無風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計計算方法教材

1、無風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計計算方法摘要 無風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機空調(diào)系統(tǒng)是一種新型的空調(diào)系統(tǒng)， 本文 介紹了其基本工作原理和組成。提出了可供工程設(shè)計的氣流 組織計算方法 ，提供了計算所需要的，以實驗為基礎(chǔ)獲得的 實驗數(shù)據(jù)。給出了具體的設(shè)計步驟和計算例題。對多股平行 非等溫射流、貼附射流對射流特性的 影響 進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞 誘導(dǎo)風(fēng)機 空調(diào)系統(tǒng) 氣流組織 設(shè)計方法1 引言無風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機已經(jīng)廣泛 應(yīng)用 于國內(nèi)地下停車場，至仿已有近萬中誘導(dǎo)風(fēng)機使用在國內(nèi)幾百個地下停車場內(nèi)，為改善地下停車場的空氣品質(zhì)，降低地下停車場通風(fēng)系統(tǒng)的一次投資和運轉(zhuǎn)費用起到了一定的作用。實際上，這種通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在國外，除了用于地下停

2、車場的通風(fēng)換氣以外，在高大空間空調(diào)系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在日本應(yīng)用工程很多，其中些典型應(yīng)用實例引人注目。2001 的在廣州國際會展中心的空調(diào)設(shè)計中，日本佐藤設(shè) 計事務(wù)所在大面積的展覽會場中，采用了無風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機空 調(diào)系統(tǒng)，這是這種系統(tǒng)第一次在國內(nèi)空調(diào)工程中應(yīng)用，因此引起了國內(nèi)空調(diào)界極大的興趣，也引發(fā)了對這種系統(tǒng)在空調(diào) 工程中可行性的激烈爭論。由于在廣州國際會展中心的空調(diào)設(shè)計中，日方只提供了設(shè)計方案，而未提供設(shè)計所必需的計算資料，因此給國內(nèi)設(shè)計人員的設(shè)計造成了很大的困難，同進(jìn)也增加了這種能風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)神秘的色彩。為解決無風(fēng)道誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)在空調(diào)工程應(yīng)用過程中所缺少的設(shè)計計算資料， 筆者從

3、2001 年中期開始，對這種系統(tǒng)進(jìn)行了深入的 研究 ，通過對其主要部件的改造，性能的測試，以及設(shè)計計算方法的研究，尤其是通過實際工程的實踐，基本上掌握了這種系統(tǒng)工程空調(diào)工程的設(shè)計計算方法，為今后在國內(nèi)空調(diào)工程中推廣和應(yīng)用這種先進(jìn)系統(tǒng)提供一實用的設(shè)計 參考 資料。2 工作原理及系統(tǒng)的組成由文獻(xiàn) 1的分析 可以知道，當(dāng)空氣由直徑為 D0的噴品， 以送風(fēng)速度 V0 向往一個不受周圍界面表面限制的空間擴散 時，由于射流邊界與周圍介質(zhì)間的紊流動量交換，周圍空氣 不斷被卷入，沿射程方向，射流不斷擴大，射流流量不斷增 加，射流軸心速度則逐漸衰減。如圖 1 所示，無風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng) 機空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)機組送出的空氣不

4、是像傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)那 樣，通過送風(fēng)風(fēng)道將經(jīng)過處理的空氣送到需要的地方，而是 通過噴嘴直接送入空調(diào)空間，而誘導(dǎo)風(fēng)機機組被置于射流主 氣流的流道中，當(dāng)射流軸心速度下降時，利用誘導(dǎo)風(fēng)機，使 主氣流獲得新的動力，將處理過的空氣送到指定的位置，通 過改變誘導(dǎo)風(fēng)機機組的送風(fēng)口角度和方向，還可以調(diào)整冷、 熱氣流的落差，防止了冷風(fēng)過早進(jìn)入工作區(qū)，導(dǎo)致人體不舒 適，也解決了熱風(fēng)難以下送的難題，同時還可以使主氣流轉(zhuǎn) 向，避免了送風(fēng)死區(qū)的出現(xiàn)，減少了區(qū)域溫差。圖 1 無風(fēng) 道誘導(dǎo)風(fēng)機空調(diào)系統(tǒng)示意圖目前 可利用的誘導(dǎo)風(fēng)機機組有兩種形式，一種形式為：誘導(dǎo)風(fēng)機機組有三個送風(fēng)口，且送風(fēng)口的位置有5 個方向可以安裝，回風(fēng)口置

5、于機組后部和兩側(cè)上部，這種被稱為 TOPVENT? 2 的誘導(dǎo)風(fēng)機為瑞典 ABB 公司在日本的控股公 司富列克特（ Flkt ）公司的專利產(chǎn)品 2。另一種形式為：誘導(dǎo) 風(fēng)機采用上下角度分別可以調(diào)節(jié) 30的平面送風(fēng)口， 由于單機 風(fēng)口的寬度可以達(dá)到 1800mm，因此可能形成很寬的平面射 流，回風(fēng)口可以設(shè)在機組后部，或者下部，這一產(chǎn)品已由筆 者研制成功，并獲得 中國 專 利。3 設(shè)計計算方法采用誘導(dǎo)風(fēng)機替代傳統(tǒng)的風(fēng)道用于空調(diào)系統(tǒng)，其風(fēng)險性 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)有道空調(diào)系統(tǒng)，可能出現(xiàn)的 問題 是：由空調(diào) 機組送出的冷（熱）風(fēng)未能達(dá)到誘導(dǎo)風(fēng)機處，就下落，結(jié)果 在空調(diào)房間內(nèi)出現(xiàn)明顯的區(qū)域溫差；冷氣流中途下落，

6、導(dǎo) 致明顯的 吹風(fēng)感 ，引起人體不舒適；送風(fēng)不送到所有需 要空調(diào)的區(qū)域，形成氣流停滯區(qū)；氣流噪聲問題；熱風(fēng) 下送總是。上述這些問題，歸納起來，在設(shè)計過程中需要解 決的實際上就是：氣流組織計算問題；氣流組織形式問 題。下面分別說明。3 1 氣流組織計算3 1 1 基本計算公式雖然最近十年， CFD 技術(shù)在氣流組織設(shè)計中已得到一定的應(yīng)用，但是由于影響因素繁多，其準(zhǔn)確性沿?zé)o法替代以實驗為基礎(chǔ)的計算方法。國內(nèi)外空調(diào)工程設(shè)計中采用的主要還是以實驗為基礎(chǔ)的計算方法。如圖 1 所示，無風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機 空調(diào)系統(tǒng)，實際上是多股噴口射流的疊加。氣流組織計算的 目的就是確定：軸心速度衰減 規(guī)律 ；軸心軌跡，即射流 落

7、差；軸心溫度衰減規(guī)律。目前國際上使用的射流計算公 式的形式基本相同 3 5，主要區(qū)別在于通過實驗得到經(jīng)驗系數(shù)不盡相同。軸心速度衰減公式：1)式中 V 0-出風(fēng)口平均風(fēng)速， m/s；V x- 射程 X 處軸心速度， m/s；K1-軸心速度常數(shù)，無因次；A 0-出風(fēng)口有效面積， m2。X- 射程， m。非等溫射流軸心軌跡，即射流落差計算公式：2)式中 Y- 射流軸心偏離水平軸之距離， m；a0-射流出口軸線與水平軸之夾角；y-系數(shù)，與風(fēng)口形式和尺寸有關(guān)， y=0.47 0.06，無因次；K2-軸心溫度常數(shù)，無因次；Ar 0-阿基米德數(shù)。 軸心溫度衰減規(guī)律：（3 式中 TO- 出風(fēng)口送風(fēng)溫度，；TX

8、-射程 X 處軸心溫度，； TR-回風(fēng)溫度，； 誘導(dǎo)風(fēng)機用于空調(diào)系統(tǒng)與用于通風(fēng)系統(tǒng)時，最大的區(qū)別 就是前者是非等溫送風(fēng)，而后者是等溫送風(fēng)，對于非等溫射 流，其射程、軸心軌跡、軸心速度衰減、軸心溫度衰減都將 受到阿基米德準(zhǔn)數(shù)的影響 3 。雖然氣流組織已經(jīng)是一個很老的 課題，但是目前可供工程設(shè)計使用的較準(zhǔn)確的計算公式并不 完善，例如非等溫送風(fēng)的軸心速度衰減就缺乏可靠的計算公 式，因此對于非等溫送風(fēng)，目前國外仍然采用式（ 2）進(jìn)行計 算3。同時，采用什么樣的公式進(jìn)行計算尚存在較大的分歧。3 12 軸心速度常數(shù)和軸心溫度常數(shù)在式（ 1）（ 3）中，軸心速度常數(shù) K 1和軸心溫度常數(shù) K2 對計算結(jié)果影

9、響很大。 K 1國亦稱風(fēng)口特性系數(shù)、送風(fēng)口常 數(shù)。國內(nèi)在進(jìn)行射流軸心速度衰減計算時，同時采用另一個 與風(fēng)口有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)， 被稱不紊流系數(shù) a6，a 和 K1之間存 在以下?lián)Q算關(guān)系： a=0.42/ K1。軸心速度常數(shù)是一個與風(fēng)口形式和具體結(jié)構(gòu)有關(guān)的實驗參數(shù)， 它表示軸心動能損失 3 ，對于 一種形式的風(fēng)口，軸心速度常數(shù)歷來被看成常數(shù)，但是最近 研究發(fā)現(xiàn)軸心速度常數(shù)并非常數(shù)，它還與送風(fēng)口風(fēng)速有關(guān)3，7。K1、a和 K 2雖然都是由試驗確定的參數(shù)，使用簡單，但是 國內(nèi)在計算過程中也存在一些問題：式（ 1）有兩種形式， 當(dāng)式（1）中的采用 DO 替代時，公式中常數(shù)應(yīng)除去；不同的風(fēng)口采用相同的軸心速

10、度常數(shù)，目前通用的 速度衰減和射流軸心軌跡計算公式，已將噴口的軸心速度常 數(shù)和軸心溫度常數(shù)具體數(shù)值寫入公式中，因此采用其他風(fēng)口 （如矩形風(fēng)口，條縫風(fēng)口，旋流風(fēng)口等），仍采用這些計算 公式，將導(dǎo)致明顯誤差；軸心速度常數(shù)取值過大，部分廠 家，為了商業(yè)利益，任意提高風(fēng)口射程（即軸心速度常數(shù)）， 最近在國內(nèi)會展類建筑的空調(diào)設(shè)計中這已是司空見慣的事。 雖然各類手冊和教科書都登載有軸心速度常數(shù)和軸心溫度常 數(shù)表，但是表中風(fēng)口形式過于籠統(tǒng)，因此準(zhǔn)確性較差，對于 一種形式、 尺寸一定的風(fēng)口， 一般最好通過實驗來確定。 表 1 是目前常用的軸心速度常數(shù)和軸心溫度常數(shù)。常用風(fēng)口的軸心速度和軸心溫度常數(shù) 表 1風(fēng)口

11、形式K1K2V O=2 5m/sV O=1050m/s圓形和方形噴口5.06.2矩形噴口，長寬比4034.15.3條縫噴口 3格柵風(fēng)口，凈面積 大于 40%34.15.0穿孔板，凈面積3%5%32.73.3穿孔板，凈面積10%50%33.54.3噴口 36.36.54.95.1格柵風(fēng)口 31.81.7為了確保無風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的可靠性，筆者委托國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對 TOPVENT? 2 型誘導(dǎo)風(fēng)機機組和空調(diào)機組用 DVN 球型噴口性能進(jìn)行了檢測， 圖2為誘導(dǎo)風(fēng)機用球型噴口的軸心速度常數(shù) K1和圖 3是 DVN球型噴口的軸心速度常數(shù) K1 的測試結(jié)果。由圖 2 和圖 3 可以看

12、出： K1 并非一個常數(shù)；雖然誘 導(dǎo)風(fēng)機上的三個噴口形式、尺寸完全相同，但是由于安裝部位和出風(fēng)角度不同， K 1不同；射程超過 6m 之后，誘導(dǎo)風(fēng)機噴口 K 1基本不變； 對于 DVN 球型噴口， 出口速度增加，射程增加， K1 減少。圖 2 誘導(dǎo)風(fēng)機機組球型噴口軸心速度常數(shù) K1圖 3 DVN型球型噴口軸心速度常數(shù) K13 13 貼附射流的影響誘導(dǎo)風(fēng)機一般都是掛在天花下部，因此除了將噴嘴置于 誘導(dǎo)風(fēng)機的底部下送外，射流一般都會貼附在天花上，形成 貼附射流，通常是將貼附射流視而不見為自由射流的一半， 風(fēng)口斷面面積加倍， 因此軸心常數(shù)等于自由射流的 ，即表 1 最大值 6.2 變成 8.77。對

13、于貼附射流， 人們最關(guān)心的是非等溫射流的貼附長度， 即射流分離距離，對于非等溫附射流，式（ 4）是目前使用最4）廣泛的一種計算公式 8 ：式中 x s-射流分離距離， m； P-風(fēng)口靜壓降， Pa。31 4 多股平行射流的影響由于無風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機空調(diào)系統(tǒng)一般都是采用多臺空調(diào)機 組和多臺誘導(dǎo)風(fēng)機并列，因此實際上都為多股平行非等溫射流，由式（ 5）可以看出 1 ，多股平行射流的速度衰減慢于單股射流，射流射程加長。5）其中 l- 噴口之間的間距， m比較式（ 1）和式（ 5）可以看出，多股平行射流與單股射流的區(qū)別在于前者多了一項圖 4 表示了 4 種不同噴口間距下，相同的射程時，兩種射流軸心速 度的差

14、異，由圖可知， 當(dāng)噴口之間的間距超過了 2m時，兩種 射流的差異已經(jīng)非常小。3 1 5 設(shè)計計算方法利用式（ 1）式（ 4）和實驗所得噴口軸心速度常數(shù) K1即可進(jìn)行無風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計計算。設(shè)計步驟如下 所述：根據(jù)送風(fēng)量和空氣分布器標(biāo)準(zhǔn)（ JG/T-1999）規(guī)定：風(fēng) 口全壓損失應(yīng)不超過 100Pa 的原則，選擇噴口的規(guī)格和數(shù)量； 利用式（ 4）計算噴嘴送風(fēng)長度（軸心速度為 0.5m/s）； 根據(jù)射流的出風(fēng)夾角為 22的規(guī)律 3繪制送風(fēng)射流分布圖； 考慮到非等溫射流的影響， 第一排誘導(dǎo)風(fēng)機設(shè)置在 0.8 倍噴嘴 送風(fēng)長度 xs之處，第一排誘導(dǎo)風(fēng)機的數(shù)量按 3m 間距布置， 誘導(dǎo)風(fēng)機必須在

15、送風(fēng)氣流范圍內(nèi)；利用式（ 3）計算末端軸 心溫度 Tx；計算第一排誘導(dǎo)風(fēng)機的送風(fēng)長度（軸心速度為 0.5m/s）； 第二排誘導(dǎo)風(fēng)機設(shè)置在 0.8 倍誘導(dǎo)風(fēng)機噴嘴送 風(fēng)長度 xs之處； 第二排誘導(dǎo)風(fēng)機的數(shù)量仍按 3m 間距布置， 數(shù)量同第一排；第三排以后的誘導(dǎo)風(fēng)機數(shù)量和間距同前； 分別計算射流末端軸心溫度。設(shè)計實例：空調(diào)機組風(fēng)量 5000m3/h ，選擇 3 個 DVN400 球型噴口（喉口直徑 398mm），間距 2m，喉口風(fēng)速度 4m/s， 出風(fēng)速度 12.1m/s時，全壓損失 95.4Pa，靜壓損失 85.8 Pa， 送風(fēng)溫度 10，室內(nèi)溫度 26，軸心速度為 0.5m/s 時送風(fēng)距 離為

16、 17m，第一排誘導(dǎo)風(fēng)機布置在 13m 處，每排 4 臺，第一 排處軸心溫度為 25，第二排誘導(dǎo)風(fēng)機布置在離第一排誘導(dǎo) 風(fēng)機 6m處，每排 4 臺。誘導(dǎo)風(fēng)機共 6排，排間距 6m，臺間 距 3m，總射程 50m 。最后一排軸心溫度已經(jīng)接近室溫。以上 計算結(jié)果與 CFD 模擬結(jié)果大致一致， 主要區(qū)別是軸心溫度的 升高 CFD 模擬結(jié)果明顯低于上述計算，原因可能是，由于是 多股水平射流送風(fēng)，除了最外側(cè)的，射流邊界卷吸的主要是 送風(fēng)射流，并非是像單股射流那樣卷吸的是室內(nèi)空氣，因此 軸心溫度升高速度明顯低于用單股射流公式計算的結(jié)果，這 是無風(fēng)道誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)用于空調(diào)系統(tǒng)中的一個新發(fā)現(xiàn)。3 2 氣流組織形

17、式 由于無風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機空調(diào)系統(tǒng)是利用空氣氣流來分布處理 過的空氣，因此氣流組織形式，即空調(diào)機組和誘導(dǎo)風(fēng)機的位置， 以及布置方式對整個空調(diào)系統(tǒng)的使用效果 影響 甚大。 空調(diào)機組一般沿墻布置，可以是單側(cè)送風(fēng)、雙側(cè)對送，對角 線對送?？照{(diào)機組，即送風(fēng)口的高度和角度應(yīng)該通過 計算 確定， 以保證在設(shè)計的射程內(nèi)，射流能到達(dá)第一排誘導(dǎo)風(fēng)機所處的位 置，宜采用貼附送風(fēng)?？照{(diào)機組之間的距離，應(yīng)考慮到氣流的覆 蓋面，由于射流的出風(fēng)平角一般為 22，因此應(yīng)該通過作圖的 方 法，盡可能減少氣流無法覆蓋的區(qū)域的面積。 為了解決冷風(fēng)過早 的進(jìn)入工作區(qū)， 同時解決熱風(fēng)難以下送的難題， 空調(diào)機組應(yīng)該采 用送風(fēng)角度可以電支調(diào)

18、節(jié)的噴口， DVN 球型噴口可以用手動和 電動方式和上和向下調(diào)節(jié) 30，合理的送風(fēng)角度應(yīng)由計算確定。第一排誘導(dǎo)風(fēng)機的離空調(diào)機組的距離，誘導(dǎo)風(fēng)機之間的距 離，應(yīng)由計算確定。 誘導(dǎo)風(fēng)機排間距的確定與空調(diào)機組之間的距 離的原則相同。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)總射程較遠(yuǎn)，空間較大，射流離地面 較高時，宜采用 TOPVENT? 2 形式誘導(dǎo)風(fēng)機機組， 可以在誘導(dǎo) 風(fēng)機的前部布置兩個噴口， 在誘導(dǎo)風(fēng)機的下部布置一個噴口， 使 得在形成向前的主氣流的同時， 在誘導(dǎo)風(fēng)機的下部形成一股垂直 向下的空調(diào)送風(fēng)氣流， 以便減少室內(nèi)的區(qū)域溫差， 這點對冬季需 要送熱風(fēng)的建筑尤為重要。 對于層高不高的大面積空間， 宜采用 平面送風(fēng)形式的誘導(dǎo)風(fēng)機， 由于這種誘導(dǎo)風(fēng)機的出風(fēng)