某剧场座椅送风热环境实测研究

摘要 通过实地测量对某剧场座椅送风作了研究，考察了座椅送风的实际运行情况和相关测点的温度；同时对人员的热舒适性进行了问卷调查；给出了座椅送风的一些特点。 　　 关键词 座椅送风 热舒适

1 引言 　　 　　座椅送风是近年来在影剧院、会堂及场馆等固定座位的场所被较多运用的一种送风形式[1]。其送风口和座椅相结合，有的即为座椅的底座，将处理过的空气直接送入人体就座区，有的风口设置的座椅的背部，一次气流送入椅背，诱导周围的空气后送出。 　　在底座送风口型的座椅送风中，送风温度一般低于室内设计温度2～4℃左右，关以很低的速度送出（一般小于0.5m/s）[2]。由于速度小且温度低，因此送入空气不会和室内原有的空气形成掺混，而是沿地面流动，形成较冷的空气湖。当遇到热源（人体）时，空气被加热，受浮升力作用，单向向上流动，形成羽状流动，带走热源产生的余热和余湿，同时带走污染物，从位于房间较高位置处的排风口排出。因此，座椅送风可以为人员提供良好的空气质量[3]，是置换通风的一种具体形式。 　　 　　但由于送风风口的限制，座椅送风风量不会很大，可以承担的负荷有限，根据国外的研究表明，在办公室环境中，座椅送风可以提供的最大冷量为40W/m2[4]。当负荷加大时，可以加大通风量，或加大送回风温差来维持空调要求。然而，如果加大通风量，势必要提高送风的速度，会使得地面附近的新鲜空气层加速流动，加之其温度较低，从而在人的足部产生"吹风感"，当送风速度过大时，甚至会引起较大范围内与室内空气的掺混，破坏良好的空气质量，因此前者不可取。对于后者，随着送回风温差的加大，室内的温度梯度也会随之加大[5]，而据ISO7730的要求，人体的对热舒适标准为垂直温度梯度应小于3℃/m[6]。因此若加大送回风温差，也可能造成不舒适。对于影剧院、会堂等人员密集的环境，我们对其室内条件，如建筑形式、围护结构、人员密度，使用时间等影响空调效果的因素了解有限，因此有必要进行现场测试分析，作出相应的分析与评价。 　　 2 剧场概况 　　 　　实测的大剧场总建筑面积为62803m3，总高度为40m。整体建筑包括大剧场、中剧场和小剧场等不同空间，是一个以剧院为中心的化综合性建筑，分为地下2层、中段6层和拱顶2层。其中空调面积为35000 m3，以全空气系统为主。 　　大剧场共有1800座，池座要用座椅下送风，送风口为圆柱形座椅送风器，直径140mm，高190mm，其上开有均匀布置的圆孔，开孔率为40%。该风口起到支撑座椅和送风的双重作用（见图1）。 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 圆柱型座椅送风器 　　 3 测试过程及说明 　　 　　本次测试安排在剧院的一次实际演出过程中，演出过程持续了两个多小时，空调处于正常运行工况。测试内容包括：每个座椅送风口实际风量的测量、观众席上不同人员附近的温度测量、人员热舒适问卷调查。 　　风量的测量选择了一个典型的座椅风口进行，采用热球风速仪测得风口处送风速度，乘以风口的净面积，即可算得实际送风量。 　　温度的测量是在出风口处、人员的踝部、膝部、臂部、额部分别布置测试自计仪，测量出风及人体敏感部位处的温度。图2给出了受试人员周围的温度测点布置示意图，表1则给出了各测点位置离开地面的距离。测试中，共选择了三名观众作为受试人员。由于每名受试人员的放热有所差别，因此人员附近的温度也是不同的。 　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 温度测点布置 　　 　　　　　　　　　　　测点位置 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1 测点编号 1 2 3 4 5 位置 出风 踝部 膝部 臂部 额部 　　热舒适性调查在演出过程中进行，共分类六个时间点，分别为：（1）入场时、（2）静坐十分钟后、（3）静坐30分钟后、（4）静坐一小时后、（5）静坐1.5小时后、（6）静坐2小时后（演出结束前）。对这六个阶段进行热舒适性调查，内容包括对整体热感觉、局部热感觉有无吹风感和可察觉空气质量的逐时投票。 　　 4 测试结果与分析 　　 　　4．1 风口风速与风量 　　 　　座椅送风风口为均匀开孔，但上下各排小孔处的风速并不相同，其实测特点为上大下小。最上排小孔处的速度约为0.8m/s，最下排小孔处的风速约为0.2m/s，平均风速为0.4m/s。得送风风量为48.23m3/h，和设计风量基本一致。 　　4．2 送风温度 　　测试过程中，送风温度都比较稳定，最大值为19.3℃，最小值19.5℃，平均19.4℃，为设计送风温度。 　　4．3 受试人员附近温度分布 　　（1）受试人员1温度分布 　　图3给出了受试人员1附近的温度随时间的变化值。表2给出了受试人员1附近的温度的平均值。 　　　　　　　 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 受试人员1附近的温度分布 　　 　 　　　　　　　　受试人员1附近温度的平均值 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表2 受试人员1测验点 1 2 3 4 5 平均温度（℃） 19.5 20.8 22.5 23.7 23.0 　　从这组数据可以看到，各测点的温度都比较稳定，温度的波动在0.8℃以下。从送风口到人员踝部的水平距离中，温度升高了1.3℃。在置换通风中，空气温度随着高度的增加而上升，吊顶的温度一般高于其他壁面的温度并向其他壁面辐射热量。当室内热交换达到稳态时，地面将这部分辐射热量以对流的形式传给风口送出的冷风，所以地面对出流空气有加热的作用[7]。从踝部到膝部0.4m的距离中，温度升高了1.3℃，从膝部到臂部0.2m的距离中，温度升高了1.2℃，相反的，从臂部到额部0.5米的距离中，温度降低了0.7℃。整体温度升高了3.5℃，其中地面温升按1.3℃计，则点总温升的0.37，说明地面对空气的加热作用不大。 　　人臂部到额部的温度降低，可能是送风时，一部分冷空气在椅子背部形成向上的气流，由于这部分气流不接触热源，因此温度基本没有升高，当通过顶时，与人体前面的气流汇合，使得到达额部的温度有所降低。 　　根据这种温度分布的特点，无法对整体气流的温度分布进行分析。但是可以看到，温度梯度在臂部以下还是很大的，以臂部和踝部为例，其温度梯度达到4.8℃/m。同时，可以计算空气带走的冷负荷： 　　　　 　　受试人员1，为成年男子，当日着装为短袖衬衫、长裤和皮鞋。其在室温25℃时的统计散热量为67W，座椅送风带走的热量稍低于这个数值。 　　（2）受试人员2温度分布 　　图4给出了受试人员2附近的温度随时间的变化值。表3给出了受试人员2附近的温度的平均值。 　　　　　　 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 受试人员2附近的温度分布 　　 　　 　　　　　　　　　　　　受试人员2附近温度的平均值 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表3 受试人员1测验点 1 2 3 4 5 平均温度（℃） 19.3 21.7 23.5 25.0 23.2 　　从这组数据中可以看到，地面对空气的加热作用较大，约为2.4℃，从踝部到膝部0.4m的距离中，温度升高了1.8℃，从膝部到臂部0.2的距离中，温度升高了1.5℃，相反的，从臂部到额部0.5m的距离中，温度降低了1.8℃。整体温度升高了3.9℃，地面温升占总温升的0.62。 　　在这个测试人附近，空气温度了发生从臂部到额部的温度降低。因此无法对整体气流的温度分布进行分析。其他特点与测试人1的相似，只是温度变化的幅度加大，相应的温度梯度也增大了，以臂部和踝部为例，其温度梯度达到5.5℃/m。同时，可以计算空气带走的冷负荷为63W。受试人员2，为成年女子，当日着装为短袖衬衫，长筒裙和凉鞋。在室温25℃时的统计散热量为57W，由座椅送风带走的热量比这个数值略高。

　　（3）受试人员3温度分布
　　图5给出了受试人员3附近的温度随时间的变化值。表4给出了受试人员3附近的温度的平均值。
　　　　　　
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5　 受试人员3附近的温度分布
　　
　　 　　　　　　　　　　受试人员3附近温度的平均值 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表4

受试人员1测验点	1	2	3	4	5
平均温度（℃）	19.6	21.0	24.5	24.3	24.2

　　据测试温度的曲线来看，测试人员3的测点总体温度存在起伏，总体稳定。这是因为，测试人3为本次实验的具体测试人，整个测试过程中，都需要不定期的安排测试和调查，因此其测试数据不能代表一般静坐的测试人。但可以以时间段20：00～20：35为采样时间，各测点温度基本平稳。
　　从这组数据可以看到，地面对空气的加热作用一般，约为1.4℃，从踝部到膝部0.4m的距离中，温度升高很大3.5℃，从膝部到臂部0.2℃的距离中，温度下降0.2℃，从臂部到额部0.5m的距离中，温度降低了0.1℃。整体温度升高了4.6℃。空气带走的冷负荷为74.5W。受试人员3为成年男子，当日着装为短袖T恤衫，长裤和皮凉鞋。在室温25℃时统计散热量为67W，座椅送风带走的热量比这个数值略高。
　　（4）比较与分析
　　为了便于比较分析，受试人员1、2、3的特征参数整理如表5：
　　
　　 　　　　　　　　　　　受试人员的特征参数 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表5

1	2	3	4	5	6	7	8
测试1 成年男子	23.0 (19.5)	3.5 (4.8)	6 膝一臂	3.2	1.3	0.37	56.8 (67)
测试2 成年女子	23.2 (19.3)	3.9 (5.5)	7.5 膝一臂	3.5	2.4	0.62	63.0 (57)
测试3 成年男子	24.2 (19.6)	4.6 (4.7)	8.8 踝一臂	4.2	1.4	0.3	74.5 (67)

　　其中各项含义如下：
　　1． 测试人序号，代表类型；
　　2． 额部温度（送风温度），℃；
　　3． 踝部和额部的温差，（踝部和臂部的温差），℃；
　　4． 最大温度梯度，出现位置，℃/m；
　　5． 踝部和额部的温度梯度，℃/m；
　　6． 送风到踝部的升温，℃；
　　7． 地面处温升所占比例，θ_f；
　　8． 冷负荷（统计冷负荷），W。
　　根据各测点温度变化，整理成右图6。
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6 受试人员各测点温度变化比较
　　
　　根据以上的测试数据图表，可以得到，在一般静坐条件下，踝部和额部最大温差小于4℃，但是最高温度不是出现在额部。这可能是由于存在自椅背向上的贴附气流而形成的。地面部分的送风温升变化很大，占总升温的0.37～0.62，符合^[8]的范围。考虑到送风分流问题，只有一部分送风气流被加热。则总风量的平均温升变小，所占总温升的比例也随这减小。同时，在测试过程中，温度最高点不是出现在额部，而是出现在臂部，从而使得从踝部到臂部出现更大的温度梯度，远高于标准范围。但是由于出现的部位一般都有衣服遮挡，因此人员感受的温差，不是很强烈的冷感，使测试者感到不舒适。
　　对于有轻微运动的测试人，其温度分布与静坐下的有所不同，主要体现在额部与膝部的温度变化小，由于测试数量的限制，这里只是一个特例，有待于进一步研究。
　　4．4 热舒适性投票结果与分析
　　座椅送风热舒适调查问卷共发出9份，收回有效问卷9份。表6为投票人的序号与其当晚的着衣特点，*表示没有记录。
　　
　　　　　　　　　　热舒适投票人的序号及特点 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表6

序号	性别	年龄	上装	下装	其他	备注
1	女	60	长袖单外衣	长薄裤	凉鞋
2	男	33	短袖衬衫	长　裤	皮鞋	受试人员1
3	女	27	短袖衬衫	长筒裙	凉鞋	受试人员2
4	男	25	短袖T恤	长　裤	皮鞋	受试人员3
5	女	51	短袖衬衫	中长裙	皮鞋
6	女	79	短袖衬衫	长　裤	*
7	男	84	短袖衬衫	长　裤	*
8	女	60	短袖衬衫	中长裙	凉鞋
9	女	21	短袖连衣裙		凉鞋

　　（1） 热感觉投票
　　　　　　
　　 　　
　　热感觉投票，采用标准PMV热感觉标尺^[9]。
　　从热感觉的投票，可以看到，大部人员总体感觉凉爽。在刚入场时感觉适中或微热，而在经过30min左右，人员的热感觉基本都达到适中或凉爽，随着时间的延伸，人员的逐步增加了冷的感觉，而且习惯了这种感觉，在时间为1.5h后，感觉趋于定值，体现为凉爽。可以看出，对于总体的热平衡，19.4℃的平均送风温度是合适的。
　　（2）局部热感觉投票
　　人员的局部热感觉采用五点方式，对人员的额部，颈部、臂部、膝部和踝部分别进行投票。对于额部的感觉，所有的投票人在整个过程中，都选择适中，说明额部的感觉是适宜的。对于颈部的感觉，在刚入场时，大部分投票人选择适中，而在演出进行到30分钟后，有2位投票人觉得较冷，在1小时后，感到冷，然后适应。这可能是由于分流的送风空气，直接到达颈部，因此引起了冷感。臂部感觉变化很大，但是没有投票人感觉热。膝部和踝部，在入场时，有几位投票人感觉较冷，其他人感觉适中，在演出中，大家逐渐加重了冷感。可见，由于座椅送风风口离人员较近，送风与室内空气参混较少，容易在人员座位下方部分产生不舒适。且因为座椅设计的缘故，气流在椅背处形成贴附直接到达颈部，造成不适。
　　在所有的投票中，没有感觉较热或以上的投票。
　　（3）吹风感投票
　　在入场时，7位投票人没有吹风感，随着演出进行，其中的三位，有吹风感，但是选择了能够接受，其余的人则没有吹风感，并保持以演出结束。其他两投票人，选择了有吹风感，但是较舒服的选项，并且保持到结束。没有人选择不能接受。这说明，在设计的风量下，该座椅送风的送风速度是很小的，未造成不良的感觉。
　　（4）可察觉的空气质量投票
　　绝大多数人对于觉察到空气质量选择一般，有些投票人在整个过程中，选择好。没有其他选择。这说明，置换通风的空气质量还是令人满意的。
　　
5． 结论
　　
　　本次测试对一场演出中座椅送风的送风温度、人员周围的温度分布以及人员热舒适投票分别作了考察。测试结果表明：
　　本次测试对一场演出中座椅送风的送风温度、人员周围的温度分布以及人员热舒适投票分别作了考察。测试结果表明：
　　（1）该座椅送风系统运行基本良好，且在设计风量和设计送风温度下能将人体散发的热量带走，并提供了较好的空气品质；
　　（2）座椅送风的出风受到地面的加热作用，其温升占总体温升的比例变化较大；
　　（3）座椅送风的出风存在着分流情况，一部分气流贴附着椅背自下而上进入人员颈部，致使人员有冷感；
　　（4）由于存在着出风分流，座椅送风的最高温度不是出现在额部，而是臂部。且从踝部到臂部的温度梯度比踝部到额部的温度梯度大，超出了标准范围。但因为这些部位都有衣服遮挡，因此人员感受的温差不是很强烈。
　　（5）座椅送风中的气流速度都比较小，人员未有吹风感出现。
　　
文献
　　
　　1 范存养，大空间建筑空调设计及工程实录，北京：建筑出版社，2001
　　2 KRANTZ KOMPONENTEN. Product introduction. Germany, 2001.
　　3 Yuguro Li, Mats Sandberg, Laszlo Fuchs. Effects of thermal radiation on airflow with displacement ventilation: an experimental investigation. Energy & Buildings, 1993, Vo1.19.263～274
　　4 A.K. Melikov, J.B. Nielsen. Local thermal discomfort due to draft and vertical temperature difference in rooms with displacement ventilation. ASHRAE Transactions, 1989, Vo1.95. 1050～1057
　　5 Elisabeth Mundt. Displacement ventilation systems-convection flows and temperature gradients. Building and Environment, 1995, Vo1.30.129～133
　　6 ISO 7730, 1993. Moderate thermal environments-Determination of PMV and PD indices and specification of the conditions for thermal comfort, International Standard Organization.
　　7 Elisabeth Mundt. The performance of displacement ventilation system: [Ph. D thesis]. Sweden: Royal Institute of Technology, 1996.
　　8 Xiaoxiong Yuan, Qingyan Chen, Leon R. Glicksman. A critical review of displacement ventilation. ASHRAE Transactions, 1998, Vo1.104.78～90.
　　9 ASHRAE, 1992. ANSI/ASHRAE Standard 55-1992. Thermal environmental conditions for human occupancy. ASHRAE.