清華大學(xué)建筑環(huán)境學(xué)第6章通風(fēng)與氣流組織

1,第六章 通風(fēng)與氣流組織,清華大學(xué) 建筑學(xué)院 建筑技術(shù)科學(xué)系,2,氣流組織對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的意義,氣流組織的定義 狹義：機(jī)械通風(fēng)的送回風(fēng)的搭配形式 廣義：一定的送風(fēng)口形式和送風(fēng)參數(shù)所帶來(lái)的室內(nèi)氣流分布(Air Distribution) 送風(fēng)參數(shù)：風(fēng)量、風(fēng)速的大小和方向以及風(fēng)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(fēng)（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(cè)量與計(jì)算方法,4,通風(fēng)（空調(diào)）的目的與方法,5,通風(fēng)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(fēng) 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、濕度、流速、潔凈度、空氣成分、氣味等 污染嚴(yán)重：直流式系統(tǒng)（即機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)） 污染不很嚴(yán)重：部分回風(fēng)系統(tǒng),6,通風(fēng)的方式,自然通風(fēng) 利用自然的手段（熱壓、風(fēng)壓等）來(lái)促使空氣流動(dòng)而進(jìn)行的通風(fēng)換氣方式 特點(diǎn) 不消耗動(dòng)力或消耗很少的動(dòng)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(shè)計(jì)和氣候條件限制，難以控制 機(jī)械通風(fēng) 利用機(jī)械手段（風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇等）產(chǎn)生壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣流動(dòng)的方式 特點(diǎn) 可控制性強(qiáng)。可通過(guò)調(diào)整風(fēng)口、風(fēng)量等控制室內(nèi)氣流分布 需要消耗 能源 初投資和運(yùn)行費(fèi)都比較高,7,基本原理：只要建筑開(kāi)口兩側(cè)存在壓力差P，就會(huì)有空氣流過(guò)開(kāi)口。流過(guò)的風(fēng)速為： 驅(qū)動(dòng)力壓差 熱壓：溫差引起的空氣密度差導(dǎo)致建筑開(kāi)口內(nèi)外的壓差 風(fēng)壓：室外繞流引起建筑周圍壓力分布的不同形成開(kāi)口處的壓差 自然通風(fēng)的分類 熱壓通風(fēng) 風(fēng)壓通風(fēng) 風(fēng)壓和熱壓的聯(lián)合作用下的自然通風(fēng),自然通風(fēng),8,熱壓通風(fēng),9,熱壓通風(fēng)的基本概念,余壓,10,多層建筑的熱壓引起的自然通風(fēng),余壓,11,風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng),12,風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng),Pf,往往采用CFD或風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)的方法求取K值。,13,風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn),14,風(fēng)壓和熱壓的聯(lián)合作用下的自然通風(fēng),15,常見(jiàn)的自然通風(fēng)的形式,中庭通風(fēng),風(fēng)井通風(fēng),單面通風(fēng),穿堂風(fēng) Cross ventilation,16,機(jī)械通風(fēng)氣流組織形式,混合通風(fēng) 追求均勻的室內(nèi)環(huán)境 混合后的空氣可能已被污染 置換通風(fēng) 保證人員呼吸區(qū)的環(huán)境要求 下送風(fēng)，新鮮氣流先送入工作區(qū) 個(gè)性化送風(fēng) 滿足不同個(gè)體的特殊性要求 工位送風(fēng)，獨(dú)立可調(diào),17,機(jī)械通風(fēng)的氣流組織形式,三種典型的送風(fēng)形式 混合通風(fēng) 置換通風(fēng) 個(gè)性化送風(fēng),18,混合通風(fēng)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(fēng)量 氣流分布與室內(nèi)環(huán)境 空氣齡及其他,20,通風(fēng)量與 IAQ的關(guān)系,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)通風(fēng)量,21,通風(fēng)量與 IAQ的關(guān)系,美國(guó)(歐洲)對(duì)學(xué)校，辦公室的最新研究表明新風(fēng)量與SBS之間有著一定的關(guān)系，當(dāng)新風(fēng)量小于36 m3/h人時(shí)，SBS 問(wèn)題變得顯著。 關(guān)于人體代謝污染的問(wèn)題，第一印象 (First Impres sion) 使 80%的人能夠滿意的最小新風(fēng)量是 27 m3/h人，對(duì)于已適應(yīng)了室內(nèi)環(huán)境的 90%的人能夠滿足的最小新風(fēng)量只需 9 m3/h人。,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)通風(fēng)量,22,新風(fēng)通風(fēng)換氣量,常用民用建筑新風(fēng)量范圍 以坐為主、少吸煙、久逗留場(chǎng)所,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)通風(fēng)量,實(shí)際上，人體在靜坐至重勞動(dòng)狀態(tài)，肺通氣量為：11.680.4 L/min人，即0.7 4.8 m3/h人 (實(shí)際為一半),23,新風(fēng)通風(fēng)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(duì)換氣量的要求 人體代謝生物污染：以CO2濃度或臭氣強(qiáng)度指數(shù)為指標(biāo)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(cè)，通風(fēng)量的確定仍然是需要研究的問(wèn)題。,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)通風(fēng)量,24,氣流分布與室內(nèi)環(huán)境的關(guān)系,總新風(fēng)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(fēng)是否都進(jìn)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(fēng)速分布（風(fēng)速場(chǎng)或流場(chǎng)） 溫度分布（溫度場(chǎng)） 濕度分布（濕度場(chǎng)） 污染物濃度分布（污染物濃度場(chǎng)，IAQ）,25,氣流分布(氣流組織)評(píng)價(jià)的方法,通風(fēng)氣流組織評(píng)價(jià)的三類參數(shù) 描述送風(fēng)有效性的參數(shù)，主要反映送風(fēng)能否有效到達(dá)考察區(qū)域以及到達(dá)該區(qū)域的空氣新鮮程度，如：空氣齡、換氣效率、送風(fēng)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(dá)考察區(qū)域的程度以及到達(dá)該區(qū)域所需要的時(shí)間，如：污染物含量和排空時(shí)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(guān)系密切的有關(guān)參數(shù)，如：不均勻系數(shù) 、空氣擴(kuò)散性能指標(biāo)(ADPI) 如果室內(nèi)空氣充分混合，那么就可以用一個(gè)集總的參數(shù)對(duì)房間的通風(fēng)效果進(jìn)行總體評(píng)價(jià),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(dòng) 實(shí)際情況都不是均勻混合和活塞流動(dòng)，而要復(fù)雜得多,理想的氣流分布形式,27,全面通風(fēng)的基本微分方程式（均勻混合時(shí)的稀釋方程）,QCS d + M d - Q C d =VdC 在通風(fēng)量Q一定、室內(nèi)初始濃度為C1的時(shí)候，求C2與通風(fēng)時(shí)間的關(guān)系： 穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)系式：,或,28,活塞流動(dòng)時(shí)的室內(nèi)參數(shù),由源強(qiáng)度和房間名義時(shí)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(guò)源之前等于送風(fēng)參數(shù) 經(jīng)過(guò)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(jì)80年代由Sandberg提出?？諝恺g是指送風(fēng)到達(dá)房間某點(diǎn)的時(shí)間。 某點(diǎn)的空氣齡越小，說(shuō)明該點(diǎn)的空氣越新鮮，空氣品質(zhì)就越好。 如果某點(diǎn)的空氣年齡為的空氣微團(tuán)在某點(diǎn)空氣中所占的比例分布即概率分布f()，有 累計(jì)分布函數(shù) 則某點(diǎn)的平均空氣齡為,30,與空氣齡相關(guān)的兩個(gè)參數(shù),殘余時(shí)間(Residual lifetime) 空氣從當(dāng)前位置到離開(kāi)房間的時(shí)間 rl 駐留時(shí)間(Residence time ) 空氣離開(kāi)房間時(shí)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(diǎn)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(shí)間是多少？ “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(shí)際通風(fēng)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(fēng)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(diǎn)的換氣效率的定義 空間各點(diǎn)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(jiàn)送回風(fēng)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(gè)對(duì)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(fēng)效率,室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)空氣齡與其他,36,送風(fēng)可及性(清華，2003)Accessibility of Supply Air: ASA,傳統(tǒng)的氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)，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(fēng)在任意時(shí)刻到達(dá)室內(nèi)各點(diǎn)的能力，考慮有限時(shí)間內(nèi)送風(fēng)的有效性 定義 在流場(chǎng)不變的條件下，假設(shè)某一送風(fēng)口的空氣含有濃度為Cs,i的指示劑氣體，房間內(nèi)部無(wú)源，則該送風(fēng)口在歷時(shí)T后對(duì)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(fēng)到達(dá)i點(diǎn)的百分比,37,不同時(shí)刻的送風(fēng)可及性發(fā)展情況,（深色區(qū)域內(nèi)ASA大于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(chǎng)自身的特性，與送風(fēng)有無(wú)指示劑無(wú)關(guān) 可及性反映了在經(jīng)歷了一定時(shí)間后，各風(fēng)口送風(fēng)到達(dá)空間各點(diǎn)的相對(duì)程度 單一風(fēng)口經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間后，空間各點(diǎn)的可及性均為1 多個(gè)風(fēng)口經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間后，在空間各點(diǎn)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(chǎng)和速度場(chǎng)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(kuò)散性能指標(biāo)ADPI (Air Diffusion Performance Index),定義 空間內(nèi)滿足規(guī)定風(fēng)速和溫度要求的測(cè)點(diǎn)數(shù)與總測(cè)點(diǎn)數(shù)之比 有效溫差 ET=( t - tn)-7.66(Vi-0.15) ADPI的值越大，說(shuō)明感到舒適的人群比例越大。在一般情況下，應(yīng)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(cè)量與計(jì)算方法,示蹤氣體實(shí)驗(yàn)法 半經(jīng)驗(yàn)射流公式法 數(shù)值求解法(CFD方法),42,1.示蹤氣體試驗(yàn)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(zhǔn)確標(biāo)識(shí)室內(nèi)空氣流動(dòng)特性，必須具有如下特點(diǎn) 能夠完全跟隨空氣流動(dòng) 具有可測(cè)性 具有穩(wěn)定性，一般情況下不發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng) 無(wú)毒性 常見(jiàn)的示蹤氣體包括甲烷、SF6、二氧化碳等。,43,示蹤氣體的常見(jiàn)釋放方法,脈沖法（pulse method） 在釋放點(diǎn)釋放少量的示蹤氣體，記錄測(cè)量點(diǎn)處示蹤氣體濃度隨時(shí)間的變化過(guò)程。 上升法（step-up method） 在釋放點(diǎn)連續(xù)釋放固定強(qiáng)度源的示蹤氣體，記錄測(cè)量點(diǎn)處示蹤氣體濃度隨時(shí)間的變化過(guò)程。 下降法（或衰減法）(step-down or decay method) 房間中示蹤氣體的濃度達(dá)到平衡狀態(tài)后，停止釋放示蹤氣體，記錄測(cè)量點(diǎn)處示蹤氣體濃度隨時(shí)間的變化過(guò)程。,44,下降法（衰減法）測(cè)空氣齡,待房間內(nèi)各點(diǎn)濃度穩(wěn)定后，停止示蹤氣體加入，測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的濃度變化過(guò)程 空氣齡的累積分布函數(shù)F () 空氣齡公式,45,脈沖法測(cè)空氣齡,在通風(fēng)房間的送風(fēng)口釋放少量示蹤氣體，記錄被測(cè)點(diǎn)的濃度變化過(guò)程 概率分布函數(shù) 空氣齡公式,46,上升法測(cè)空氣齡,在房間送風(fēng)口處恒定釋放示蹤氣體，記錄被測(cè)點(diǎn)的濃度隨時(shí)間變化情況 累計(jì)分布函數(shù)與概率分布函數(shù)之間的關(guān)系為 累積分布函數(shù) 空氣齡公式,47,房間平均空氣齡的測(cè)量方法,脈沖法 上升法 下降法,48,平均空氣齡公式怎么來(lái)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(lái)的？以下降法為例證明(2),50,2.半經(jīng)驗(yàn)射流公式法,內(nèi)容和來(lái)源 采用射流公式對(duì)空調(diào)送風(fēng)口射流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進(jìn)行預(yù)測(cè) 基于某些標(biāo)準(zhǔn)或理想條件理論分析或試驗(yàn) 缺陷 不能用于分析復(fù)雜空間，應(yīng)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(jì)算流體力學(xué)方法的引入CFD方法 特點(diǎn)：依據(jù)室內(nèi)空氣流動(dòng)的數(shù)學(xué)物理模型，在計(jì)算機(jī)上做虛擬實(shí)驗(yàn) 原理：對(duì)連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分方程進(jìn)行離散數(shù)值求解 優(yōu)點(diǎn) 成本低、速度快 應(yīng)用范圍廣，提供信息全面 缺點(diǎn)：可靠性問(wèn)題 人們對(duì)湍流的機(jī)理尚無(wú)清楚認(rèn)識(shí)，缺乏完整的湍流理論，需要依賴半經(jīng)驗(yàn)的方法 邊界條件需要簡(jiǎn)化：送風(fēng)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(jì)算機(jī)，4-人，5-燈，6-送風(fēng)口，7-回風(fēng)口,3. 數(shù)值求解法示例,置換通風(fēng)數(shù)值求解方法的空間模型,53,置換通風(fēng)的速度場(chǎng),54,置換通風(fēng)的溫度場(chǎng),55,置換通風(fēng)的污染物濃度場(chǎng),置換通風(fēng)送風(fēng)形式，污染物濃度高的部位在上方。,56,置換通風(fēng)的空氣年齡場(chǎng),置換通風(fēng)送風(fēng)形式，空氣年齡長(zhǎng)的部位在上方。年齡單位：秒,57,不同氣流分布預(yù)測(cè)方法的特點(diǎn)比較,58,常用的氣流分布計(jì)算CFD軟件,PHOENICS 英國(guó)1981年推出的商業(yè)軟件，針對(duì)暖通空調(diào)的FLAIRE，可以求解PMV和空氣齡 FLUENT 美國(guó)，1983年。Airpack具有風(fēng)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(xué)90年代開(kāi)發(fā)，有各種針對(duì)暖通空調(diào)應(yīng)用的模型和功能,59,思考題,自然通風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力是什么？有何特點(diǎn)？一般應(yīng)用于哪些場(chǎng)合？ 試分析采用示蹤氣體測(cè)量空氣齡的三種釋放方法的優(yōu)缺點(diǎn)：（1）脈沖法；（2）上升法；（3）下降法（或衰減法） 試推導(dǎo)均勻混合通風(fēng)時(shí)空氣齡、換氣效率、可及性的表達(dá)式,60,思考題,請(qǐng)給出活塞流在以下?tīng)顟B(tài)下的排污效率，并分析合理的送排風(fēng)口位置與污染源位置應(yīng)該是什么關(guān)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(shí) 污染源在入口時(shí) 穩(wěn)態(tài)通風(fēng)情況下，在空間均布的單位體積源作用時(shí)，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！,