建筑環(huán)境學(xué) 第二版教材6第六章 通風(fēng)與氣流組織.docx

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1、第六章通風(fēng)與氣流組織 在本書的第三、四和五章中己經(jīng)分別介紹了熱濕環(huán)境和室內(nèi)空氣品質(zhì)，而合理的氣流 組織是實現(xiàn)室內(nèi)熱濕環(huán)境和保證空氣品質(zhì)的最終環(huán)節(jié)。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)通過送風(fēng)口（機械通 風(fēng)）或建筑的開口（自然通風(fēng)）將滿足要求的空氣送入建筑中，形成合理的氣流組織，從 而實現(xiàn)所需要的熱濕環(huán)境和空氣品質(zhì)。 一般來說，狹義的氣流組織指的是上（下、側(cè)、中）送上（下、側(cè)、中）回或置換送 風(fēng)、個性化送風(fēng)等具體的送回風(fēng)形式，也稱氣流組織形式；而廣義的室內(nèi)氣流組織，是指 一定的送風(fēng)口形式和送風(fēng)參數(shù)所帶來的室內(nèi)氣流分布（Air Distribution）?其中，送風(fēng)口的形 式包括風(fēng)口（送風(fēng)口、回風(fēng)口、排風(fēng)口）的位置、

2、形狀、尺寸，送風(fēng)參數(shù)包括送風(fēng)的風(fēng) 量、風(fēng)速的大小和方向以及風(fēng)溫、濕度、污染物濃度等。本章所討論的內(nèi)容即為這種廣義 的氣流組織。 本章將著重介紹氣流組織與室內(nèi)空氣環(huán)境的關(guān)系，包括常見的氣流組織形式、氣流組 織的描述方法和評價指標(biāo)、氣流組織的測量與計算方法以及典型的氣流組織例如等。 第一節(jié)通風(fēng)（空調(diào)）的目的與方法 1.1通風(fēng)（空調(diào)）的目的 所謂通風(fēng)，是指把建筑物室內(nèi)污濁的空氣直接或凈化后排至室外，再把新鮮的空氣補 充進來，從而保持室內(nèi)的空氣環(huán)境符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)?？照{(diào)和通風(fēng)有類似的作用，沒有嚴(yán)格的 區(qū)分，但是一般來說，空調(diào)還要考慮到控制房間的熱環(huán)境，因此送風(fēng)要經(jīng)過較為復(fù)雜的處 理過程，空調(diào)對效果

3、的要求也更為嚴(yán)格。 建筑內(nèi)部的空調(diào)通風(fēng)條件是決定生活在建筑內(nèi)部的人們健康、舒適的重要因素。通風(fēng) （或空調(diào)）的目的主要有以下幾個方面： 一、保證排除室內(nèi)污染物。室內(nèi)空氣污染物的來源多種多樣。有從室外帶入的污染 物：工業(yè)燃燒和汽車尾氣排放的NO2、SO?、臭氧等；有室內(nèi)產(chǎn)生的污染物：室內(nèi)裝飾材 料散發(fā)的揮發(fā)性有機化合物、人體新陳代謝產(chǎn)生的COz、家用電器產(chǎn)生.的臭氧，以及廚房 油煙等其它污染物。室內(nèi)污染物源可以散發(fā)到空間各處，在室內(nèi)形成一定的污染物分布。 大量的污染物在空間存在，會對人體健康存在不利影響，而對房間進行通風(fēng)那么可以帶走室 內(nèi)的污染物。 二、保證室內(nèi)人員的熱舒適。研究說明，人員的

4、熱舒適和室內(nèi)環(huán)境有很大關(guān)系。經(jīng)過 一定處理（除熱、除濕）的空氣，經(jīng)過空調(diào)系統(tǒng)送到室內(nèi)，可以保證室內(nèi)人員對溫度、濕 度、風(fēng)速等的要求，從而滿足人員對?熱舒適的要求。 三、滿足室內(nèi)人員對新鮮空氣的需要。即使是在有空調(diào)的房間，如果沒有新風(fēng)的保 證，人們長期處于密閉的環(huán)境內(nèi)，容易產(chǎn)生胸悶、頭暈、頭痛等一系列病狀，形成“病態(tài)建來補充，有時可能需要完全依賴機械通風(fēng)。 1.3 機械通風(fēng) 相對于自然通風(fēng)，機械通風(fēng)是指利用機械手段（風(fēng)機、風(fēng)扇等）產(chǎn)生壓力差來實現(xiàn)空 氣流動的方式。機械通風(fēng)和自然通風(fēng)相比，最大的優(yōu)點是可控制性強。通過調(diào)整風(fēng)口大 小、風(fēng)量等因素，可以調(diào)節(jié)室內(nèi)的氣流分布，到達比較滿意的效果。

5、根據(jù)通風(fēng)形式的不同，通風(fēng)（或空調(diào)）又可分為混合通風(fēng)、置換通風(fēng)和個性化送風(fēng)三 種形式。典型的混合通風(fēng)、置換通風(fēng)和個性化送風(fēng)分別如圖6-1 K圖6-12和圖6-13所/Ko 圖6-11典型混合通風(fēng)水意圖 圖6-12典型置換通風(fēng)示意圖 Personalized Air 圖6-13個性化送風(fēng)示意圖⑵ 不同的通風(fēng)形式是室內(nèi)人工環(huán)境學(xué)在歷史演進中不同階段的產(chǎn)物。對于均勻的室內(nèi)環(huán) 境的追求產(chǎn)生了混合通風(fēng)，就是將空氣以一股或多股的形式從工作區(qū)外以射流形式送入房 間，射入過程中卷吸一定數(shù)量的室內(nèi)空氣，讓回流區(qū)在人的工作區(qū)附近，從而可以保證工 作區(qū)的風(fēng)速合適，溫度比較均勻。 然而，充分混合后的空氣很難

6、防止被污染，于是出現(xiàn)了置換通風(fēng)方式，就是將處理過 的空氣直接送入到人的工作區(qū)(呼吸區(qū))，使人率先接觸到新鮮空氣，從而改善呼吸區(qū)的空 氣品質(zhì)。置換通風(fēng)通過設(shè)置在地面高度的末端散流器送風(fēng)，是下送風(fēng)的一種。散流器通常 分布在地面、屋角，或背靠墻壁，出風(fēng)屬于低速度、低紊動的流動，以保證送風(fēng)在地面處 形成冷空氣湖，受室內(nèi)熱源(人員和設(shè)備)產(chǎn)生的熱氣流的卷吸作用及天棚風(fēng)口的抽吸作 用，空氣由下向上轉(zhuǎn)移排出，形成“置換”效果。工作區(qū)位于下部清潔區(qū)，新鮮空氣單向流 動，垂直方向產(chǎn)生溫度分層和濃度分層，下部溫度和濃度都低于上部，從而具有較高的通 風(fēng)效率。 為進一步提高送風(fēng)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的有效性，營造清潔舒適

7、的微環(huán)境，并且滿足不 同人員個體對于送風(fēng)的不同要求，近年來又產(chǎn)生了個性化送風(fēng)網(wǎng)。它是將處理好的新鮮空 氣直接送至人員主要活動區(qū)域，同時人員可以根據(jù)各自的舒適性要求調(diào)節(jié)送風(fēng)參數(shù)，實現(xiàn) 有限區(qū)域內(nèi)的個性化控制。由于這種形式直接將處理后的空氣送入人的呼吸區(qū)附近，可以 保證人吸入的空氣質(zhì)量，但又不必將周圍所有的空氣控制在合適的溫度和濃度范圍中，因 此具有很高的通風(fēng)效率，可以大大減少通風(fēng)量和能量消耗。 1.4 常見送回風(fēng)形式 為實現(xiàn)混合通風(fēng)、置換通風(fēng)和個性化通風(fēng)，通常需選用相應(yīng)的風(fēng)口和氣流組織形式。 決定混合通風(fēng)的氣流組織因素主要包括送風(fēng)口位置、送風(fēng)口類型、送風(fēng)量、送風(fēng)參數(shù) 等。圖6-11和圖6-

8、14(a)中所列典型混合通風(fēng)為上送上回形式，實際上，常用的還有上送下 回(圖6-14 (b))、下送下回(圖6-14⑹)、側(cè)送上、卜.回(圖6-14 (d))等多種送回風(fēng)形 式網(wǎng)⑸。 (a)上送上回 (b)上送下回 (d)側(cè)送上、下回(體育館) 圖6-14混合通風(fēng)常見的氣流組織形式 (a)噴口風(fēng)口 (b)條縫風(fēng)口 (c)散流器 常見的送風(fēng)口類型主要有：噴口、百葉風(fēng)口、條縫風(fēng)口、散流器(方形、圓形和盤 形)、旋流風(fēng)口以及孔板等等⑹。圖6-15列出了局部常見的送風(fēng)口形式。 (b)貼壁式散流器 (a)嵌入地板式散流器 圖6-15混合通風(fēng)常見的送風(fēng)口類型 置換通風(fēng)的出口風(fēng)速

9、低，送風(fēng)溫差小，所以置換通風(fēng)的送風(fēng)量和送風(fēng)面積較大，它的 末端裝置體積相對來說也較大。置換通風(fēng)散流器按照安裝位置可以分為嵌入地板式散流器 (圖6-16(a))、貼壁式散流器(圖6-16(b))等。 圖6-16置換通風(fēng)常見散流器 個性化送風(fēng)最大的特點在于可以由使用者個性化調(diào)節(jié)，能較好地滿足不同的使用要 求。同時由于其直接控制呼吸區(qū)，可以用較小的送風(fēng)量提高微環(huán)境內(nèi)人員感受到的空氣品 質(zhì)和熱舒適性。目前，個性化送風(fēng)產(chǎn)品和設(shè)計已開始應(yīng)用在辦公室、影劇院、體育場館以 及交通工具中。辦公室采用的個性化送風(fēng)裝置多安置在辦公桌上，現(xiàn)有的送風(fēng)形式除圖6- 3所示的直接向頭部送風(fēng)外，還包括其它很多不同的設(shè)計。

10、例如美國江森公司(Johnson Controls, Inc.)開發(fā)的“個性化環(huán)境單元“(PEM)⑺⑻叫從桌面兩角送風(fēng),如圖6-17⑶所 示；瑞典Mikroklimat研制的“Climadesk”網(wǎng)⑼，從桌前方接近人的條縫向人頭部和胸部送 風(fēng)，如圖6-17(b)所示【⑼。影劇院、車廂等公共場所的個性化送風(fēng)裝置往往設(shè)計在座椅上， 可以從前排的椅背向后排的人送風(fēng)。 無論何種形式的個性化送風(fēng)裝置，由使用者自由調(diào)節(jié)設(shè)備的開關(guān)、風(fēng)速和送風(fēng)角度都是 其共同特點，有些甚至可以調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度。 盡管個性化送風(fēng)裝置對于創(chuàng)造局部良好的空氣品質(zhì)十分有效，但與此同時它所能承當(dāng)?shù)?熱負荷也很有限，通常無法滿足控制整個

11、室內(nèi)空間的要求。因此，采用了個性化送風(fēng)裝置 的環(huán)境往往還要加裝背景環(huán)境控制系統(tǒng)，構(gòu)成“工位一背景”空調(diào)(Task/Ambient conditioning).,例如采用地板送風(fēng)系統(tǒng)給背景送風(fēng)如圖6-17(c)所示。 (c)地板送風(fēng)加個性化工位空調(diào) 圖6-17幾種典型個性化送風(fēng)裝置 通風(fēng)形式多種多樣，其最終目的都是在室內(nèi)形成合理的氣流組織，保證室內(nèi)的污染物 能夠及時排除、室內(nèi)空氣的新鮮度、以及人員熱舒適的要求。是否能到達這種要求，就需要用?些指標(biāo)來描述這種空間分布，進而評價?種通風(fēng)形式。 第二節(jié)室內(nèi)空氣分布的描述參數(shù) 在一定的送回風(fēng)形式下，建筑內(nèi)部空間會形成某個具體的風(fēng)速分

12、布、溫度分布、濕度 分布、污染物濃度分布，有時又稱為風(fēng)速場（或流場）、溫度場、濕度場、污染物濃度場， 這些統(tǒng)稱為氣流組織。那么如何描述或評價這種氣流組織呢？ 根據(jù)通風(fēng)（空調(diào)）的目的，我們可從三個方面來描述和評價氣流組織：一是描述送風(fēng) 有效性的參數(shù)，主要反映送風(fēng)能否有效到達考察區(qū)域以及到達該區(qū)域的空氣新鮮程度；二 是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；三是與熱舒適關(guān)系密切的有關(guān)參數(shù)。當(dāng)然，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(fēng)效果進行總體評價。雖然這僅是一種特例，但對氣流 組織的評價具有一定的參考價值。 氣流組織的

13、描述參數(shù)可以作為氣流組織好壞的評價指標(biāo)。這些指標(biāo)對氣流組織的設(shè)計 有著重要的指導(dǎo)意義。設(shè)計者可以通過評價指標(biāo)的好壞，來調(diào)整送風(fēng)位置、送風(fēng)量等條 件，使室內(nèi)的氣流分布滿足要求。 2.1均勻混合氣流組織的描述參數(shù) 實際系統(tǒng)的形式多種多樣，建筑特點、風(fēng)口的形式和個數(shù)、送風(fēng)參數(shù)等情況千差萬 別。但是所有的情形都可以看成一定數(shù)量的送風(fēng)口對一個體積為V的空間送風(fēng)，空間中有 污染源、熱源和濕源，同時，又存在一定數(shù)量的出風(fēng)口將空氣排出，所有送風(fēng)口風(fēng)量的總 和等于所有出風(fēng)口風(fēng)量的總和，空間保持質(zhì)量平衡。其中，污染源、熱源和濕源都可以為 0。 多送風(fēng)口、多回風(fēng)口的房間也可以等價成為單送風(fēng)口和單回風(fēng)口的房間”

14、21。此時，通 風(fēng)量Q等于所有送風(fēng)口風(fēng)量的總和，等價的送風(fēng)口和出風(fēng)口濃度與各風(fēng)口濃度的關(guān)系如 下： G=（E2 G,）/Q（6-i5） Ce =（Z（2G）/Q（6-16）其中， G等價的送風(fēng)口濃度 Ce——等價的出風(fēng)口濃度Csi-實際系統(tǒng)中第/個送風(fēng)I I處的濃度 Cej——實際系統(tǒng)中第7個山風(fēng)口處的濃度i，j——分別是實際中送風(fēng)口和出風(fēng)口的個數(shù) 假設(shè)在容積為V的房間內(nèi)空氣均勻混合，設(shè)污染物散發(fā)速率為M,在通風(fēng)前污染物濃度為C1,經(jīng)過t時間后，室內(nèi)污染物濃度變?yōu)镃2⑴，送風(fēng)中污染物的濃度是Cs，通風(fēng)量是 Q,那么根據(jù)質(zhì)量守恒可得： de V—= QCS + M-QC(6-17)

15、 dt 初始條件為：t=0, C=C1 上述方程的解為： (6-18) C 式 I) = C)exp(-^l) + (—+ CS)[1 -exp(-^t)] 可以看出，室內(nèi)污染物濃度按照指數(shù)規(guī)律增加或者減少，其增減速率取決于Q/V,該 值的大小反映了房間通風(fēng)變化規(guī)律，我們將其定義為換氣次數(shù)： n=Q/V(6-19)其中，n——房間的換氣次數(shù)，次/h； Q通風(fēng)量，m3/h； 而V/Q那么被定義為通風(fēng)房間的名義時間常數(shù)： t?=V/Q(6-20)其中，%—房間的名義時間常數(shù)，s； V—房間容積，nI3；Q通風(fēng)量，mVs； 房間換氣次數(shù)在定義式的表達上是名義時間常數(shù)的倒數(shù)(注

16、意二者的單位不同)。 M 當(dāng)，―8時，室內(nèi)污染物濃度c2趨于穩(wěn)定值& + —)o 為了方便地計算出在規(guī)定的時間t內(nèi)，到達要求濃度C2所需的通風(fēng)換氣量，式(6-18)可 變形如下： t) (6-21) (6-22) (6-23) QC.-M-QCg QC2-M-QCs 當(dāng)時，上式近似為: QC,-M-QCSQ ;-I HI QC2-M-QCsV 可得: M VC.-C, 此式被稱為非穩(wěn)定狀態(tài)下的全面通風(fēng)換氣量計算式。假設(shè)將式中的a看成等價的單送風(fēng)□濃度，那么將式(6/5)代入，式6.23可寫為多個送風(fēng)口存在時的一般形式： c, (6-24) 前面提到的換氣次

17、數(shù)是衡量房間通風(fēng)情況好壞的重要參數(shù)，同時也是估算房間通風(fēng)量 的依據(jù)，對于確定功能的房間，可以通過查相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊找到換氣次數(shù)的經(jīng)驗值，根據(jù) 換氣次數(shù)和體積估算房間的通風(fēng)換氣最。 對于一個均勻混合的房間，換氣次數(shù)或名義時間常數(shù)就可以反映房間的通風(fēng)情況。均 勻混合是一個理想過程，實際中無法完全實現(xiàn)，可以理解成在進風(fēng)口處有一個相當(dāng)大的風(fēng) 機將氣體迅速擾動，使其均勻分散到房間各處。均勻混合下房間各處的參數(shù)均相等。但對 于實際的絕大多數(shù)情況，房間各處的參數(shù)存在著差異，因此，還需要其它的指標(biāo)，用分布 參數(shù)來反映通風(fēng)(空調(diào))房間更一般的情況。 2.2送風(fēng)有效性的描述參數(shù)空氣齡 空氣齡的概念最早于20世

18、紀(jì)80年代由Sandberg提出四】。根據(jù)定義，空氣齡是指空氣 進入房間的時間。在房間內(nèi)污染源分布均勻且送風(fēng)為全新風(fēng)時，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。它還反映了房間排除污染物的能力，平均空氣齡小 的房間，去除污染物的能力就強。由于空氣齡的物理意義明顯，因此作為衡量空調(diào)房間空 氣新鮮程度與換氣能力的重要指標(biāo)而得到廣泛的應(yīng)用。 從統(tǒng)計角度來看，房間中某一點的空氣由不同的空氣微團組成，這些微團的年齡各不 相同。因此該點所有微團的空氣齡存在一個頻率分布函數(shù)/?)和累計分布函數(shù)F(r)： j/(r)Jr = l(6-25) 0 累計分布函數(shù)與頻率分布函數(shù)之間的關(guān)系為：

19、 ^f(T\lT = F(T)(6-26) 某一點的空氣齡如是指該點所有微團的空氣齡的平均值： Tp=\rf(T)dr(6-27)o 傳統(tǒng)上空氣齡概念僅僅考慮房間內(nèi)部，即房間進風(fēng)口處的空氣齡被認(rèn)為是0(100%的新 鮮空氣)。為綜合考慮包含回風(fēng)、混風(fēng)和管道內(nèi)流動過程的整個通風(fēng)系統(tǒng)的效果，清華大學(xué) 提出了全程空氣齡的概念，即指空氣微團自進入通風(fēng)系統(tǒng)起經(jīng)歷的時間，而將房間入口處 空氣齡取為0而得到的空氣齡稱為房間空氣齡”翅⑸。較之房間空氣齡，全程空氣齡可看成 絕對參數(shù)，不同房間的全程空氣齡可進行比較。 與空氣齡類似的時間概念還有空氣從當(dāng)前位置到離開出口的殘留時間Tn ( residual

20、 lifetime),反映空氣離開房間時的駐留時間介(residence time)等，見圖6-18。對某一位 置的空氣微團，其空氣齡、殘留時間和駐留時間的關(guān)系為： TP + J = Tr 對空氣齡、殘留時間，均可以求出它們在空間的體平均： p- v r，L~其中， ,，% ——分別是空間第i局部的空氣齡和殘留時間。 Vi——空間第，局部的體積 對于一個通風(fēng)房間來說，體平均的空氣齡越小，說明房間里的空氣從整體上來看越新 鮮。 進口 (6-28) (6-29) (6-30) 圖6-18空氣齡、殘留時間和駐留時間的關(guān)系 出口 2.2.1 換氣效率 對于理想“活塞流”的通

21、風(fēng)條件，房間的換氣效率最高。此時，房間的平均空氣齡最 小，它和出口處的空氣齡、房間的名義時間常數(shù)存在以下的關(guān)系： 因此，可以定義新鮮空氣置換原有空氣的快慢與活塞通風(fēng)下置換快慢的比例為通風(fēng) 效率 112nl6|： %=>xl00%(6-32)c p 其中，房間空氣齡的平均值，s 根據(jù)換氣效率的定義式可知，/W 100%。換氣效率越大，說明房間的通風(fēng)效果越 好。典型通風(fēng)形式的換氣效率如下：活塞流，% =100%；全面孔板送風(fēng)，%*100%; 單風(fēng)口下送上回，兒=50%?100% o(a)近似活塞流 (a)近似活塞流 (c)頂送上回 圖6-19不同通風(fēng)方式下的換氣效率 與房間總體

22、換氣效率相對應(yīng)，房間各點的換氣效率可用下式定義： =S-xlOO%(6-33)卻 其中。為房間某一點的空氣齡，So送風(fēng)可及性 為評價短時間內(nèi)的送風(fēng)有效性，清華大學(xué)于2003年提出了送風(fēng)可及性(accessibility of supply air: ASA)l⑺的概念，它能反映送風(fēng)在任意時刻到達室內(nèi)各點的能力。 假設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)中包含某種指示劑，并且室內(nèi)沒有該指示劑的發(fā)生源，那么室內(nèi)空 氣會逐漸含有這種送風(fēng)指示劑。送風(fēng)可及性定義為： f C(x, y,z,t)dt A”(x, y, z,r) = (6-34)其中，AsA(x,y,z, T)——無量綱數(shù)，在時段丁時，室內(nèi)位置為U

23、Z)處的送風(fēng)可及性； C(x, y, z, /)在時刻t室內(nèi)(x, y, z)處的指示劑濃度； Cin一送風(fēng)的指示劑濃度； T—從開始送風(fēng)所經(jīng)歷的時段，也就是用于?衡最通風(fēng)系統(tǒng)動態(tài)特性的有限時段，S。 送風(fēng)可及性反映了在給定的時間內(nèi)從一個送風(fēng)口送入的空氣到達考察點的程度，它是一 個不大于1的正數(shù)?？杉靶缘臄?shù)值越大，反響該風(fēng)口對(X, X Z)點的貢獻越大。根據(jù)可及性 的物理意義，穩(wěn)態(tài)下，也就是時間無限長時，可及性反映的是在向室內(nèi)的全部送風(fēng)中，單 獨風(fēng)口的貢獻所占的比例。也容易推知，穩(wěn)態(tài)下所有風(fēng)口對區(qū)X z)點的可及性之和等于 1。圖6-21展示的是一個典型上送下回的混合通風(fēng)環(huán)境(如圖6

24、-20)的送風(fēng)可及性隨時間 的演變過程。 4m T=50 mm E co T=20 min 圖6-20通風(fēng)房間示意 T=5mmT=10 mm X/m o X/m 12 XJm T=65 mm 圖6-21不同時刻的送風(fēng)可及性開展情況（深色區(qū)域內(nèi)ASA大于0.5） 筑綜合癥必需保證對房間的通風(fēng)，使新風(fēng)量到達?定的要求，才能保證室內(nèi)人員的身體 健康。 通風(fēng)（空調(diào)）包括從室內(nèi)排除污濁的空氣和向室內(nèi)補充新鮮的空氣兩個方面。其中， 前者稱為“排風(fēng)”，后者稱為“送風(fēng)”或“進風(fēng)為實現(xiàn)排風(fēng)或送風(fēng)而采用的一系列設(shè)備、裝 置的總體，稱為“通風(fēng)系統(tǒng) 列舉的諸種通風(fēng)目的，需要合

25、理的氣流組織形式才能實現(xiàn)。好的通風(fēng)系統(tǒng)不僅要能夠 給室內(nèi)提供一個健康、舒適的環(huán)境，而且要使得初投資和運行費用都比較低。因此根據(jù)室 內(nèi)環(huán)境的特點和需求，采取最恰當(dāng)?shù)耐L(fēng)系統(tǒng)和氣流組織形式，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效運行，就顯 得尤為重要。 建筑通風(fēng)（空調(diào)）的方法從實現(xiàn)機理上分為兩種：自然通風(fēng)和機械通風(fēng)。 1.2自然通風(fēng) 自然通風(fēng)是指利用自然的手段（熱壓、風(fēng)壓等）來促使空氣流動而進行的通風(fēng)換氣方 式。它最大的特點是不消耗動力或與機械通風(fēng)相比消耗很少的動力，因而其首要優(yōu)點是節(jié) 能，并且占地面積小、投資少，運行費用低，其次是可以用充足的新鮮空氣保證室內(nèi)的空 氣品質(zhì)。 自然通風(fēng)主要依靠室內(nèi)外風(fēng)壓或者熱壓的不同

26、來進行室內(nèi)外空氣交換。如果建筑物外 墻上的窗孔兩側(cè)存在壓力差△「，就會有空氣流過該窗孔，空氣流過窗孔時的阻力就等于△ P。 (6-1)式中aP—窗孔兩側(cè)的壓力差，Pa； v—空氣流過窗孔時的流速，m / s； p—空氣的密度，kg/n?； &一窗孔的局部阻力系數(shù)。 上式可改寫為(6-2) (6-2) (6-3) (6-4) 2AP式中卜1—窗孔的流量系數(shù)，卜N值的大小與窗孔的構(gòu)造有關(guān)，一般小于1。 通過窗孔的空氣量Q = uF =" V PG = p.Q = pF^2NPp 式中F 一窗孔的面積，m2; 送風(fēng)可及性只與流場相關(guān)，當(dāng)流動形式確定時，可及性也相應(yīng)確定。當(dāng)室

27、內(nèi)沒有某種 組分的源存在時，那么由該組分在各風(fēng)口的輸入速率及相應(yīng)的可及性即可預(yù)測室內(nèi)該組分 的動態(tài)的輸運過程I⑼。 2.3污染物排除有效性的描述參數(shù)污染物含量和排空時間 污染物主要包括固體顆粒、微生物和有害氣體。據(jù)報導(dǎo)，室內(nèi)的有害氣體高達300多 種⑸。除了常見的揮發(fā)性有機物(VOC)、甲醛、氧等有害氣體外，一些無害物質(zhì)如CO?的 量過多也會對人體產(chǎn)生不利影響。濃度是衡量室內(nèi)污染物的直接標(biāo)志。忖前，對污染物濃 度的控制主要是針對某一種污染物，規(guī)定濃度的上限值。 體平均濃度是某一空間污染物濃度的平均反映，其定義式如下： C = 2 CM(6-35)V 其中，C，%——分別是空間第i局部

28、的濃度和體積 對一個通風(fēng)房間來說，當(dāng)初始狀況時房間內(nèi)無污染物且送風(fēng)中不含該污染物時，房間 的污染物存在下述質(zhì)量平衡關(guān)系： tiiT -Ce{T)dr = M(r)(6-36) 即，在T時間內(nèi)產(chǎn)生的污染物減去在時間T內(nèi)自排風(fēng)口排出的污染物等于該時刻房間 內(nèi)的污染物總量。其中，而為房間內(nèi)污染源散發(fā)速率，用表示T時刻房間內(nèi)的污染物 總量。 對上式兩側(cè)求導(dǎo)，得 ，力—QC(r) =電誓(6-37)or 在穩(wěn)定狀態(tài)時，出II濃度等于房間內(nèi)產(chǎn)生的污染物濃度和通風(fēng)量的比值，即 63) =￡(6-38) 將(6-38)式代入(6-37)式，進行積分，可得穩(wěn)定狀態(tài)下房間污染物的總量： M(co

29、) =。? [ [C,(oo) - Ce(r)]dr(6-39) 對于均勻混合的情況，房間各處的污染物濃度處處相等。對「實際中非均勻混合的情 況，污染物濃度在各處存在差異，不同通風(fēng)形式下的房間污染物總量也不同。例如，假設(shè)排 風(fēng)口接近污染源，那么房間污染物總量較小，反之那么較大。因此，房間的污染物總量在一定 程度上也反映了房間內(nèi)氣流組織的情況。 在房間污染物總量的基礎(chǔ)上，定義排空時間為穩(wěn)定狀態(tài)下房間污染物的總量除以房間 的污染物產(chǎn)生率?⑵，即M(oo) T, = ——(6-40) ' m 排空時間反映了 ?定的氣流組織形式排除室內(nèi)污染物的相對能力。排空時間越大，說 明這種形式排除污染物

30、的能力越小，它和污染源的位置有關(guān)，而和污染源的散發(fā)強度無 關(guān)。污染源越靠近排風(fēng)11,排空時間越小。 2.3.1 排污效率與余熱排除效率 設(shè)房間內(nèi)部污染物濃度的體平均值為不，排空時間可以寫成： C V r =—(6-41)m Vm 將名義時間常數(shù)的定義乙二3以及式G3)=弓代入上式，可得Ato- 定義排污效率為： 如 C ^ = —= -=-(6-42) 即排污效率等于房間的名義時間常數(shù)和污染物排空時間的比值，或出口濃度和房間平均濃度的比值。 在進口空氣帶有相同的污染物時，記入口濃度為a,那么此時排污效率定義式為： c -c ”二二(6-43) (6-44) 排污效率

31、也可定義成基于房間污染物最大濃度的形式: 一 C-c, 以上兩種排污效率的定義都是對整個房間而言，對房間內(nèi)任一點，也可求出各點的排 污效率： C -C ￡p = r_r645)Cp J 此處Cp是指房間內(nèi)任一點的濃度。 排污效率是衡量穩(wěn)態(tài)通風(fēng)性能的指標(biāo)，它表示送風(fēng)排除污染物的能力。對相同的污染 物，在相同的送風(fēng)量時能維持較低的室內(nèi)穩(wěn)態(tài)濃度，或者能較快地將室內(nèi)初始濃度降下來 的氣流組織，那么它的排污效率高。影響排污效率的主要因素是送排風(fēng)口的位置(氣流組織 形式)和污染源所處位置。 當(dāng)我們把余熱也當(dāng)成一種污染物時，就能得到余熱排除效率(又稱為投入能量利用系 數(shù))。與污染物排除效率不同的

32、是，當(dāng)我們考察余熱的排除效率時，我們通常僅關(guān)心工作區(qū) 的溫度，而不是整個室內(nèi)空間的溫度。 余熱排除效率用溫度來定義，用來考察氣流組織形式的能量利用有效性。其定義式為: %=W--(6-46)4 Ts 其中，i，Ms——分別為工作區(qū)平均溫度，排風(fēng)溫度和送風(fēng)溫度。 不同的氣流組織形式，即使產(chǎn)生相同的舒適性，消耗的能源也存在著差異。當(dāng)￡＜上 時，小＞1：反之，?。?。在不同的氣流組織形式中，下送上回的形式中較高，一般排風(fēng)溫 度高于平均溫度，因此，〃一般大于1，說明下送上回的氣流組織形式能量利用效率較高。 2.3.3 污染物年齡 房間內(nèi)某點的污染物年齡也是該點排出污染物有效程度的指標(biāo)。某點

33、的污染物年齡是 指污染物從產(chǎn)生到當(dāng)前時刻的時間。類似的，還有污染物駐留時間的概念，即污染物從產(chǎn) 生到離開房間的時間。 和空氣齡類似，房間中某一點的污染物由不同的污染物微團組成，這些微團的年齡各 不相同。因此該點所有污染物微團的污染物年齡存在一個頻率分布函數(shù)/切和累計分布函 數(shù)8①。累計分布函數(shù)與頻率分布函數(shù)之間的關(guān)系為： f = B(r)(6-47)Jo 與空氣齡不同的是，某點的污染物年齡越短，說明污染物越容易來到該點，那么該點的 空氣品質(zhì)比較差。反之，污染物年齡越大，說明污染物越難到達該點，該點的空氣品質(zhì)較 好。 2.3.4 污染源可及性 為評價室內(nèi)突然釋放某種污染物時，這種污染物

34、源在有限時段內(nèi)對室內(nèi)環(huán)境的影響， 定義了影響程度的量化指標(biāo)污染源可及性(accessibility of contaminant source: ACS)[20]o假設(shè)送風(fēng)不包括這種污染物，那么空間某點的污染源可及性定義式如下： ['C(x,y,z,t)dt 4cs (x, y,z,r) = =- (6-48)C ■態(tài)下回風(fēng)口處的平均污染物濃度，其值為： c=Zs,/gi 其中，ASA(x,y,z,T)——無量綱數(shù)，在時段7時，室內(nèi)位置為(x,)，,z)處的污染源可及性： C(x, y, zu)——在時刻i室內(nèi)5 y, z)處的污染物濃度； $——該污染物在室內(nèi)某處的發(fā)生源，編號

35、為八 G送風(fēng)質(zhì)量流量； T—從污染物開始擴散時所經(jīng)歷的時段，也就是用于衡審污染物動態(tài)影響效果的有 限時段，S。 污染源可及性反映了污染物源在任意時段內(nèi)對室內(nèi)各點的影響程度。由于室內(nèi)某點的濃 度可能高于排風(fēng)口處穩(wěn)態(tài)平均濃度不，因此ACS可能大于lo圖6-23展示的是如圖6-20所示混合通風(fēng)環(huán)境引入?個污染源（如圖6-22）時的污染源可及性隨時間的變化過程。 | inletEContaminant source ooz■ 、Y outlet Xr4m 圖6-22通風(fēng)房間及污染物位置示意圖 T=100 minT=180 min T=180 min 23

36、X/m 圖6-23不同時刻的污染源可及性開展情況(深色區(qū)域內(nèi)ACS大于1.0) 當(dāng)污染物源位于送風(fēng)口處時，A”(x,)，,z,t) = Acs(x，)'，z")，即污染源可及性等于送 風(fēng)的可及性。 污染源可及性也只與污染源的位置和流場相關(guān)。當(dāng)各風(fēng)口某種組分的濃度為。時，由該 組分在空間中源的散發(fā)速率及相應(yīng)的可及性即可預(yù)測室內(nèi)各點該組分的濃度變化過程，可 用于指導(dǎo)如何在任意時段內(nèi)通過通風(fēng)系統(tǒng)去除污染物的影響12叫2.4與熱舒適相關(guān)的局部參數(shù) 常見的熱舒適描述方法，包括 PMV(Prcdictcd Mean Vote)、 PD (Percentage Dissatisfied)、PPD (

37、Predicted Percentage of Dissatisfied) > 有效溫度 ET(Effective Temperature)標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET,熱舒適投票TCV (Thermal Comfort Vote),以及過渡活 動狀態(tài)的熱舒適指標(biāo)：相對熱指標(biāo)RWKRelative Warmth Index)和熱損失率HDR(Hcat Deficit Ra⑹等，這些指標(biāo)在第四章“人體對熱濕環(huán)境的反響”中已有詳細的介紹，這里僅介 紹其他與氣流組織相關(guān)的熱舒適描述參數(shù)：不均勻系數(shù)和空氣擴散性能指標(biāo)ADPI等。 2.4.1 不均勻系數(shù) 在室內(nèi)各點，溫度、風(fēng)速等均有不同程度的差異，這種差異可

38、以用“不均勻系數(shù)”指標(biāo) 來評價。 在工作區(qū)內(nèi)選擇n個測點，分別測得各點的溫度和風(fēng)速，求其算術(shù)平均值為： (6-49)均方根偏差為 均方根偏差為 (6-50) 那么不均勻系數(shù)的定義為： ,(7, 尤=：(6-53) 兒=久(6-54)u 這里，速度不均勻系數(shù)ku、溫度不均勻系數(shù)七都是無量綱數(shù)。kh七的值越小，表示 氣流分布的均勻性越好。 2.4.2 空氣擴散性能指標(biāo)(ADPI) 空氣擴散性能指標(biāo)(ADPI： Air Diffusion Performance Index)定義為滿足規(guī)定風(fēng)速和 溫度要求的測點數(shù)與總測點數(shù)之比。對舒適性空調(diào)而言，相對濕度在較大范圍內(nèi)(30%

39、? 70%)對人體舒適性影響較小，可主要考慮空氣溫度與風(fēng)速對人體的綜合作用。根據(jù)實驗 結(jié)果，有效溫度差與室內(nèi)風(fēng)速之間存在以下關(guān)系： AET =(4 — ￡“)一 7.66(% — 0.15)(6-55) 式中，AET—有效溫度差； M 6,—工作區(qū)某點的空氣溫度和給定的室內(nèi)設(shè)計溫度，℃； ///——工作區(qū)某點的空氣流速，m/s； 并且認(rèn)為當(dāng)AET在-1.7?+1.1之間多數(shù)人感到舒適，因此，空氣擴散性能指標(biāo) (ADPI)的定義式如下: ADPI = -1.7<八￡7<1.1的測點數(shù) 總測點數(shù) xlOO% (6-56) ADPI的值越大，說明感到舒適的人群比例越大。在

40、一般情況下，應(yīng)使ADPIN80%。 第三章氣流組織的測量與計算方法 在眾多的氣流組織評價指標(biāo)當(dāng)中，除了少數(shù)基本的分布參數(shù)指標(biāo)，例如溫度、濕 度、風(fēng)速、濃度等，可以使用相應(yīng)的傳感器直接測量出來，大多數(shù)指標(biāo)必需以這些基本分 布參數(shù)作為媒介，在測得基本分布參數(shù)的基礎(chǔ)上進行分析或計算。對于這些基本參數(shù)的測 量方法，將有專門的熱工測量基礎(chǔ)課進行講解，這里僅介紹利用示蹤氣體方法測量的有關(guān) 指標(biāo)和氣流組織的數(shù)值計算方法。 3.1 示蹤氣體及常見釋放方法 利用示蹤氣體研究建筑物空氣分布與滲透特性是通風(fēng)實驗測量的重要手段，在國外已 有四十多年的歷史。示蹤氣體的目的是準(zhǔn)確標(biāo)識室內(nèi)空氣流動特性，因此必須具有

41、被動特 性，即能夠完全跟隨空氣流動，所以一般密度與空氣相近。同時，作為在實驗研究中的氣 體，必須具有可測性，即能夠使用現(xiàn)有儀器比較方便地測量出氣體的濃度。另外，實驗中 應(yīng)用的示蹤氣體需要具有穩(wěn)定性，一般情況下不與空氣及其他物質(zhì)發(fā)生物理或化學(xué)反響，以及無毒性等。常見的示蹤氣體包括甲烷、SF6、二氧化碳等。 常用的示蹤氣體釋放方法有三種⑶】： (1)脈沖法(the pulse method)：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。 (2)上升法(the 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

42、化過程。 ⑶ 下降法(或衰減法)(the step-down method 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，記錄測晨點處示蹤氣體濃度隨時間的變化過程。 3.2 利用示蹤氣體測量氣流組織參數(shù)各種年齡指標(biāo) 測量中，根據(jù)示蹤氣體的釋放點和測量點的不同，可以測量出不同的指標(biāo)。假設(shè)釋放點 在送風(fēng)口，測量點在空間任一位置.，可以測展出該點的空氣齡。此時，在上述三種釋放方 法下，該點空氣齡的頻率分布函數(shù)或累計分布函數(shù)如下: 脈沖法/(r) = /(r) = c*) (6-57) 上升法F(r) = F(r) =

43、 Cp(8) (m/Q) (6-58) 下降法(6-59) 式中，C〃(r)為測點處1■時刻示蹤氣體濃度；Q為送風(fēng)量；〃？為脈沖法釋放的示蹤氣 體的質(zhì)量；j為上升法中示蹤氣體的釋放速率。 于是，用示蹤氣體方法測量出的該點的空氣齡的計算公式為： 脈沖法： f tC(T}dT VtC(T)dT t = (6- 60) “「Cp ⑺ dr(m/Q) 上升法： r = fz[l-￡^2.]6/r= fz[l- C/,(r) ]dv(6-61) Jo C/od) %(m/Q) 卜降法: (6-62) 1c⑴公C/0) 假設(shè)釋放點在房間內(nèi)部，測量點在空間任一位置，可以

44、測量出房間內(nèi)部存在相應(yīng)污染源 時，該點的污染物年齡。此時污染物年齡的頻率分布函數(shù)或累計分布函數(shù)如下: 脈沖法: 47)= (6-63) 上升法： m、C”)=(6-64) 1(8) 下降法： 一(『)=器665) 假設(shè)釋放點在房間內(nèi)部，測量點在出風(fēng)口處，可以測量出污染物的駐留時間。此時污染物駐留時間的頻率分布函數(shù)或累計分布函數(shù)如F： 脈沖法： A⑺二々-CM(&66)C,(r)Jr (加。) Jo e 上升法： "⑺ 一 C 小、一 / ?(6-67)Ce(oo) (m/Q) 下降法： 1-8?)=另■(6-68)換氣次數(shù) 一般使用兩種示蹤氣體方法來測量換氣次

45、數(shù)：上升法和下降法。 在上升法中，根據(jù)質(zhì)量平衡可得到風(fēng)景Q和示蹤氣體散發(fā)易成、出口濃度G的關(guān)系 因此在示蹤氣體散發(fā)量用的情況下，通過測量出口濃度可以得出房間的通風(fēng)量， 而由換氣次數(shù)的定義可知，對于確定的房間，體積一定，測出房間通風(fēng)量后即可求得換氣 次數(shù)。 在下降法中，經(jīng)過一段時間后，房間排風(fēng)口在t時刻的濃度C和換氣次數(shù)n、房間的初 始濃度Co的關(guān)系為: Cc = Ctte~n,(6-70) 如果房間初始濃度Q,測出/時刻排風(fēng)口的濃度，通過上式即可求得換氣次數(shù)。 假設(shè)Q未知，可以測出〃、,2兩個時刻的排風(fēng)口濃度，通過比例關(guān)系消除Co,求得換氣次換氣效率 可以由示蹤氣體方法測出房間的

46、換氣效率和房間各點的換氣效率。 根據(jù)房間換氣效率的定義可知，測出房間的名義時間常數(shù)和房間平均空氣齡可以很快求得房間的換氣效率。名義時間常數(shù)即為換氣次數(shù)的色數(shù)，因此名義時間常數(shù)的測量方法 和換氣次數(shù)的測量方法相同。而對于房間平均空氣齡窘，可以用以下公式測量： 脈沖法： (6-71) —1J\Cr(r)Jr J\Cr(r)Jr rF=- J。 C(8) (6-72) 上升法： 下降法： 一⑺八金=午(6-73) ￡ wdr 而房間各點的換氣效率在測出房間名義時間常數(shù)和該點的空氣齡之后，根據(jù)定義式(6- 23)即可求得。 排污效率 由排污效率的定義式可知，測出進風(fēng)口

47、、考察區(qū)域和排風(fēng)口的示蹤氣體濃度值即可求 得各種定義下的排污效率。 3.3室內(nèi)氣流組織的計算方法 很多情況下，實測方法由于投資高、周期長、實現(xiàn)比較復(fù)雜或者難以模擬實際情況 而不便使用，這時需要使用其它方法來預(yù)測室內(nèi)氣流分布。 目前主要有四種預(yù)測空調(diào)通風(fēng)房間內(nèi)空氣分布的方法：射流理論分析、模型實驗、 區(qū)域化模型(zonal model)以及基于計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics: CFD)方 法的數(shù)值模擬儂)。自20世紀(jì)30年代起，眾多研究者就對機械通風(fēng)房間送風(fēng)口的射流特性 進行了實驗和理論研究，并于50年代初建立了一系列射流公式用于室內(nèi)空氣分布的預(yù)測1

48、231,成為最經(jīng)濟簡單的室內(nèi)空氣分布預(yù)測方法；隨后，1970年，有學(xué)者提出區(qū)域模型對自 然通風(fēng)的通風(fēng)量、溫度分布等進行預(yù)測計算，近來乂有人指出該方法經(jīng)改進后可用于機械 通風(fēng)124】； 1974年，丹麥的P. V. Nilsen首次利用計算流體力學(xué)方法對室內(nèi)空氣流動進行了 數(shù)值模擬磔l，開創(chuàng)了數(shù)值模擬預(yù)測室內(nèi)空氣分布的先河；最為可靠的預(yù)測方法是模型實 驗，借助相似理論，在等比例或縮小比例的模型中通過測量手段對室內(nèi)空氣分布作出預(yù)測 叫 3.3.1 傳統(tǒng)的氣流分布設(shè)計方法 傳統(tǒng)的射流理論分析方法采用射流公式對空調(diào)送風(fēng)口射流的軸心速度和溫度、射流 軌跡等進行預(yù)測，這些射流公式是基于某些標(biāo)準(zhǔn)或理想條

49、件理論分析或試驗得到的。由于 建筑空間越來越向復(fù)雜化、多樣化和大型化開展，實際空調(diào)通風(fēng)房間的氣流組織形式變化 多樣，采用射流公式計算勢必會帶來較大的誤差。并且，射流分析方法只能給出室內(nèi)的一 些集總參數(shù)性的信息，不能給出設(shè)計人員所需的詳細資料，無法滿足設(shè)計者詳細了解室內(nèi) 空氣分布情況的要求。 模型實驗是最精確的一種獲得數(shù)據(jù)的方法。但是它需要較長的實驗周期和昂貴的實 驗費用，搭建實驗?zāi)Ｐ秃馁Y很大，如文獻［27］指出單個實驗通常耗資3000?20()00美元； 對于不同的條件，可能還需要多個實驗，耗資更多，周期也長達數(shù)月以上，難于在工程設(shè) 計中廣泛采用；而且，為了滿足所有模型實驗要求的相似準(zhǔn)那么，

50、其要求的實驗條件可能難 以實現(xiàn)。 區(qū)域模型是將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域，認(rèn)為區(qū)域內(nèi)的相關(guān)參數(shù)如溫度、濃 度相等，區(qū)域間存在熱質(zhì)交換，通過建立質(zhì)量和能量守恒方程并充分考慮了區(qū)域間壓差和 流動的關(guān)系來研究房間內(nèi)的溫度分布以及流動情況，因此，實際上模擬得到的還只是一種 相對“精確”的集總結(jié)果，且在機械通風(fēng)中的應(yīng)用還存在較多問題。 3.3.2 用CFD方法設(shè)計室內(nèi)氣流分布 隨著計算機技術(shù)和湍流模擬技術(shù)的開展，利用計算機求解室內(nèi)空氣流動控制方程組的 數(shù)值模擬預(yù)測方法也即計算流體力學(xué)(CFD)方法有了很大的開展。CFD具有本錢低、速 度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨特的優(yōu)點，故其逐漸受到

51、人們的青睞，CFD 方法也越來越多地應(yīng)用于暖通空調(diào)領(lǐng)域128H29 M3?！竣荕32］。簡單地說，該方法就是在計算機上 虛擬地做實驗：依據(jù)室內(nèi)空氣流動的數(shù)學(xué)物理模型，將房間劃分為許多小的控制體，把控 制空氣流動的連續(xù)的微分方程組離散為非連續(xù)的代數(shù)方程組，結(jié)合實際的邊界條件在計算 機上數(shù)值求解離散所得的代數(shù)方程組，只要劃分的控制體足夠小，就可認(rèn)為離散區(qū)域上的 離散值代表整個房間內(nèi)空氣分布情況。由表6-1給出的四種室內(nèi)空氣分布預(yù)測方法的比照 可見，在目前的三種理論預(yù)測室內(nèi)空氣分布的方法中，CFD方法具有不可比較的優(yōu)勢，并 Q—空氣體積換氣量，nr%； G-空氣質(zhì)量換氣量，kg/So 由上式可

52、以看出，只要窗孔兩側(cè)的壓力差和窗孔的面積F就可以求得通過該 窗孔的空氣量Go G的大小是隨aP的增加而增加的。下面我們分析在自然通風(fēng)條件下， △P產(chǎn)生的原因和提高的途徑。 熱壓作用下的自然通風(fēng) 圖6-1熱壓作用下自然通風(fēng) 有一建筑物如圖6-1所示，在外圍護結(jié)構(gòu)的不 同高度上設(shè)有窗孔a和b,兩者的高差為ho假設(shè) 窗孔外的靜壓力分別為匕、4,窗孔內(nèi)的靜壓力分 別為%，室內(nèi)外的空氣溫度和密度分別為 %、P”和pwo 由于所以 P〃Vp?V° 如果我們首先關(guān)閉窗孔b,僅開啟窗孔a。，不 管最初窗孔a兩側(cè)的壓差如何，由于空氣的流動， 匕將會等于P。。當(dāng)窗孔a的內(nèi)外壓差A(yù)P= （Pa- Pa）

53、=0時，空氣停止流動。 根據(jù)流體靜力學(xué)原理，這時窗孔b的內(nèi)外壓差 \Ph=（Pb-Ph） = （Pg的“）—（2 - ghPw） 二（乙一乙）+ "（「”? 一夕〃）（6-5）式中： 』打、他一窗孔a和b的內(nèi)外壓差，aP>0,該窗孔排風(fēng)，aP<0,該窗孔進風(fēng)； g——重力加速度，m/s2. 從公式（6-5）可以看出，在4 P“=0的情況下,只要pQp” （即/?>/??）,那么4 A>0。因 此，如果窗孔b和窗孔a同時開啟，空氣將從窗孔b流出。隨著室內(nèi)空氣的向外流動，室 內(nèi)靜壓逐漸降低，（P『Pa）由等于零變?yōu)樾∮诹?。這時室外空氣就由窗孔a流入室內(nèi)，一直 到窗孔a的進風(fēng)量等于窗孔b的

54、排風(fēng)量時，室內(nèi)靜壓才保持稔定。由于窗孔a進風(fēng)，^Pa <0；窗孔b排風(fēng)，APb〉。。 根據(jù)公式（6-5）M +（―MM| =或（d, 一 A）（6-6） 上式說明，進風(fēng)窗孔和排風(fēng)窗孔兩側(cè)壓差的絕對值之和與兩窗孔的高度差h和室內(nèi)外的 空氣密度差“）=（P，— Q）有關(guān)，我們把的（QLQ）稱為熱壓。如果室內(nèi)外沒有空氣溫度 差或者窗孔之間沒有高差就不會產(chǎn)生熱壓作用下的自然通風(fēng)。實際上，如果只有一個窗孔 也仍然會形成自然通風(fēng)，這時窗孔的上部排風(fēng)，下部進風(fēng)，相當(dāng)于兩個窗孔緊挨在一起。 余壓的概念且由于當(dāng)前計算機技術(shù)的開展，CFD方法的計算周期和本錢也完全可以為工程應(yīng)用所接 受。盡管CFD方法還存在

55、可靠性和對實際問題的可算性等問題，但這些問題已經(jīng)逐步得到 開展和解決。因此，CFD方法可應(yīng)用于對室內(nèi)空氣分布情況進行模擬和預(yù)測，從而得到房 間內(nèi)空氣各種物理量的詳細分布情況。這對于保證良好的房間空調(diào)系統(tǒng)氣流組織設(shè)計方 案、提高室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)以及減少建筑物能耗都有著重要的指導(dǎo)意義。 表6-1四種暖通空調(diào)房間空氣分布的預(yù)測方法比較闿 法 比較工程 射流公式 區(qū)域模型 CFD 模型實驗 房間形狀復(fù)雜程度 簡單 較復(fù)雜 基本不限 基本不限 對經(jīng)驗參數(shù)的依賴性 幾乎完全 很依賴 ―■些 不依賴 預(yù)測本錢 最低 較低 較昂貴 最高 預(yù)測周期 最短

56、較短 較長 最長 結(jié)果的完備性 簡略 簡略 最詳細 較詳細 結(jié)果的可靠性 差 差 較好 最好 實現(xiàn)的難易程度 很容易 很容易 較容易 很難 適用性 機械通風(fēng)，且與實 際射流條件有關(guān) 機械和自然通 風(fēng)，一定條件 機械和自 然通風(fēng) 機械和自 然通風(fēng) 盡管數(shù)值模擬方法具有其他方法不可比較的優(yōu)越性，但是它也存在一定的局限性，可 靠性是其主要缺點。室內(nèi)空氣流動通常屬于湍流流動，但是目前人們對湍流的機理尚無清 楚認(rèn)識，缺乏完整的湍流理論，只能借助一些半經(jīng)驗的方法對其進行模擬，因此數(shù)值計算 結(jié)果的可靠性就成為制約數(shù)值模擬方法應(yīng)用于曖通空調(diào)氣流組織設(shè)計的主要因素。

57、實際空 調(diào)通風(fēng)房間的邊界條件可能比較復(fù)雜，如送風(fēng)II入流邊界條件、壁面邊界條件、室內(nèi)熱源 分布等。數(shù)值模擬不一定能完全反映這些條件的作用，從而也會影響數(shù)值計算結(jié)果的可靠 性。目前這方面的研究還方興未艾。 用數(shù)值方法計.算評價指標(biāo)在空間的分布是了解室內(nèi)各點通風(fēng)空調(diào)效果的重要手段。下 面介紹一些基本指標(biāo)的數(shù)值計算方法，其它指標(biāo)可以在這些基本指標(biāo)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用其定 義式很方便的計算出來。 室內(nèi)空氣流動應(yīng)遵循不可壓粘性流體的控制方程： 連續(xù)方程： 生4 = 0(6-74) dx： 動量方程: dpUf dpUiUj _ dP + —— dt dXj dXj (6-75) (6-7

58、6) (6-77) + 4-(〃(學(xué) + 學(xué)))+ 兩(%- T) dXj ox. d% 能量方程： dpH 前叫 e /入dH、 c -￡― +-=——()+ s“ dt / dXj cp dXj 組分方程： epc ? epcUj =2巴、 dt dXj oxj ctc dXjUn《方向的速度,m/s； p：空氣密度，kg/m3； P：空氣壓力，Pa； h空氣熱膨脹系數(shù)，1/K； T：空氣溫度，K； H：空氣定壓比焰值，J/kg： 九空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/m . K； C：組分濃度，kg/kg； Sc：組分濃度源，kg/s； Un《方向的速度,m/s； p

59、：空氣密度，kg/m3； P：空氣壓力，Pa； h空氣熱膨脹系數(shù)，1/K； T：空氣溫度，K； H：空氣定壓比焰值，J/kg： 九空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/m . K； C：組分濃度，kg/kg； Sc：組分濃度源，kg/s； 其中： X,：對于i=l, 2, 3,即代表三個垂直坐標(biāo)軸坐標(biāo): S：芍方向的速度，m/s； 4：空氣層流動力粘度,kg/m - s： Tre廣參考溫度，K； gi： i方向之重力加速度，m/s?； Sh：熱源，W； Cp：空氣定壓比熱，J/kg . K； ac：傳質(zhì)Schmidt數(shù)，可取為1.0； 需要指出的是，以上方程均采用愛因斯坦求和約定表

60、示，即下標(biāo)重合的項表示三個方 向分量相加（下同），有關(guān)詳細情況可參見相關(guān)張量分析的參考文獻。 上述方程表示的物理意義是任一流體流動微團的守恒定律：連續(xù)方程表示的是質(zhì)量守 恒定律，動量方程表示的是某個分向上的動量守恒定律（即著名的Novicr-Stokes方程）， 能量方程表示的是能量守恒定律，組分方程表示的是組分質(zhì)量守恒定律。由于上述方程中 所含各項分別是隨時間的變化項、對流項、擴散項和源項，表示的實際是對流擴散作用下 的物理量守恒定律，故又稱對流擴散方程。這些方程都可以用下面的通用微分方程表示， 可以為編制通用程序帶來極大的便利。 8（。。）°（2。％） _ d(6-78) 式中，①

61、、r8分別表示通用變量、有效擴散系數(shù)和源項。 在以上方程的基礎(chǔ)上，加上初始條件和邊界條件，可以求解室內(nèi)風(fēng)速、溫度、濃度的 分布。但是評價室內(nèi)空間的舒適性和空氣品質(zhì)，還需要知道一些其他參量。 例如，將能量方程進行改造，可以求解空氣中的含濕量: (6-79) 誓+甯/T嚼2其中為，Sh分別為濕空氣焰的有效擴散系數(shù)和單位體積的產(chǎn)熱量（顯熱+潛熱）。 根據(jù)濕空氣的物理性質(zhì)，濕空氣的溫度由下式確定： H=\.0\T+d (2500+ 1.84今(6-80)其中，〃是濕空氣的焰"為濕空氣的含濕量。 由于水蒸汽的質(zhì)量濃度和含濕量之間存在如下關(guān)系： Y = -^—1 + 〃，(6-81) 還需

62、增加濕空氣中水蒸汽的質(zhì)量濃度Ywa，它可以根據(jù)相應(yīng)的輸運守恒方程求得⑶】。 空氣齡的輸運方程與連續(xù)性方程、動量方程、湍流模型方程具有相同的形式，可采用 (6-78)的通用方程表示。房間中各點的空氣齡今滿足以下輸運方程1例： 白(「吃金)=」-(「1)+2682) oXjdXj dXj 該方程可以采用數(shù)值計算的方法進行求解。求解時的邊界條件如下： 送風(fēng)入口處：rp =0(6-83)di 排風(fēng)口和近壁處： 一^ = 0(6-84)dXj 和空氣齡相似，污染物齡滿足下面的輸運方程13叫同樣可以數(shù)值求解。 d ——— —(Cr) + V(VCr - DVCr) = C(6-85) d

63、t 3.4常用的氣流組織計算軟件 隨著CFD技術(shù)在通風(fēng)氣流分布計算中的廣泛應(yīng)用，越來越多的商用CFD軟件應(yīng)運而 生。這些商用軟件通常配有大量的算例、詳細的說明文檔以及豐富的前處理和后處理功 能。但是作為專業(yè)性很強的、高層次的知識密集度極高的產(chǎn)品，各種商用CFD軟件之間也 存在差異，下面將針對國內(nèi)常見的一些商用CFD軟件進行簡單介紹所】。 3.4.1 PHOENICS 這是世界上第一個投放市場的CFD商用軟件(1981年)，堪稱CFD商用軟件的鼻 祖。由于該軟件投放市場較早，因而曾經(jīng)在工業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用，其算例庫中收錄了 600多個例子。為了說明PHOENICS的應(yīng)用范圍，其開發(fā)商CH

64、AM公司將其總結(jié)為A到 Z,包括空氣動力學(xué)、燃燒器、射流等等。 另外，目前PHOENICS也推出了專門針對通風(fēng)空調(diào)工程的軟件FLAIRE,可以求解 PMV和空氣齡等通風(fēng)房間專用的評價參數(shù)。 3.4.2 FLUENT 這一軟件是由美國FLUENT Inc.于1983年推出的，包含結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩個版 本。可計算的物理問題包括定常與非定常流動、不可壓縮和可壓縮流動、含有顆粒/液滴的 蒸發(fā)、燃燒過程，多組分介質(zhì)的化學(xué)反響過程等。 值得?提的是，目前FLUENT Inc.又開發(fā)了專門針對曖通空調(diào)領(lǐng)域流動數(shù)值分析的軟 件包Airpack,該軟件具有風(fēng)口模型、新零方程湍流模型等，并且可以求解

65、PMV、PD和空 氣齡等通風(fēng)氣流組織的評價指標(biāo)。 3.4.3 CFX 該軟件前身為 CFDS-FLOW3D,是由 Computational Fluid Dynamics Sennces/AEA Technology于1991年推出的。它可以基于貼體坐標(biāo)、直角坐標(biāo)以及柱坐標(biāo)系統(tǒng)，可計算的 物理問題包括不可壓縮和可壓縮流動、耦合傳熱問題、多相流、顆粒軌道模型、化學(xué)反 應(yīng)、氣體燃燒、熱輻射等。 3.4.4 STAR-CD 該軟件是Computational Dynamics Ltd公司開發(fā)的，采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 系統(tǒng)，計算的問題涉及導(dǎo)熱、對流與輻射換熱的流動問題，涉及化學(xué)反響的

66、流動與傳熱問 題及多相流（氣/液、氣固、固液、液液）的數(shù)值分析。 3.4.5 STACH-3 該軟件是清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系自主開發(fā)的基于三維流體流動和傳熱的數(shù)值計算軟 件。在這個計算軟件中，采用了經(jīng)典的k-￡湍流模型和適于通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)湍流模擬的MIT 零方程湍流模型，用于求解不可壓湍流流動的流動、傳熱、傳質(zhì)控制方程。同時，采用有 限容積法進行離散，動量方程在交錯網(wǎng)格上求解，對流差分格式可選上風(fēng)差分、混合差分 以及累函數(shù)差分格式，算法為SIMPLE算法。該程序已經(jīng)過大量的實驗驗證，具體的數(shù)學(xué) 物理模型和數(shù)值計算方法見文獻RM38M39］。 以上軟件目前在我國的高校和一些研究機構(gòu)都有應(yīng)用，此外國際上還有將近50種商用 CFD軟件。 第四節(jié)典型氣流組織參數(shù)例如 4.1 污染物排除有效性參數(shù)和熱舒適參數(shù)例如 圖6-24為某個采用散流器混合送風(fēng)房間的示意圖。房間長4米，寬2.5米。采用散流 器頂送，兩個回風(fēng)口對稱分布在房間的下側(cè)?；居嬎銋?shù)為：送風(fēng)溫度20℃,含濕量 10g/ （kg干空氣）,室內(nèi)全熱負荷7.6kw,濕負荷0.864g/s。 圖6-25是該混合通風(fēng)形式下計算的排