清華大學建筑環(huán)境學第6章通風與氣流組織

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1、1,第六章 通風與氣流組織,清華大學 建筑學院 建筑技術科學系,2,氣流組織對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的意義,氣流組織的定義 狹義：機械通風的送回風的搭配形式 廣義：一定的送風口形式和送風參數(shù)所帶來的室內(nèi)氣流分布(Air Distribution) 送風參數(shù)：風量、風速的大小和方向以及風溫、濕度、污染物濃度等 氣流組織的重要性： 保證室內(nèi)熱濕環(huán)境和保證空氣品質(zhì),3,本章內(nèi)容,通風（空調(diào)）的目的與方法 室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù) 氣流組織的測量與計算方法,4,通風（空調(diào)）的目的與方法,5,通風換氣或空氣調(diào)節(jié)采用稀釋方法控制室內(nèi)環(huán)境,通風 基本考慮單一參數(shù)控制，如溫度，污染物濃度等 空氣調(diào)節(jié) 多參數(shù)控制：調(diào)節(jié)溫度

2、、濕度、流速、潔凈度、空氣成分、氣味等 污染嚴重：直流式系統(tǒng)（即機械通風系統(tǒng)） 污染不很嚴重：部分回風系統(tǒng),6,通風的方式,自然通風 利用自然的手段（熱壓、風壓等）來促使空氣流動而進行的通風換氣方式 特點 不消耗動力或消耗很少的動力，節(jié)能 可以用充足的新鮮空氣保證室內(nèi)的空氣品質(zhì) 受建筑設計和氣候條件限制，難以控制 機械通風 利用機械手段（風機、風扇等）產(chǎn)生壓力差來實現(xiàn)空氣流動的方式 特點 可控制性強?？赏ㄟ^調(diào)整風口、風量等控制室內(nèi)氣流分布 需要消耗 能源 初投資和運行費都比較高,7,基本原理：只要建筑開口兩側(cè)存在壓力差P，就會有空氣流過開口。流過的風速為： 驅(qū)動力壓差 熱壓：溫差引起的空氣密度

3、差導致建筑開口內(nèi)外的壓差 風壓：室外繞流引起建筑周圍壓力分布的不同形成開口處的壓差 自然通風的分類 熱壓通風 風壓通風 風壓和熱壓的聯(lián)合作用下的自然通風,自然通風,8,熱壓通風,9,熱壓通風的基本概念,余壓,10,多層建筑的熱壓引起的自然通風,余壓,11,風壓作用下的自然通風,12,風壓作用下的自然通風,Pf,往往采用CFD或風洞模型實驗的方法求取K值。,13,風洞模型實驗,14,風壓和熱壓的聯(lián)合作用下的自然通風,15,常見的自然通風的形式,中庭通風,風井通風,單面通風,穿堂風 Cross ventilation,16,機械通風氣流組織形式,混合通風 追求均勻的室內(nèi)環(huán)境 混合后的空氣可能已被污

4、染 置換通風 保證人員呼吸區(qū)的環(huán)境要求 下送風，新鮮氣流先送入工作區(qū) 個性化送風 滿足不同個體的特殊性要求 工位送風，獨立可調(diào),17,機械通風的氣流組織形式,三種典型的送風形式 混合通風 置換通風 個性化送風,18,混合通風的氣流形式,上送上回,上送下回,下送下回,側(cè)送上下回,19,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù),通風量 氣流分布與室內(nèi)環(huán)境 空氣齡及其他,20,通風量與 IAQ的關系,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)通風量,21,通風量與 IAQ的關系,美國(歐洲)對學校，辦公室的最新研究表明新風量與SBS之間有著一定的關系，當新風量小于36 m3/h人時，SBS 問題變得顯著。 關于人體代謝污染的問題，第一印

5、象 (First Impres sion) 使 80%的人能夠滿意的最小新風量是 27 m3/h人，對于已適應了室內(nèi)環(huán)境的 90%的人能夠滿足的最小新風量只需 9 m3/h人。,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)通風量,22,新風通風換氣量,常用民用建筑新風量范圍 以坐為主、少吸煙、久逗留場所,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)通風量,實際上，人體在靜坐至重勞動狀態(tài)，肺通氣量為：11.680.4 L/min人，即0.7 4.8 m3/h人 (實際為一半),23,新風通風換氣量,決定因素 室內(nèi)污染物允許濃度 室外污染物濃度 室內(nèi)污染物發(fā)生量：發(fā)生量已知否？ 室內(nèi)污染物產(chǎn)生對換氣量的要求 人體代謝生物污染：以CO2濃度或

6、臭氣強度指數(shù)為指標確定換氣量 消除煙臭的要求根據(jù)吸煙量確定 污染物發(fā)生量：VOC等微量產(chǎn)生的污染難以監(jiān)測，通風量的確定仍然是需要研究的問題。,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)通風量,24,氣流分布與室內(nèi)環(huán)境的關系,總新風量滿足要求 ，是否意味著IAQ一定滿足要求？ 向室內(nèi)引入的新風是否都進入了呼吸區(qū)？ 室內(nèi)空氣更新的快慢如何？ 室內(nèi)污染物被轉(zhuǎn)移出去的速度如何？ 室內(nèi)空氣參數(shù)分布是否滿足要求？,氣流組織包含的內(nèi)容 風速分布（風速場或流場） 溫度分布（溫度場） 濕度分布（濕度場） 污染物濃度分布（污染物濃度場，IAQ）,25,氣流分布(氣流組織)評價的方法,通風氣流組織評價的三類參數(shù) 描述送風有效性的參數(shù)，

7、主要反映送風能否有效到達考察區(qū)域以及到達該區(qū)域的空氣新鮮程度，如：空氣齡、換氣效率、送風可及性 描述污染物排除有效性的參數(shù)，主要反映污染物到達考察區(qū)域的程度以及到達該區(qū)域所需要的時間，如：污染物含量和排空時間 、排污效率與余熱排除效率 、污染物年齡 、污染源可及性 與熱舒適關系密切的有關參數(shù)，如：不均勻系數(shù) 、空氣擴散性能指標(ADPI) 如果室內(nèi)空氣充分混合，那么就可以用一個集總的參數(shù)對房間的通風效果進行總體評價,26,兩種典型的理想氣流分布 均勻混合：氣流充分混合，各處參數(shù)完全一樣 活塞流動 實際情況都不是均勻混合和活塞流動，而要復雜得多,理想的氣流分布形式,27,全面通風的基本微分方程式

8、（均勻混合時的稀釋方程）,QCS d + M d - Q C d =VdC 在通風量Q一定、室內(nèi)初始濃度為C1的時候，求C2與通風時間的關系： 穩(wěn)定狀態(tài)的關系式：,或,28,活塞流動時的室內(nèi)參數(shù),由源強度和房間名義時間常數(shù)(換氣次數(shù)的倒數(shù))確定 房間的溫度、濕度和污染物濃度在經(jīng)過源之前等于送風參數(shù) 經(jīng)過源之后等于均勻混合后的參數(shù),29,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,空氣齡 Air age,最早于20世紀80年代由Sandberg提出?？諝恺g是指送風到達房間某點的時間。 某點的空氣齡越小，說明該點的空氣越新鮮，空氣品質(zhì)就越好。 如果某點的空氣年齡為的空氣微團在某點空氣中所占的比例分布即概率

9、分布f()，有 累計分布函數(shù) 則某點的平均空氣齡為,30,與空氣齡相關的兩個參數(shù),殘余時間(Residual lifetime) 空氣從當前位置到離開房間的時間 rl 駐留時間(Residence time ) 空氣離開房間時空氣齡 r,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,31,幾處典型的空氣齡,房間平均空氣齡 等于房間各點空氣齡的體平均 典型流型的空氣齡 活塞流：p e / 2 r= e= n 均勻混合流：p e r= 2p= 2 e 非完全混合流：入口空氣年齡最年輕，出口空氣年齡最老。,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,e,32,換氣效率不涉及污染源的位置,理論上最短的換氣時間是多少？

10、“理想活塞流” 的換氣效率最高，房間的平均空氣齡最小 換氣效率的定義 實際通風條件下房間平均空氣齡與活塞流的平均空氣齡的比值倒數(shù)為換氣效率（1），反映了新鮮空氣置換原有空氣的快慢與活塞通風下置換快慢的比較,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,33,空間各點的換氣效率的定義 空間各點的換氣效率可以大于1，反映了新鮮空氣替換原有空氣的有效程度,換氣效率不涉及污染源的位置,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,34,常見送回風形式的換氣效率,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,35,一個對比的概念排污效率：涉及污染源的位置,排污效率 充分混合流 1 活塞流 均勻污染源 2 如果污染源在出口呢？ 污染源

11、在入口呢？ 余熱排除效率 用得熱代替污染物，溫度代替污染物濃度,也稱：通風效率,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,36,送風可及性(清華，2003)Accessibility of Supply Air: ASA,傳統(tǒng)的氣流組織評價指標，如空氣齡和換氣效率，均反映的是穩(wěn)態(tài)情況 需要反映送風在任意時刻到達室內(nèi)各點的能力，考慮有限時間內(nèi)送風的有效性 定義 在流場不變的條件下，假設某一送風口的空氣含有濃度為Cs,i的指示劑氣體，房間內(nèi)部無源，則該送風口在歷時T后對空間位置i的可及性為,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,送風到達i點的百分比,37,不同時刻的送風可及性發(fā)展情況,（深色區(qū)域內(nèi)ASA大

12、于0.5）,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,38,可及性的物理意義,可及性是流場自身的特性，與送風有無指示劑無關 可及性反映了在經(jīng)歷了一定時間后，各風口送風到達空間各點的相對程度 單一風口經(jīng)過足夠長時間后，空間各點的可及性均為1 多個風口經(jīng)過足夠長時間后，在空間各點的可及性和為1,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,39,不均勻系數(shù),反映氣流溫度場和速度場的不均勻程度。,溫度不均勻系數(shù),室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,速度不均勻系數(shù),40,空氣擴散性能指標ADPI (Air Diffusion Performance Index),定義 空間內(nèi)滿足規(guī)定風速和溫度要求的測點數(shù)與總測點數(shù)之

13、比 有效溫差 ET=( t - tn)-7.66(Vi-0.15) ADPI的值越大，說明感到舒適的人群比例越大。在一般情況下，應使ADPI80,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,41,氣流組織的測量與計算方法,示蹤氣體實驗法 半經(jīng)驗射流公式法 數(shù)值求解法(CFD方法),42,1.示蹤氣體試驗法,是研究建筑物空氣分布與滲透特性的重要手段 示蹤氣體的目的是準確標識室內(nèi)空氣流動特性，必須具有如下特點 能夠完全跟隨空氣流動 具有可測性 具有穩(wěn)定性，一般情況下不發(fā)生物理或化學反應 無毒性 常見的示蹤氣體包括甲烷、SF6、二氧化碳等。,43,示蹤氣體的常見釋放方法,脈沖法（pulse method）

14、在釋放點釋放少量的示蹤氣體，記錄測量點處示蹤氣體濃度隨時間的變化過程。 上升法（step-up method） 在釋放點連續(xù)釋放固定強度源的示蹤氣體，記錄測量點處示蹤氣體濃度隨時間的變化過程。 下降法（或衰減法）(step-down or decay method) 房間中示蹤氣體的濃度達到平衡狀態(tài)后，停止釋放示蹤氣體，記錄測量點處示蹤氣體濃度隨時間的變化過程。,44,下降法（衰減法）測空氣齡,待房間內(nèi)各點濃度穩(wěn)定后，停止示蹤氣體加入，測量被測點的濃度變化過程 空氣齡的累積分布函數(shù)F () 空氣齡公式,45,脈沖法測空氣齡,在通風房間的送風口釋放少量示蹤氣體，記錄被測點的濃度變化過程 概率分布

15、函數(shù) 空氣齡公式,46,上升法測空氣齡,在房間送風口處恒定釋放示蹤氣體，記錄被測點的濃度隨時間變化情況 累計分布函數(shù)與概率分布函數(shù)之間的關系為 累積分布函數(shù) 空氣齡公式,47,房間平均空氣齡的測量方法,脈沖法 上升法 下降法,48,平均空氣齡公式怎么來的？以下降法為例證明,基本公式 邊界條件 則有,49,平均空氣齡公式怎么來的？以下降法為例證明(2),50,2.半經(jīng)驗射流公式法,內(nèi)容和來源 采用射流公式對空調(diào)送風口射流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進行預測 基于某些標準或理想條件理論分析或試驗 缺陷 不能用于分析復雜空間，應用受制約 只能給出室內(nèi)的一些集總參數(shù)性的信息 折衷的方法：區(qū)域模型 區(qū)域

16、內(nèi)集總參數(shù) 區(qū)域間考慮存在熱質(zhì)交換,51,3. 數(shù)值求解法,計算流體力學方法的引入CFD方法 特點：依據(jù)室內(nèi)空氣流動的數(shù)學物理模型，在計算機上做虛擬實驗 原理：對連續(xù)方程、動量方程、能量方程和組分方程進行離散數(shù)值求解 優(yōu)點 成本低、速度快 應用范圍廣，提供信息全面 缺點：可靠性問題 人們對湍流的機理尚無清楚認識，缺乏完整的湍流理論，需要依賴半經(jīng)驗的方法 邊界條件需要簡化：送風口入流、壁面邊界條件、室內(nèi)熱源分布等,52,1-壁櫥，2-桌子，3-計算機，4-人，5-燈，6-送風口，7-回風口,3. 數(shù)值求解法示例,置換通風數(shù)值求解方法的空間模型,53,置換通風的速度場,54,置換通風的溫度場,55

17、,置換通風的污染物濃度場,置換通風送風形式，污染物濃度高的部位在上方。,56,置換通風的空氣年齡場,置換通風送風形式，空氣年齡長的部位在上方。年齡單位：秒,57,不同氣流分布預測方法的特點比較,58,常用的氣流分布計算CFD軟件,PHOENICS 英國1981年推出的商業(yè)軟件，針對暖通空調(diào)的FLAIRE，可以求解PMV和空氣齡 FLUENT 美國，1983年。Airpack具有風口模型、新零方程湍流模型等，并且可以求解PMV、PD和空氣齡 STACH3 清華大學90年代開發(fā)，有各種針對暖通空調(diào)應用的模型和功能,59,思考題,自然通風的驅(qū)動力是什么？有何特點？一般應用于哪些場合？ 試分析采用示蹤氣體測量空氣齡的三種釋放方法的優(yōu)缺點：（1）脈沖法；（2）上升法；（3）下降法（或衰減法） 試推導均勻混合通風時空氣齡、換氣效率、可及性的表達式,60,思考題,請給出活塞流在以下狀態(tài)下的排污效率，并分析合理的送排風口位置與污染源位置應該是什么關系才能獲得比較好的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量？ 污染源在出口時 污染源在入口時 穩(wěn)態(tài)通風情況下，在空間均布的單位體積源作用時，室內(nèi)污染物濃度的分布規(guī)律與房間空氣齡的分布規(guī)律一樣嗎？,61,謝謝！,