建筑環(huán)境學(xué)通風(fēng)及氣流組織PPT課件

1 第六章 通風(fēng)與氣流組織 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)?？赏ㄟ^(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：只要建筑開口兩側(cè)存在壓力差P，就會(huì)有空氣流過(guò)開口。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) PP 22 8 熱壓通風(fēng) )()( nwabab ghPPPP 9 熱壓通風(fēng)的基本概念 h b ao o2h1 中 和 面 10 多層建筑的熱壓引起的自然通風(fēng) 大中和面 小中和面 H h 圖3-3 多層建筑的熱壓引起的空氣滲透 5.1/15.1 )11( )()( m gHFtotalL iiioutidia l 5.1/1)( ghZhFL iiinioutiiidia 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) wwf KP 2 2 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) h b K bxbPawt w t nnxaPK aw wwbnwxawwbxbb KhgPKPP 2)(2 22 wwaxaa KPP 22 15 常見(jiàn)的自然通風(fēng)的形式 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 18 混合通風(fēng)的氣流形式 19 室內(nèi)氣流分布的描述參數(shù)一. 通風(fēng)量二. 氣流分布與室內(nèi)環(huán)境三. 空氣齡及其他 20 通風(fēng)量與 IAQ的關(guān)系 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。 22 新風(fēng)通風(fēng)換氣量 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。 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？ 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： VQCQMVQCC s expexp 112 QCMC dCVd s V QCMQCddC s sCC MQ 2sCQMC 2 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) nQVn 1 29 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 1 0 df )( )()( Fdf 0 00 1 dFdfp )()( 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)前位置到離開房間的時(shí)間 rl 駐留時(shí)間(Residence time ) 空氣離開房間時(shí)空氣齡 r p r l r 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 er= 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。V V ipip 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22 enp 理想 %p 1002 pnpa 理想 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%100 pini 34 常見(jiàn)送回風(fēng)形式的換氣效率 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 sse CC CC sp sep CC CC sa set tt tt atC , 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C s,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TC dCTA isT iis , )()( 0 37 不同時(shí)刻的送風(fēng)可及性發(fā)展情況 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 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。 ttti tn tttk itt 2)( uk uu 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 - t n)-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 總測(cè)點(diǎn)數(shù)的測(cè)點(diǎn)數(shù)1001.17.1 ETADPI 41氣流組織的測(cè)量與計(jì)算方法1. 示蹤氣體實(shí)驗(yàn)法2. 半經(jīng)驗(yàn)射流公式法3. 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、SF 6、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 0 ( )(0)pp pC dC 0 ( )(0 )pp pC dC Cp(0) F() )( )()()( 01 ppCCdfF 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 0 ( ) ( )( ) ( / )( )p ppC Cf m QC d 0 00 ( ) ( )( / )( )p pp pC d C dm QC d 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 ( ) ( )( ) ( ) ( / ) p ppC CF C m Q dQmCdF pp )/( )()( 00 11 )()(0 Fdf 47 房間平均空氣齡的測(cè)量方法 脈沖法 上升法 下降法 00 )( )(1( )( )(1( dCC dCCeeeep 00 2 )( )(21 dC dCeep 00 )( )( dC dCeep 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 0000 )(,)()()( MVCVCM p V ep dCQMdVCM 00 )()()()( )()( eQCM 010101 010 10 dMdMM MddMdC QQQ QQe )()()( )()()( )( )( 00 ppp C dC 49 平均空氣齡公式怎么來(lái)的？以下降法為例證明(2) 000 001 0 00 dC dCM dCQ M dMVC dVdCdV eeeV V ppVp )( )()( )( )( )()( )( 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 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！ 62 風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng) 63 風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn) 64 機(jī)械通風(fēng)的氣流組織形式 65 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 66 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) nQVn 1 67 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 68 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 0000 )(,)()()( MVCVCM p V ep dCQMdVCM 00 )()()()( )()( eQCM 010101 010 10 dMdMM MddMdC QQQ QQe )()()( )()()( )( )( 00 ppp C dC 69 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