無風道誘導風機通風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計計算方法

1、無風道誘導風機通風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計計算方法 摘要 無風道誘導風機空調(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行了討論。關(guān)鍵詞 誘導風機 空調(diào)系統(tǒng) 氣流組織 設(shè)計方法1 引言無風道誘導風機已經(jīng)廣泛應用于國內(nèi)地下停車場，至仿已有近萬中誘導風機使用在國內(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，這種通風空調(diào)系統(tǒng)在國外，除了用于地下停車場的通風換氣以外

2、，在高大空間空調(diào)系統(tǒng)中也得到了廣泛的應用，尤其是在日本應用工程很多，其中些典型應用實例引人注目。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)計事務所在大面積的展覽會場中，采用了無風道誘導風機空調(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，同進也增加了這種能風空調(diào)系統(tǒng)神秘的色彩。為解決無風道誘導通風系統(tǒng)在空調(diào)工程應用過程中所缺少的設(shè)計計算資料，筆者從2001年中期開始，對這種系統(tǒng)

3、進行了深入的研究，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)工程中推廣和應用這種先進系統(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1的分析可以知道，當空氣由直徑為D0的噴品，以送風速度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，無風道誘導風機空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)機組送出的空氣不是像傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)那樣，通過送風風道將經(jīng)過處理的空氣送到需要的地

4、方，而是通過噴嘴直接送入空調(diào)空間，而誘導風機機組被置于射流主氣流的流道中，當射流軸心速度下降時，利用誘導風機，使主氣流獲得新的動力，將處理過的空氣送到指定的位置，通過改變誘導風機機組的送風口角度和方向，還可以調(diào)整冷、熱氣流的落差，防止了冷風過早進入工作區(qū)，導致人體不舒適，也解決了熱風難以下送的難題，同時還可以使主氣流轉(zhuǎn)向，避免了送風死區(qū)的出現(xiàn)，減少了區(qū)域溫差。圖1 無風道誘導風機空調(diào)系統(tǒng)示意圖目前可利用的誘導風機機組有兩種形式，一種形式為：誘導風機機組有三個送風口，且送風口的位置有5個方向可以安裝，回風口置于機組后部和兩側(cè)上部，這種被稱為TOPVENT 2的誘導風機為瑞典ABB公司在日本的控股

5、公司富列克特（Flkt）公司的專利產(chǎn)品2。另一種形式為：誘導風機采用上下角度分別可以調(diào)節(jié)30的平面送風口，由于單機風口的寬度可以達到1800mm，因此可能形成很寬的平面射流，回風口可以設(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風機替代傳統(tǒng)的風道用于空調(diào)系統(tǒng)，其風險性遠遠大于常規(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）風未能達到誘導風機處，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，導致明顯的吹風感，引起人體不舒適；送風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；熱風下送總是。上述這些問題，歸納起來，在設(shè)

6、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。31 氣流組織計算311 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用，但是由于影響因素繁多，其準確性沿無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，無風道誘導風機空調(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35，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V0-出風口平均風速，m/s；

7、Vx-射程X處軸心速度，m/s；K1-軸心速度常數(shù)，無因次；A0-出風口有效面積，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)，與風口形式和尺寸有關(guān)，y=0.470.06，無因次；K2-軸心溫度常數(shù)，無因次；Ar0-阿基米德數(shù)。軸心溫度衰減規(guī)律： （3）式中TO-出風口送風溫度，；TX-射程X處軸心溫度，；TR-回風溫度，；誘導風機用于空調(diào)系統(tǒng)與用于通風系統(tǒng)時，最大的區(qū)別就是前者是非等溫送風，而后者是等溫送風，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數(shù)的

8、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)計使用的較準確的計算公式并不完善，例如非等溫送風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，目前國外仍然采用式（2）進行計算3。同時，采用什么樣的公式進行計算尚存在較大的分歧。312 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)K1和軸心溫度常數(shù)K2對計算結(jié)果影響很大。K1國亦稱風口特性系數(shù)、送風口常數(shù)。國內(nèi)在進行射流軸心速度衰減計算時，同時采用另一個與風口有關(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

9、能損失3，對于一種形式的風口，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)，它還與送風口風速有關(guān)3，7。K1、a和K2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，當式（1）中的 采用DO替代時，公式中常數(shù) 應除去；不同的風口采用相同的軸心速度常數(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，因此采用其他風口（如矩形風口，條縫風口，旋流風口等），仍采用這些計算公式，將導致明顯誤差；軸心速度常數(shù)取值過大，部分廠家，為了商業(yè)利益，任意提高風口射程（即軸心速度常數(shù)），最近在國內(nèi)會展

10、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，但是表中風口形式過于籠統(tǒng)，因此準確性較差，對于一種形式、尺寸一定的風口，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)。常用風口的軸心速度和軸心溫度常數(shù) 表1風口形式K1K2VO=25m/sVO=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格柵風口31.81.7為了確保無風道誘導風機通風空調(diào)系統(tǒng)的

11、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型誘導風機機組和空調(diào)機組用DVN球型噴口性能進行了檢測，圖2為誘導風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可以看出：K1并非一個常數(shù)；雖然誘導風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角度不同，K1不同；射程超過6m之后，誘導風機噴口K1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 誘導風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)K1313 貼附射流的影響誘導風機一般都是掛在天花下部，因此除了將噴嘴置于誘導風機的底

12、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）是目前使用最廣泛的一種計算公式8： （4）式中 xs-射流分離距離，m；P-風口靜壓降，Pa。314 多股平行射流的影響由于無風道誘導風機空調(diào)系統(tǒng)一般都是采用多臺空調(diào)機組和多臺誘導風機并列，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(wèi)-噴口之間的間距，m。比較

13、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異，由圖可知，當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。315 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即可進行無風道誘導風機空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計計算。設(shè)計步驟如下所述：根據(jù)送風量和空氣分布器標準（JG/T-1999）規(guī)定：風口全壓損失應不超過100Pa的原則，選擇噴口的規(guī)格和數(shù)量；利用式（4）計算噴嘴送風長度（軸心速度為0.5m/s）；根據(jù)射流的出風夾角為22的規(guī)律3繪制送風射流分布圖；考慮到非等溫射流的影響，第一排誘導風機設(shè)

14、置在0.8倍噴嘴送風長度xs之處，第一排誘導風機的數(shù)量按3m間距布置，誘導風機必須在送風氣流范圍內(nèi)；利用式（3）計算末端軸心溫度Tx；計算第一排誘導風機的送風長度（軸心速度為0.5m/s）； 第二排誘導風機設(shè)置在0.8倍誘導風機噴嘴送風長度xs之處；第二排誘導風機的數(shù)量仍按3m間距布置，數(shù)量同第一排；第三排以后的誘導風機數(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)機組風量5000m3/h，選擇3個DVN400球型噴口（喉口直徑398mm），間距2m，喉口風速度4m/s，出風速度12.1m/s時，全壓損失95.4Pa，靜壓損失85.8 Pa，送風溫度10，室內(nèi)溫度26，軸心速度為0.

15、5m/s時送風距離為17m，第一排誘導風機布置在13m處，每排4臺，第一排處軸心溫度為25，第二排誘導風機布置在離第一排誘導風機6m處，每排4臺。誘導風機共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，除了最外側(cè)的，射流邊界卷吸的主要是送風射流，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，這是無風道誘導通風系統(tǒng)用于空調(diào)系統(tǒng)中的一個新發(fā)現(xiàn)。32 氣流組織形式由于無風道誘導風機空調(diào)系統(tǒng)是利用空氣

16、氣流來分布處理過的空氣，因此氣流組織形式，即空調(diào)機組和誘導風機的位置，以及布置方式對整個空調(diào)系統(tǒng)的使用效果影響甚大?？照{(diào)機組一般沿墻布置，可以是單側(cè)送風、雙側(cè)對送，對角線對送?？照{(diào)機組，即送風口的高度和角度應該通過計算確定，以保證在設(shè)計的射程內(nèi)，射流能到達第一排誘導風機所處的位置，宜采用貼附送風。空調(diào)機組之間的距離，應考慮到氣流的覆蓋面，由于射流的出風平角一般為22，因此應該通過作圖的方法，盡可能減少氣流無法覆蓋的區(qū)域的面積。為了解決冷風過早的進入工作區(qū)，同時解決熱風難以下送的難題，空調(diào)機組應該采用送風角度可以電支調(diào)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，合理的送風角度應由計算確定。第一排誘導風機的離空調(diào)機組的距離，誘導風機之間的距離，應由計算確定。誘導風機排間距的確定與空調(diào)機組之間的距離的原則相同。當空調(diào)系統(tǒng)總射程較遠，空間較大，射流離地面較高時，宜采用TOPVENT? 2形式誘導風機機組，可以在誘導風機的前部布置兩個噴口，在誘導風機的下部布置一個噴口，使得在形成向前的主氣流的同時，在誘導風機的下部形成一股垂直向下的空調(diào)送風氣流，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，宜采用平面送風形式的誘導風機，由于這種誘導