大学伯利克分校的建成环境中心开发了地板送风空调系统设计工具，可以利用针对同一建筑采用传统顶送风系统所计算出的设计冷负荷，来预测地板送风空调系统系统的冷负荷。该工具还能够计算送风量、室内温度分层和地板下静压箱的温升，并且适用于采用地板送风空调系统的典型多层办公建筑中的内区和周边区。建成环境中心工具允许用户从四种不同的静压箱配置中进行选择，分别是串联式、反向串联式、独立式和共用式。同时还可选择三种地板散流器类型：旋流型、方形型、线性条缝格栅型。

### 静压箱送风温升

静压箱送风温升是指：经过处理的空气在地板下送风静压箱中，从静压箱入口流向地板散流器的过程中，由于对流得热而导致的温度升高。这种现象也被称为“热衰减”。静压箱空气温升是由于与温度高于送风的混凝土楼板和架空地板接触而引起的。根据一项类比研究，空气温升可能相当显著（最高可达 5 °C）。随后，与没有空气温升的理想化地板下送风类比情况相比，送风散流器出口空气温度升高会导致更高的送风量，以及风机和冷水机组能耗的增加。同一项研究还发现，夏季的空气温升高于冬季，并且这种现象还取决于当地气候。

采用地面混凝土板的地板送风空调系统，其空气温升相比中间层和顶层更小；而送风温度的提高则会导致送风到回风之间的温升降低。这个温升并不会明显受到周边区域朝向、室内热负荷以及窗墙比的影响。因此，送风静压箱中的空气温升会影响地板送风空调系统的节能潜力，以及其在送风温度高于传统顶送风系统的情况下满足空调需求的能力。当前研究表明，通过将空气输送到负荷通常最大的周边区域，地板送风空调系统的节能性和热舒适性都可以得到提升。然而，批评者认为，这种地板下的风管布置会削弱低压静压箱所带来的优势，同时在地板支撑脚之间安装风管时，也会增加设计和施工的复杂性。

### 地板下送风空调系统静压箱的泄漏

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地板下送风空调系统静压箱中的泄漏，可能是导致系统效率低下的重要原因。泄漏主要分为两种类型：一种是泄漏到室内空间，另一种是泄漏到绕过室内空间的通道中。第一类泄漏不会造成额外的能耗，因为空气最终仍然到达了预定空调区域。而第二类泄漏则会为了维持恒定的静压箱压力而增加风机能耗，从而导致整体能源使用增加。因此，在地板下送风空调系统系统的施工阶段，必须特别注意确保静压箱具有良好的密封性。

### 地板式送风空调系统和能耗

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地板式送风空调系统的能耗评估尚未完全正式完成，但它是非常有前景的。研究表明，与基于顶送风空调系统的气流组织 相比，地板式送风空调系统可节省高达 30% 的能源，因为它具有较低的压降和较低的气流速率。典型的静压箱压力为25帕斯卡或更小。地板式送风空调系统特别适用于天花板较高的建筑，节能效果更为明显。由于地板送风空调系统是通过架空地板，采用不同的送风形式和出风口来向室内供应空气，因此要使系统高效运行，关键在于确保形成良好的热分层。低效运行的地板式送风空调系统无法达到系统预设的节能目标。此外，调查表明，节能的具体数量因位于不同气候的建筑物而异，建议在设计合适的暖通空调系统之前进一步研究调查这个因素。

## 应用领域

地板下送风空调系统经常应用于办公建筑，尤其是那些高度可重构以及开放式办公室，因为架空地板本身就有利于电缆管理。地板送风空调系统也常见于指挥中心、IT资料中心以及服务器机房，这些场所通常由于电子设备众多而具有较大的冷却负荷，同时还需要布置电力和资料线缆。ASHRAE的《地板下送风设计指南》指出：任何正在考虑采用架空地板进行线缆布置的建筑，都应当考虑使用 地板送风空调系统系统。

在实验室中使用地板下送风空调系统时，需要特别考虑空间条件，因为实验室通常对房间压差控制有严格要求，而且化学品泄漏后可能会进入架空地板静压箱并发生扩散。对于某些特定类型的建筑或空间，通常不建议采用地板下送风空调系统，例如小型非住宅建筑、卫生间和泳池区域等潮湿空间、厨房和餐饮区域以及体育馆等，因为地板送风空调系统在这些场所可能会导致设计特别困难或成本过高。地板送风空调系统也可以与其他暖通空调系统联合使用，以获得更好的性能，例如置换通风、顶送风系统、辐射天花系统或冷梁系统。

## 地板下送风空调系统与其他送风系统的比较

### 顶送风系统

传统的顶送风系统通常将送风管和回风管都布置在天花板高度。送风空气以高于人体舒适范围的速度送入室内，其空气温度会根据冷负荷或热负荷的不同而低于、高于或等于室内所需温度。高速湍流射流形式的送风空气会与室内空气充分混合。

与传统顶送系统相比，经过良好设计的地板送风系统具有若干潜在优势，例如更高的空间布局灵活性、更好的热舒适性、更高的通风效率与室内空气质量、在适宜气候下具有更高的能源效率和更低的生命周期成本。

### 置换通风

置换通风系统与地板下送风空调系统的工作原理相似。置换通风系统系统在靠近地面的位置向空调区域送入冷空气，并在天花板位置回风。该系统利用暖空气的自然浮升力，以及热源产生的热羽流来工作：较冷空气从低处送入后，暖空气会上升并被带走。虽然两者相似，但地板下送风空调系统通常会在人员活动区域内产生更多空气混合，并提供局部送风，因此能够增强室内空气流动，减少常与空气质量较差相关的空气停滞感。两者在实际应用中的主要区别在于地板送风空调系统通过尺寸较小的送风口以更高风速送风，而地板送风空调系统的送风速度通常较低。此外，地板送风空调系统的送风口通常还可以由使用者自行调节控制。