清华大学建筑环境学第6章通风与气流组织

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章,通风与气流组织,清华大学 建筑学院,建筑技术科学系,1,气流组织对室内环境质量的意义,气流组织的定义,狭义：机械通风的送回风的搭配形式,广义：一定的送风口形式和送风参数所带来的室内气流分布,(Air Distribution),送风参数：风量、风速的大小和方向以及风温、湿度、污染物浓度等,气流组织的重要性：,保证室内热湿环境和保证空气品质,2,本章内容,通风（空调）的目的与方法,室内气流分布的描述参数,气流组织的测量与计算方法,3,通风（空调）的目的与方法,4,通风换气或空气调节,采用稀释方法控制室内环境,通风,基本考虑单一参数控制，如温度，污染物浓度等,空气调节,多参数控制：调节温度、湿度、流速、洁净度、空气成分、气味等,污染严重：直流式系统（即机械通风系统）,污染不很严重：部分回风系统,5,通风的方式,自然通风,利用自然的手段（热压、风压等）来促使空气流动而进行的通风换气方式,特点,不消耗动力或消耗很少的动力，节能,可以用充足的新鲜空气保证室内的空气品质,受建筑设计和气候条件限制，难以控制,机械通风,利用机械手段（风机、风扇等）产生压力差来实现空气流动的方式,特点,可控制性强。可通过调整风口、风量等控制室内气流分布,需要消耗 能源,初投资和运行费都比较高,6,基本原理：只要建筑开口两侧存在压力差,P,，,就会有空气流过开口。流过的风速为：,驱动力,压差,热压：温差引起的空气密度差导致建筑开口内外的压差,风压：室外绕流引起建筑周围压力分布的不同形成开口处的压差,自然通风的分类,热压通风,风压通风,风压和热压的联合作用下的自然通风,自然通风,P,7,热压通风,h,w,n,b,a,8,热压通风的基本概念,余压,9,多层建筑的热压引起的自然通风,余压,10,风压作用下的自然通风,11,风压作用下的自然通风,P,f,往往采用,CFD,或风洞模型实验的方法求取,K,值。,风压系数,12,风洞模型实验,13,风压和热压的联合作用下的自然通风,14,常见的自然通风的形式,中庭通风,风井通风,单面通风,穿堂风,Cross ventilation,15,机械通风气流组织形式,混合通风,追求均匀的室内环境,混合后的空气可能已被污染,置换通风,保证人员呼吸区的环境要求,下送风，新鲜气流先送入工作区,个性化送风,满足不同个体的特殊性要求,工位送风，独立可调,16,机械通风的气流组织形式,三种典型的送风形式,混合通风,置换通风,个性化送风,17,混合通风的气流形式,上送上回,上送下回,下送下回,侧送上下回,18,室内气流分布的描述参数,通风量,气流分布与室内环境,空气龄及其他,19,通风量与,IAQ,的关系,室内气流分布的描述参数通风量,20,通风量与,IAQ,的关系,美国(欧洲)对学校，办公室的最新研究表明新风量与,SBS,之间有着一定的关系，当新风量小于36,m,3,/h,人时，,SBS,问题变得显著。,关于,人体,代谢,污染的问题，第一印象,(,First Impres,sion),使 80%的人能够满意的最小新风量是 27,m,3,/h,人，对于已适应了室内环境的 90%的人能够满足的最小新风量只需 9,m,3,/h,人,。,室内气流分布的描述参数通风量,21,新风通风换气量,常用民用建筑新风量范围,以坐为主、少吸烟、久逗留场所,室内气流分布的描述参数通风量,实际上，人体在静坐至重劳动状态，肺通气量为：,11.680.4 L/min,人，即,0.7 4.8 m,3,/h,人,(,实际为一半,),22,新风通风换气量,决定因素,室内污染物允许浓度,室外污染物浓度,室内污染物发生量：发生量已知否？,室内污染物产生对换气量的要求,人体代谢生物污染：以,CO,2,浓度或臭气强度指数为指标确定换气量,消除烟臭的要求根据吸烟量确定,污染物发生量：,VOC,等微量产生的污染难以监测，通风量的确定仍然是需要研究的问题。,室内气流分布的描述参数通风量,23,气流分布与室内环境的关系,总新风量满足要求 ，是否意味着,IAQ,一定满足要求？,向室内引入的新风是否都进入了呼吸区,？,室内空气更新的快慢如何,？,室内污染物被转移出去的,速度,如何,？,室内,空气参数分布是否满足要求？,气流组织包含的内容,风速分布（风速场或流场）,温度分布（温度场）,湿度分布（湿度场）,污染物浓度分布（污染物浓度场，,IAQ,）,室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境,24,气流分布,(,气流组织,),评价的方法,通风气流组织评价的三类参数,描述送风有效性的参数，主要反映送风能否有效到达考察区域以及到达该区域的空气新鲜程度，如：,空气龄、换气效率、送风可及性,描述污染物排除有效性的参数，主要反映污染物到达考察区域的程度以及到达该区域所需要的时间，如：污染物含量和排空时间 、,排污效率与余热排除效率,、污染物年龄 、污染源可及性,与热舒适关系密切的有关参数，如：,不均匀系数,、空气扩散性能指标,(ADPI),如果室内空气充分混合，那么就可以用一个集总的参数对房间的通风效果进行总体评价,室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境,25,两种典型的理想气流分布,均匀混合：气流充分混合，各处参数完全一样,活塞流动,实际情况都不是均匀混合和活塞流动，而要复杂得多,理想的气流分布形式,室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境,26,全面通风的基本微分方程式（,均匀混合时的稀释方程,）,QC,S,d,+ M d,- Q C d,=,VdC,在通风量,Q,一定、室内初始浓度为,C,1,的时候，求,C,2,与通风时间的关系：,稳定状态的关系式：,M,Q,，,C,s,C,V,C,室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境,或,27,活塞流动时的室内参数,由源强度和,房间名义时间常数,(,换气次数的倒数,),确定,房间的温度、湿度和污染物浓度在经过源之前等于送风参数,经过源之后等于均匀混合后的参数,室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境,28,室内气流分布的描述参数空气龄与其他,空气龄,Air age,最早于,20,世纪,80,年代由,Sandberg,提出。空气龄是指送风到达房间某点的时间。,某点的空气龄越小，说明该点的空气越新鲜，空气品质就越好。,如果某点的空气年龄为,的空气微团在某点空气中所占的比例分布即概率分布,f(,),，有,累计分布函数,则某点的平均空气龄为,P,P,29,与空气龄相关的两个参数,残余时间,(Residual lifetime),空气从当前位置到离开房间的时间,rl,驻留时间,(Residence time ),空气离开房间时空气龄,r,室内气流分布的描述参数空气龄与其他,也称作“换气时间”,置换室内全部现存,空气的时间,30,几处典型的空气龄,房间平均空气龄,等于房间各点空气龄的体平均,典型流型的空气龄,活塞流：,p, ,e,/ 2,r,= ,e,= ,n,均匀混合流：,p, ,e,r,= 2,p,= 2 ,e,非完全混合流：入口空气年龄最年轻，出口空气年龄最老。,P,P,C,e,室内气流分布的描述参数空气龄与其他,e,31,换气效率,不涉及污染源的位置,理论上最短的换气时间是多少？,“理想活塞流” 的换气效率最高，房间的平均空气龄最小,换气效率的定义,实际通风条件下房间平均空气龄与活塞流的平均空气龄的比值倒数为换气效率（,1,），反映了新鲜空气置换原有空气的快慢与活塞通风下置换快慢的比较,室内气流分布的描述参数空气龄与其他,32,空间各点的换气效率的定义,空间各点的换气效率可以大于,1,，反映了新鲜空气替换原有空气的有效程度,换气效率,不涉及污染源的位置,室内气流分布的描述参数空气龄与其他,33,常见送回风形式的换气效率,室内气流分布的描述参数空气龄与其他,34,一个对比的概念,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,均匀污染源,2,如果污染源在出口呢？,污染源在入口呢？,余热排除效率,用得热代替污染物，温度代替污染物浓度,平均排污效率,局部排污效率,P,C,e,t,e,C,s,t,s,也称：通风效率,室内气流分布的描述参数空气龄与其他,35,送风可及性,(,清华，,2003)Accessibility of Supply Air: ASA,传统的气流组织评价指标，如空气龄和换气效率，均反映的是稳态情况,需要反映送风在任意时刻到达室内各点的能力，考虑有限时间内送风的有效性,定义,在流场不变的条件下，假设某一送风口的空气含有浓度为,C,s,i,的指示剂气体，房间内部无源，则该送风口在历时,T,后,对空间位置,i,的可及性为,室内气流分布的描述参数空气龄与其他,送风到达,i,点的百分比,36,不同时刻的送风可及性发展情况,（深色区域内,ASA,大于,0.5,）,室内气流分布的描述参数空气龄与其他,37,可及性的物理意义,可及性是流场自身的特性，与送风有无指示剂无关,可及性反映了在经历了一定时间后，各风口送风到达空间各点的相对程度,单一风口经过足够长时间后，空间各点的可及性均为,1,多个风口经过足够长时间后，在空间各点的可及性和为,1,室内气流分布的描述参数空气龄与其他,38,不均匀系数,反映气流温度场和速度场的不均匀程度。,t,均方根偏差,温度不均匀系数,室内气流分布的描述参数空气龄与其他,速度不均匀系数,39,空气扩散性能指标,ADPI,(Air Diffusion Performance Index),定义,空间内满足规定风速和温度要求的测点数与总测点数之比,有效温差,ET=( t - t,n,)-7.66(V,i,-0.15),ADPI,的值越大，说明感到舒适的人群比例越大。在一般情况下，应使,ADPI80,室内气流分布的描述参数空气龄与其他,40,气流组织的测量与计算方法,示踪气体实验法,半经验射流公式法,数值求解法,(CFD,方法,),41,1.,示踪气体试验法,是研究建筑物空气分布与渗透特性的重要手段,示踪气体的目的是准确标识室内空气流动特性，必须具有如下特点,能够完全跟随空气流动,具有可测性,具有稳定性，一般情况下不发生物理或化学反应,无毒性,常见的示踪气体包括甲烷、,SF,6,、,二氧化碳等。,42,示踪气体的常见释放方法,脉冲法（,pulse method,）,在释放点释放少量的示踪气体，记录测量点处示踪气体浓度随时间的变化过程。,上升法（,step-up method,）,在释放点连续释放固定强度源的示踪气体，记录测量点处示踪气体浓度随时间的变化过程。,下降法（或衰减法）,(step-down or decay method),房间中示踪气体的浓度达到平衡状态后，停止释放示踪气体，记录测量点处示踪气体浓度随时间的变化过程。,43,下降法（衰减法）测空气龄,待房间内各点浓度稳定后，停止示踪气体加入，测量被测点的浓度变化过程,空气龄的累积分布函数,F,(,),空气龄公式,C,p,(0),C,p,(,),F,(,),44,脉冲法测空气龄,在通风房间的送风口释放少量示踪气体，记录被测点的浓度变化过程,概率分布函数,空气龄公式,释放的示踪气体的质量,送风量,45,上升法测空气龄,在房间送风口处恒定释放示踪气体，记录被测点的浓度随时间变化情况,累计分布函数与概率分布函数之间的关系为,累积分布函数,空气龄公式,示踪气体的释放速率,送风量,46,房间平均空气龄的测量方法,脉冲法,上升法,下降法,47,平均空气龄公式怎么来的？,以下降法为例证明,基本公式,边界条件,则有,48,平均空气龄公式怎么来的？,以下降法为例证明,(2),49,2.,半经验射流公式法,内容和来源,采用射流公式对空调送风口射流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测,基于某些标准或理想条件理论分析或试验,缺陷,不能用于分析复杂空间，应用受制约,只能给出室内的一些集总参数性的信息,折衷的方法：区域模型,区域内集总参数,区域间考虑存在热质交换,50,3.,数值求解法,计算流体力学方法的引入,CFD,方法,特点：依据室内空气流动的数学物理模型，,在计算机上做虚拟实验,原理：对连续方程、动量方程、能量方程和组分方程进行离散数值求解,优点,成本低、速度快,应用范围广，提供信息全面,缺点：,可靠性问题,人们对湍流的机理尚无清楚认识，缺乏完整的湍流理论，需要依赖半经验的方法,边界条件需要简化：送风口入流、壁面边界条件、室内热源分布等,51,1-壁橱，2-桌子，3-计算机，4-人，5-灯，6-送风口，7-回风口,3.,数值求解法示例,置换通风数值求解方法的空间模型,52,置换通风的速度场,53,置换通风的温度场,54,置换通风的污染物浓度场,置换通风送风形式，污染物浓度高的部位在上方,。,55,置换通风的空气年龄场,置换通风送风形式，空气年龄长的部位在上方。年龄单位：秒,56,不同气流分布预测方法的特点比较,57,常用的气流分布计算,CFD,软件,PHOENICS,英国,1981,年推出的商业软件，针对暖通空调的,FLAIRE,，可以求解,PMV,和空气龄,FLUENT,美国，,1983,年。,Airpack,具有风口模型、新零方程湍流模型等，并且可以求解,PMV,、,PD,和空气龄,STACH,3,清华大学,90,年代开发，有各种针对暖通空调应用的模型和功能,58,思考题,自然通风的驱动力是什么？有何特点？一般应用于哪些场合？,试分析采用示踪气体测量空气龄的三种释放方法的优缺点：（,1,）脉冲法；（,2,）上升法；（,3,）下降法（或衰减法）,试推导均匀混合通风时空气龄、换气效率、可及性的表达式,59,思考题,请给出活塞流在以下状态下的排污效率，并分析合理的送排风口位置与污染源位置应该是什么关系才能获得比较好的室内环境质量？,污染源在出口时,污染源在入口时,稳态通风情况下，在空间均布的单位体积源作用时，室内污染物浓度的分布规律与房间空气龄的分布规律一样吗？,60,谢谢！,61,