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1、2021/6/7,1,第六章 通风与气流组织,2021/6/7,2,气流分布与热湿环境和空气品质的关系,广义上讲，受控对象所需要的热湿环境和室内空气品质都是通过合适的气流分布形成的（不论是自然对流，还是强制通风）狭义的气流分布指的是上（下、侧、中）送上（下、侧、中）回或置换送风、个性化送风等具体的送回风形式；而广义的气流分布，是指一定的送风口形式和送风参数所带来的室内气流相关参数分布(Air Distribution)。,2021/6/7,3,第一节 通风（空调）的目的 与方法,一、通风的目的 通风：把建筑物室内污浊的空气直接或净化后排至室外，再把新鲜的空气补充进来，从而保持室内的空气环境符合
2、卫生标准。 通风的目的： 保证排除室内污染物 保证室内人员的热舒适 满足室内人员对新鲜空气的需要,2021/6/7,4,通风方式： 自然通风：依靠自然风压、热压作用进行通风 机械通风：利用风机等机械设备进行通风通风和空调的区别 通风：不采用回风，空气不循环使用，进风不（或简单）处理，排风需处理至满足排放标准才能排除； 空调：采用回风，进风需处理至设计值，排风不需处理。,2021/6/7,5,二、自然通风（Natural Ventilation）,定义：指利用自然的手段（热压、风 压等）来促使空气流动而进行 的通风换气方式。 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：室外气流
3、绕流引起建筑周围压 力分布的不同形成开口处的压 差。,2021/6/7,6,特点： 不消耗动力或消耗很少的动力节能； 占地面积小，投资少，运行费用低； 用充足的新鲜空气保证室内的空气品质,2021/6/7,7,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： 通过的空气量： 关键因素： F、P,2021/6/7,8,1、热压通风,热压,2021/6/7,9,2、余压,定义：室内某一点的压力和室外同标高未受扰动的空气压力的差值称为该点的余压。 只有热压作用下：余压=窗孔内外压差 余压0排风；余压0送风 某窗孔的余压Px：以窗孔a为基准面 Px=Pxa + gh(w- n
4、) 某窗孔的余压Px：以窗孔o为基准面 Px=Pxo + gh(w- n),2021/6/7,10,余压沿房间高度的变化,余压,整个房间余压值从窗孔a的负值逐渐增大到排风口b的正值。,2021/6/7,11,热压作用模拟的建筑模型,每层有上下两个开口,2021/6/7,12,室内空气速度分布,2021/6/7,13,室内空气温度分布,2021/6/7,14,3、风压作用下的自然通风,2021/6/7,15,风压作用下的自然通风,Pf,往往采用CFD或风洞模型实验的方法求取K值。,2021/6/7,16,风压：静压的升高或降低。 风压与建筑物的几何形状、室外的风向有关。 静压 ，Pf0，正压；静
5、压 ，Pf0，负压 同一建筑，两个风压值不同的空洞，K大的窗孔进风，K小的窗孔排风。,2021/6/7,17,风洞模型实验,2021/6/7,18,风洞模型实验,2021/6/7,19,4、风压和热压的联合作用,2021/6/7,20,风压、热压同时作用时，窗孔的内外压差等于各窗孔的余压和室外风压之差。 室外风速、风向变化，不稳定因素采暖通风与空气调节设计规范：实际计算时，仅考虑热压作用，风压定性考虑。 自然通风量取决于风压、室内外温差大小。,2021/6/7,21,风压和热压的联合作用,2021/6/7,22,5、常见的自然通风形式,穿堂风：房间的入口、出口相对，自然风直接从入口进入，通过整
6、个房间后穿出出口。进、出口的距离为屋顶高度的2.5-5倍（约6m）。 单面通风：入口和出口在建筑的同一面。通过湍流脉动、热压风压、缝隙进行室内外空气交换。 被动风井（烟囱）通风：为了排出房间中的湿空气。 中庭通风：利用中庭作为风井实现自然通风。,2021/6/7,23,6、自然通风优点,适用于温带气候的建筑； 经济； 若开口的数量足够、位置合适，空气流量会较大； 无需专门机房； 无需专门维护,2021/6/7,24,7、自然通风缺点,通风量难控制 达不到预期IAQ， 热损失大 在大而深的多房间建筑中，难以保证新风的充分输入和平衡分配； 在噪声和污染严重地区，不适用； 安全隐患，应预先采取措施；
7、 不适用恶劣气候地区； 需要居住者自己调节，麻烦； 未对进口空气过滤、净化； 所需空间较大，受到建筑形式的限制。,2021/6/7,25,三、机械通风（Mechanical Ventilation）,定义：指利用机械手段（风机、风扇等）产 生压力差来实现空气流动的方式。分类：1）机械送风-自然排风系统；2）机械排风-自然送风系统；3）机械送排风系统,2021/6/7,26,2021/6/7,27,1、混合通风（Mixing Ventilation）,原理：将空气以一股或多股的形式从工作区外以射流形式送入房间，射入过程中卷吸一定数量的室内空气，让回流区在人的工作区附近，从而保证风速合适、温度均匀
8、。 为了得到均匀的室内空气。,2021/6/7,28,常见送风口类型混合通风,2021/6/7,29,2、置换通风（Displacement Ventilation）,原理：将处理过的空气直接送入到人的工作区（呼吸区），使人率先接触到新鲜空气，从而改善呼吸区的空气品质。 送风装置：散流器（地面、屋角、背靠墙壁） 下部温度、浓度上部，工作区位于下部清洁区,2021/6/7,30,常见风口类型-置换通风,2021/6/7,31,3、个性化送风（Personalized Ventilation）,原理：将处理好的新鲜空气直接送至人员主要活动区，同时人可调节送风参数，实现有限区域个性化。 特点：个性化
9、调节；直接控制呼吸区，无需全部区域的控制；通风效率高，通风量、能耗小。,2021/6/7,32,常见送风口类型,个性化送风装置两边送风,2021/6/7,33,四、常见送回风形式,1.混合通风 常见风口位置：上送上回、上送下回、下送下回、侧送上下回； 常见送风口类型：喷口、百叶风口、条缝风口、散流器、旋流风口等；,2021/6/7,34,几种典型的气流形式：上送上回、上送下回、下送下回、侧送上下回,2021/6/7,35,2.置换通风 出口风速低，送风温差小 送风量、送风面积大 末端装置体积大。 嵌入地板式散流器、贴壁式散流器3.个性化送风 送风装置多安置在办公桌上； 已有设计：美国 个性化环
10、境单元PEM 瑞典 Climatedesk 地板送风+个性化工位空调 特点：局部良好IAQ，承担热负荷有限，不能满足整个空间要求，因此还需加背景环境控制系统（工位-背景空调）,2021/6/7,36,第二节室内空气分布的 描述参数,2021/6/7,37,气流组织：在一定的送回风形式下，建筑内部空间会形成某个具体的风速分布、温度分布、湿度分布、污染物浓度分布。 如何评价气流组织？ 描述送风有效性的参数：风能否到达，到达的新鲜度； 描述污染物排除有效性的参数：污染物到达程度，到达的时间； 与热舒适有关的参数；,2021/6/7,38,一、均匀混合气流组织的描述参数,充分混合：将房间内的通风看成一
11、定数量的送风口对一个体积为V的空间送风，空间内有污染源、热源和湿源，同时，又存在一定数量的出风口将空气排出，所有送风口的送风量总和等于所有出风口的排风量总和，空间保持平衡。 多送风口、多回风口的房间也可等价成为单送风口和单回风口的房间。,2021/6/7,39,送风口、出风口污染物浓度： 均匀混合空气的浓度变化： 方程的解：,Cs：送风口浓度Ce：出风口浓度M:污染物散发速率通风前C1通风后 C2,2021/6/7,40, ，C2污染物浓度按照指数规律增加或减少，增减速率取决于Q/V值；换气次数:n=Q/V (次/h)：衡量房间通风情况好坏的重要参数；估算房间通风量的依据。（查手册）名义时间常
12、数：n=V/Q (s),2021/6/7,41,浓度达到C2所需的通风量： 当Q/ V1时，exp(- Q/V)收敛，级数展开近似求解，取前两项得：非稳定状态下的全面通风换气量,2021/6/7,42,实际气流的评价方法,在推导C2的表达式时，假定送风和室内空气能够很好地混合，也就是有效地稀释了内室污染物含量。实际的气流分布都不会是理想的气流形式，空间各处的参数是不均匀的，且受送回风形式（风口位置、类型和数量，风量）、送风参数、污染源的强度和位置影响，因此需要对实际气流分布好坏进行评价的方法,2021/6/7,43,根据通风气流的目的，气流分布的评价分为三个方面通风有效性排污有效性能量利用有效
13、性与热舒适,2021/6/7,44,二、通风有效性描述参数,空气龄换气效率可及性,2021/6/7,45,1、空气龄(Air Age),最早于20世纪80年代由Sandberg提出。 定义：指送风到达房间某点的时间。 实际意义：旧空气被新空气代替的速度。,2021/6/7,46,空气龄物理意义： 反映IAQ：在房间内污染源分布均匀且送风为全新风时，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； 反映房间排污能力：平均空气龄越小的房间，排污能力越强； 所以，空气龄是衡量空调房间空气新鲜程度、换气能力的重要指标。,2021/6/7,47,与空气龄相关的两个参数,残余时间(Residual
14、 lifetime)trl空气从当前位置到离开房间的时间 驻留时间(Residence time )tr空气离开房间时空气龄，即空气从进入房间到离开房间的时间。,2021/6/7,48,空气龄、残余时间和驻留时间示意图,2021/6/7,49,空气龄的频率分布函数和累积分布函数,从统计角度来看，房间中某一点的空气由不同的空气微团组成，这些微团的年龄各不相同。因此该点所有微团的空气年龄存在一个频率分布函数f()和累计分布函数F(),2021/6/7,50,空气龄的概率分布f()：年龄为的空气微团在某点空气中所占的比例。 空气龄的累计分布F():年龄比短的空气微团所占的比例。 某点的空气龄tp指该
15、点所有微团的的空气龄的平均值：,2021/6/7,51,什么地方的空气最新鲜？ 传统上：送风口的入口处。入口处空气龄为0，100%的新鲜空气，陈旧空气被新鲜空气取代的速率最快。 全程空气龄概念的提出：为了综合考虑回风、混风和管道内流动过程的整个通风系统的效果而引入。 全程空气龄：指空气微团自进入通风系统起经历的时间。 房间空气龄：房间入口处空气龄为0得到的空气龄。 什么地方的空气最陈旧？ 最陈旧的空气应该出现在气流的死角，此处空气龄最长，陈旧空气被新鲜空气取代的速率最慢。,2021/6/7,52,几处典型的空气龄或时间,出口处的空气龄:出口这一点的空气龄 平均驻留时间:出口空气驻留时间的质量平
16、均 房间平均空气龄:房间各点空气龄的体平均体平均的空气龄越小，说明房间里的空气从整体上来看越新鲜。 理想活塞流通风下，驻留时间=房间的名义时间常数r=n=V/Q 空气龄可以用示踪气体方法测量（上升法或下降法）和CFD方法获得,2021/6/7,53,典型的气流分布形式,两种典型的理想气流分布是均匀混合和活塞流动 均匀混合：室内各种参数都完全一样（空间各处均存在理想的搅拌装置：搅拌但不带入热量等）。 活塞流动(单向流)：送入的空气完全占有原来空气的位置，二者不发生质量和能量交换。入口最新鲜，出口最陈旧，平均空气龄=出口处的1/2。 非完全混合（实际情况）：入口处空气最新鲜，出口处空气龄要高于房间
17、平均空气龄，死角处最陈旧。,2021/6/7,54,2、换气效率(Air exchange efficiency),对于理想“活塞流”的通风条件，房间的换气效率最高。此时，房间的平均空气龄最小，它和出口处的空气龄、房间的名义时间常数存在以下的关系 ：,2021/6/7,55,换气效率的定义及含义,定义:实际通风条件下房间平均空气龄与活塞 流下的比值为换气效率（ 1）。它反映 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.,2021/6/7,56,常见送回风形式的换气效率,2021/6/7,57,空间各点的换气效率,空间各点的换气效率空间各点的换气效率可以大于1，反映了新鲜空气替换
18、原有空气的有效程度平均空气龄可以通过测量房间排风处的示踪气体浓度变化过程而得到,2021/6/7,58,3、送风可及性(Accessibility of Supply Air),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。 近年来的恐怖袭击和反恐通风，以及SARS期间有害病毒传播的范围，使人们越来越关注有限时间内送风的有效性。,2021/6/7,59,送风可及性的定义,在流场不变的条件下，假设某送风口的空气含有示踪气体（其余风口不含示踪气体，房间内部也无源），且浓度为Cs,i，则该送风口对空间任一位置在时间时的可及性定义为,2021/6/7,60,可及性的物理意义,可及性是
19、流场自身的特性，与示踪气体无关 可及性反映了在一定时间内，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 ASA ，该风口对某点的贡献 。,2021/6/7,61,稳态送风可及性,稳态时的送风可及性反映了空间各点的空气有多少来自这个风口，有多少来自那个风口 根据送风可及性的大小，可以确定各风口对空间各处的影响程度，从而可更有针对性地调节各送风口的参数来改变空间各处的值,2021/6/7,62,三、污染物排除有效性的描述参数,污染物含量、排空时间 排污效率 污染物年龄 污染源可及性,2021/6/7,63,1
20、、污染物含量和排空时间,1）污染物含量：污染物包括固体颗粒、微生物、有害气体300多种。利用污染物浓度来衡量室内污染物。主要控制手段：控制污染物浓度。体平均浓度：,2021/6/7,64,稳定状态下： 出口浓度=房间内产生的污染物浓度/通风量即污染物总量M()：一定程度上反映房间气流组织情况。 均匀混合情况：房间各处污染物浓度相同。 非均匀混合情况：污染物浓度各处不同，不同通风形式下，污染物总量也不同。排风口接近污染源，污染物总量较小。,2021/6/7,65,2）污染物排空时间 t 定义：稳定状态下，房间污染物总量除以房间的污染物产生率。 反映了一定气流组织形式排除室内污染物的相对能力。 排
21、空时间 ，说明这种形式排除污染物的能力 。 与污染源的位置有关，与污染源的散发强度无关。 污染源越靠近排风口，排空时间越小。,2021/6/7,66,2、排污效率与余热排除效率,对整个房间来说，排污效率： 对房间任一点来说，,2021/6/7,67,排污效率的意义： 衡量稳态通风性能的指标，表示送风排除污染物的能力。 对相同的污染物，在相同的送风量时，能维持较低的室内稳态浓度，或者能较快的将室内初始浓度降下来的气流组织，排污效率高。 主要影响的因素： 送排风口位置（气流组织形式）； 污染源所处的位置,2021/6/7,68,余热排除效率（投入能量利用系数）,意义：用来考察气流组织形式的能量利用
22、有效性。只考虑工作区的温度，而不是整个房间内的温度。 定义表达式： 不同的气流组织形式，即使产生相同的舒适性，消耗的能源也存在差异。 下送上回的形式t较高，一般，排放温度高于平均温度， t1,2021/6/7,69,3.污染物年龄,定义：污染物从产生到当前时刻的时间。 污染物驻留时间：污染物从产生到离开房间的时间。 与空气龄相同：概率分布函数、累计分布函数。 与空气龄不同：某点的污染物年龄越短，污染物越容易来到该点，IAQ差。,2021/6/7,70,4.污染源可及性（Accessibility of Contaminant Source）,意义：突然释放某种污染物时，污染源在任意时段内对室内
23、环境的影响。ACS反映影响程度。 室内某点的浓度可能高于排风口处稳态平均浓度，因此，ACS可能大于1. 当污染源位于送风口处时，污染源可及性=送风可及性ASA=ACS。 污染源可及性也只与污染源的位置和流场相关。,2021/6/7,71,四、与舒适性有关的部分参数,描述热舒适的方法: PMV、PD、PPD、ET、SET、TCV； RWI、HDR； 不均匀系数、ADPI（空气扩散性能指标）,2021/6/7,72,1.不均匀系数,不均匀系数：反映气流温度场和速度场的不均匀程度。 温度不均匀系数：速度不均匀系数： 不均匀系数值越小，气流分布均匀性越好。,2021/6/7,73,2.空气扩散性能指标
24、（Air Diffusion Performance Index）,定义：满足规定风速和温度要求的测点数与总测点数之比。 舒适性空调来说，相对湿度在较大范围内（30%-70%）对人体舒适性影响较小。 有效温度差在-1.7+1.1，多数人感到舒适。 ADPI= -1.7+1.1的测点数/总测点数 ADPI值越大，感到舒适的人群比例越大。 一般， ADPI80%,2021/6/7,74,小结,可以用空气龄、换气效率和送风可及性三种指标评价某种通风形式的通风效率 用污染物含量、排空时间；排污效率、污染物年龄、污染源可及性对污染物排除有效性进行评价。 评价热舒适性的指标有不均匀系数、ADPI 换气次数
25、、名义时间常数也是评价室内气流组织好坏的重要指标。,2021/6/7,75,6.3 气流组织的测量与计算方法,2021/6/7,76,温度、湿度、风速、 传感器 浓度等气流组织指标： 其它大多数指标 示踪气体 （空气龄、换气次数等）,2021/6/7,77,一、示踪气体,利用示踪气体研究建筑物空气分布与渗透特性是通风实验测量的重要手段。 示踪气体的目的是准确标识室内空气流动特性，因此必须具有被动特性，即能够完全跟随空气流动。同时，作为在实验研究中的气体，必须具有可测性，即能够使用现有仪器比较方便地测量出气体的浓度。另外，实验中应用的示踪气体需要具有稳定性，一般情况下不与空气及其他物质发生物理或
26、化学反应，以及无毒性等。 常见的示踪气体包括甲烷、SF6、二氧化碳等。,2021/6/7,78,二、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。,2021/6/7,79,三、利用示踪气体测量气流组织参数,1.各种年龄指标：不
27、同释放点、不同测量点；2.换气次数3.换气效率4.排污效率,2021/6/7,80,1.各种年龄指标,释放点在送风口，测量点在空间任一位置 该点的空气龄 脉冲法 上升法 下降法,2021/6/7,81,脉冲法测空气龄,在通风房间的入口释放少量示踪气体，记录被测点的浓度变化过程频率分布函数空气龄公式,Q为送风量；m为脉冲法释放的示踪气体的质量,2021/6/7,82,上升法测空气龄,在房间入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积分布函数空气龄公式,为上升法中示踪气体的释放速率。,2021/6/7,83,下降法测空气龄,待通风房间各点浓度平衡后，停止示踪气体加入，测量被测点的浓度
28、变化过程累积分布函数空气龄公式,2021/6/7,84,释放点在房间内部，测量点在空间任一位置 污染物年龄 脉冲法 上升法 下降法,2021/6/7,85,脉冲法测污染物年龄,在通风房间的入口释放少量示踪气体，记录被测点的浓度变化过程频率分布函数污染物年龄公式,2021/6/7,86,上升法测污染物年龄,在房间入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积分布函数污染物年龄公式,2021/6/7,87,下降法测污染物年龄,待通风房间各点浓度平衡后，停止示踪气体加入，测量被测点的浓度变化过程累积分布函数污染物年龄公式,2021/6/7,88,释放点在房间内部，测量点在出风口处 污染物
29、驻留时间 脉冲法 上升法 下降法,2021/6/7,89,脉冲法测污染物驻留时间,在通风房间的入口释放少量示踪气体，记录被测点的浓度变化过程频率分布函数,Q为送风量；m为脉冲法释放的示踪气体的质量,2021/6/7,90,上升法测污染物驻留时间,在房间入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积分布函数,为上升法中示踪气体的释放速率。,2021/6/7,91,下降法测污染物驻留时间,待通风房间各点浓度平衡后，停止示踪气体加入，测量被测点的浓度变化过程累积分布函数,2021/6/7,92,2.换气次数,上升法：由质量平衡得下降法： n,2021/6/7,93,3.换气效率,房间换气
30、效率房间各点换气效率,2021/6/7,94,房间平均空气龄的测量方法,脉冲法上升法下降法,其中Ce()是出口处的浓度,2021/6/7,95,以下降法为例证明平均空气龄公式（1）,2021/6/7,96,以下降法为例证明平均空气龄公式（2）,2021/6/7,97,4.排污效率,测出进风口、考察区域和排风口的示踪气体浓度值即可求得各种定义下的排污效率。,2021/6/7,98,四、室内气流组织的计算方法,实测法：投资高、周期长、实现困难、复杂、难以模拟实际情况。 预测法：射流理论分析、模型实验、区域模型、计算机流体力学的数值模型。,2021/6/7,99,1.传统的气流分布设计方法,射流理论
31、分析方法： 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，这些射流公式是基于某些标准或理想条件理论分析或实验得到。 模型实验：最精确，实验周期长、费用高。 区域模型：相对精确的集总结果 将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数（温度、浓度等）相等，区域间存在热质交换，通过建立质量能量守恒房产并充分考虑区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布及流动情况。,2021/6/7,100,2.用CFD方法设计室内气流分布,即用计算机虚拟的做实验：依据室内空气流动的数学物理模型，将房间划分为许多小的控制体，把控制空气流动的连续的微分方程组离散为非连续的代数方程组。结合实际边界条件在计算机上数值求解离散所得的代数方程组。只要划分的控制体足够小，就可认为离散区域上的离散值代表整个房间的空气分布情况。,2021/6/7,101,优越性：成本低、速度快、资料完备、可模拟各种不同工况。 局限性：可靠性不高（湍流流动机理不 清楚半经验方法）； 边界条件复杂，数值模拟不一定完全反映这些条件,2021/6/7,102,五、常见气流组织计算软件,1.Phoenics2.Fluent3.CFX4.Star-CD5.Stach-3,部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！,