地板式送風空調系統

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送風靜壓箱，將經過處理的空氣輸送到送風口（通常為地面散流器），這些送風口一般佈置在室內地面或接近地面的區域。空氣在室內完成熱濕交換後，通常從天花板高度或高於人員活動區的上部空間回風，從而形成自下而上的氣流組織。

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。

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、室內空氣品質和健康；減少建築能耗；並降低新建築的樓板構造高度。將地板下送風與天花板回風相結合的氣流組織，在高換氣次數和低換氣次數條件下，都可以顯著降低空氣傳播病菌/病毒的風險。

地板式送風空調系統最初是在 1950 年代開始進入市場，最早用於具有高熱負荷和高架地板系統的房間（例如電腦房、控制中心等）。該系統於 1970 年代應用於西德的辦公樓，並增加了使用者可以控制的局部送風散流器。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。

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。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、美國銀行大廈和舊金山聯邦大廈。在 地板式送風空調系統的施工階段需要仔細考慮，以確保靜壓箱密封良好，避免地板式送風空調下部空間中的供應空氣洩漏。

## 地板式送風空調系統描述

地板式送風空調系統依靠空調機組過濾和調節空氣以達到合適的送風條件，然後將其輸送到人員活動區域。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靜壓箱。靜壓箱通常高出結構混凝土板0.3到0.46米，儘管更低的高度也是可能的。特別設計的地板送風口將空氣送到室內。其他形式還包括在送風口處設置風機盤管末端裝置、使用地板下風管、桌面送風口，或與個人環境控制系統相連接。

## 地板送風空調的氣流組織和分層

熱分層是是由於空氣按密度差異自然分層所產生的現象。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。由於空氣的自然對流運動，這種分層現象主要應用於製冷工況中。

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人員活動區域，而人員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向天花板，在那裡它們通過回風排出。地板送風空調系統形成的溫度分層對房間的溫控設定有影響。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，與傳統的上送風空調系統相比，通常建議將恆溫器設定溫度適當提高。理想的送風策略是控制送風口，使送風空氣與室內空氣的混合僅發生在呼吸高度以下區域。超過這個高度，就允許出現分層和污染物濃度較高的空氣層。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。

地板送風空調系統的理論是紮根於置換通風的熱羽流理論。傳統置換通風系統通常以低速送風不同，典型的地板送風空調系統一般通過地板送風口以較高的送風速度將空氣送入室內。這種較高的送風速度會增加空氣的混合程度（從而通風效果比置換通風系統差），同時也會對室內空氣分層以及人員活動區域的熱舒適性產生顯著影響。因此，對這種空氣分層現象進行有效控制和優化，對於地板送風空調系統的設計與選型、節能運行以及舒適性表現都至關重要。

影響地板送風空調系統通風效率的因素很多，包括：層高、送風口特性、送風口數量、送風溫度、總風量、冷負荷以及空調運行模式等。研究表明，旋流型和穿孔地板送風口在人員活動區域內可形成較低的空氣速度；而線性送風口則會在該區域產生較高的氣流速度，從而擾亂熱分層結構，並可能帶來吹風感。此外，地板送風口還提供了一定程度的個性化調節能力，使用者可以通過旋轉送風口頂部來調節送風量，從而實現對局部環境的控制。

## 應用特點

### 地板式送風空調系統冷負荷

地板式送風空調系統和上送風系統的冷負荷不同，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蓄熱效果較差，從而具有更高的峰值冷負荷。在上送風空調系統中，特別是在外周區域，部分進入的太陽輻射熱在白天儲存在樓板中，從而減少峰值冷負荷，然後熱量在夜間緩慢釋放。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質量更輕的材料，從而導致相對較高的峰值冷負荷。基於 EnergyPlus 模擬的模擬研究表明，通常，地板式送風空調系統的峰值冷負荷比上送風空調系統冷負荷高 19%，並且地板式送風空調系統總冷負荷的 22% （外周區域）和 37%（內部區域）進入了送風靜壓箱中。

建築環境中心提出了一種新的指標——地板送風空調系統冷負荷比（UCLR）。該指標定義為：地板送風空調系統計算得到的峰值冷負荷與均勻混合系統計算得到的峰值冷負荷之比，用於在已知傳統頂送風（均勻混合）系統峰值冷負荷的基礎上，估算各區域的地板送風空調系統冷負荷。該指標取決於房間類型、樓層位置以及區域朝向。同時，還提出了供風靜壓箱負荷比例 (SPF)、房間區域負荷比例(ZF) 和回風靜壓箱負荷比例，用於分別計算送風靜壓箱、房間區域以及回風空間的冷負荷分配 (RPF)。

### 地板式送風空調系統分區送風流量的設計工具

有兩種設計工具可以用來計算地板送風空調系統的分區送風流量，一個是普渡大學為ASHRAE研究項目(RP-1522)所開發的。另外一個是加州大學伯利克分校的建成環境中心開發的。

ASHRAE 研究專案（RP-1522）開發了一種簡化設計工具，可用於計算人體頭部與腳踝之間的垂直溫差、單個靜壓箱區域的送風量、散流器數量以及氣流組織效率。該工具要求使用者指定區域冷負荷和分配給地板下靜壓箱的冷負荷比例。此外，使用者還需要輸入送風溫度，或者是在散流器，或者是在風管中的送風溫度，同時還需提供靜壓箱空氣流量與區域送風量之間的比值。該工具允許用戶從三種不同的散流器中進行選擇，並適用於七類建築，包括辦公室、教室、車間、餐廳、零售商店、會議室和禮堂。

基於大量研究成果，加州大學伯利克分校的建成環境中心開發了地板送風空調系統設計工具，可以利用針對同一建築採用傳統頂送風系統所計算出的設計冷負荷，來預測地板送風空調系統系統的冷負荷。該工具還能夠計算送風量、室內溫度分層和地板下靜壓箱的溫升，並且適用於採用地板送風空調系統的典型多層辦公建築中的內區和周邊區。建成環境中心工具允許用戶從四種不同的靜壓箱配置中進行選擇，分別是串聯式、反向串聯式、獨立式和共用式。同時還可選擇三種地板散流器類型：旋流型、方形型、線性條縫格柵型。

### 靜壓箱送風溫升

靜壓箱送風溫升是指：經過處理的空氣在地板下送風靜壓箱中，從靜壓箱入口流向地板散流器的過程中，由於對流得熱而導致的溫度升高。這種現象也被稱為「熱衰減」。靜壓箱空氣溫升是由於與溫度高於送風的混凝土樓板和架空地板接觸而引起的。根據一項類比研究，空氣溫升可能相當顯著（最高可達 5 °C）。隨後，與沒有空氣溫升的理想化地板下送風類比情況相比，送風散流器出口空氣溫度升高會導致更高的送風量，以及風機和冷水機組能耗的增加。同一項研究還發現，夏季的空氣溫升高於冬季，並且這種現象還取決於當地氣候。

採用地面混凝土板的地板送風空調系統，其空氣溫升相比中間層和頂層更小；而送風溫度的提高則會導致送風到回風之間的溫升降低。這個溫升並不會明顯受到週邊區域朝向、室內熱負荷以及窗牆比的影響。因此，送風靜壓箱中的空氣溫升會影響地板送風空調系統的節能潛力，以及其在送風溫度高於傳統頂送風系統的情況下滿足空調需求的能力。當前研究表明，通過將空氣輸送到負荷通常最大的週邊區域，地板送風空調系統的節能性和熱舒適性都可以得到提升。然而，批評者認為，這種地板下的風管佈置會削弱低壓靜壓箱所帶來的優勢，同時在地板支撐腳之間安裝風管時，也會增加設計和施工的複雜性。

### 地板下送風空調系統靜壓箱的洩漏

地板下送風空調系統靜壓箱中的洩漏，可能是導致系統效率低下的重要原因。洩漏主要分為兩種類型：一種是洩漏到室內空間，另一種是洩漏到繞過室內空間的通道中。第一類洩漏不會造成額外的能耗，因為空氣最終仍然到達了預定空調區域。而第二類洩漏則會為了維持恆定的靜壓箱壓力而增加風機能耗，從而導致整體能源使用增加。因此，在地板下送風空調系統系統的施工階段，必須特別注意確保靜壓箱具有良好的密封性。

### 地板式送風空調系統和能耗

地板式送風空調系統的能耗評估尚未完全正式完成，但它是非常有前景的。研究表明，與基於頂送風空調系統的氣流組織 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。典型的靜壓箱壓力為25帕斯卡或更小。地板式送風空調系統特別適用於天花板較高的建築，節能效果更為明顯。由於地板送風空調系統是通過架空地板，採用不同的送風形式和出風口來向室內供應空氣，因此要使系統高效運行，關鍵在於確保形成良好的熱分層。低效運行的地板式送風空調系統無法達到系統預設的節能目標。此外，調查表明，節能的具體數量因位於不同氣候的建築物而異，建議在設計合適的暖通空調系統之前進一步研究調查這個因素。

## 應用領域

地板下送風空調系統經常應用於辦公建築，尤其是那些高度可重構以及開放式辦公室，因為架空地板本身就有利於電纜管理。地板送風空調系統也常見於指揮中心、IT資料中心以及伺服器機房，這些場所通常由於電子設備衆多而具有較大的冷卻負荷，同時還需要佈置電力和資料線纜。ASHRAE的《地板下送風設計指南》指出：任何正在考慮採用架空地板進行線纜佈置的建築，都應當考慮使用 地板送風空調系統系統。

在實驗室中使用地板下送風空調系統時，需要特別考慮空間條件，因為實驗室通常對房間壓差控制有嚴格要求，而且化學品洩漏後可能會進入架空地板靜壓箱並發生擴散。對於某些特定類型的建築或空間，通常不建議採用地板下送風空調系統，例如小型非住宅建築、衛生間和泳池區域等潮濕空間、廚房和餐飲區域以及體育館等，因為地板送風空調系統在這些場所可能會導致設計特別困難或成本過高。地板送風空調系統也可以與其他暖通空調系統聯合使用，以獲得更好的性能，例如置換通風、頂送風系統、輻射天花系統或冷梁系統。

## 地板下送風空調系統與其他送風系統的比較

### 頂送風系統

傳統的頂送風系統通常將送風管和回風管都佈置在天花板高度。送風空氣以高於人體舒適範圍的速度送入室內，其空氣溫度會根據冷負荷或熱負荷的不同而低於、高於或等於室內所需溫度。高速湍流射流形式的送風空氣會與室內空氣充分混合。

與傳統頂送系統相比，經過良好設計的地板送風系統具有若干潛在優勢，例如更高的空間佈局靈活性、更好的熱舒適性、更高的通風效率與室內空氣品質、在適宜氣候下具有更高的能源效率和更低的生命週期成本。

### 置換通風

置換通風系統與地板下送風空調系統的工作原理相似。置換通風系統系統在靠近地面的位置向空調區域送入冷空氣，並在天花板位置回風。該系統利用暖空氣的自然浮升力，以及熱源產生的熱羽流來工作：較冷空氣從低處送入後，暖空氣會上升並被帶走。雖然兩者相似，但地板下送風空調系統通常會在人員活動區域內產生更多空氣混合，並提供局部送風，因此能夠增強室內空氣流動，減少常與空氣品質較差相關的空氣停滯感。兩者在實際應用中的主要區別在於地板送風空調系統通過尺寸較小的送風口以更高風速送風，而地板送風空調系統的送風速度通常較低。此外，地板送風空調系統的送風口通常還可以由使用者自行調節控制。