建筑環(huán)境學 第6章 通風與氣流組織

1、第六章通風與氣流組織清華大學 建筑學院建筑技術科學系1氣流組織對室內環(huán)境質量的意義B 氣流組織的定義J 狹義：機械通風的送回風的搭配形式J 廣義：一定的送風口形式和送風參數所帶來的室內氣流分布(Air Distribution)Ý送風參數：風量、風速的大小和方向以及風溫、濕度、污染物濃度等B 氣流組織的重要性：J 保證室內熱濕環(huán)境和保證空氣品質2本章內容B 通風（空調）的目的與方法B 室內氣流分布的描述參數B 氣流組織的測量與計算方法3通風（空調）的目的與方法4通風換氣或空氣調節(jié)B 通風采用稀釋方法控制室內環(huán)境J 基本考慮單一參數控制，如溫度，污染物濃度等B 空氣調節(jié)J 多參數控制：

2、調節(jié)溫度、濕度、流速、潔凈度、空氣成分、氣味等J 污染嚴重：直流式系統（即機械通風系統）J 污染不很嚴重：部分回風系統5通風的方式B 自然通風J 利用自然的手段（熱壓、風壓等）來促使空氣流動而進行的通風換氣方式J 特點 Ý不消耗動力或消耗很少的動力，節(jié)能 Ý可以用充足的新鮮空氣保證室內的空氣品質 Ý受建筑設計和氣候條件限制，難以控制B 機械通風J 利用機械手段（風機、風扇等）產生壓力差來實現空氣流動的 方式J 特點 Ý可控制性強?？赏ㄟ^調整風口、風量等控制室內氣流分布 Ý需要消耗 能源 Ý 初投資和運行費都比較高6自然通風B 基本原理

3、：只要建筑開口兩側存在壓力差P，就會有空氣流過開口。流過的風速為： P2Pµ2 PB 驅動力壓差J 熱壓：溫差引起的空氣密度差導致建筑開口內外的壓差J 風壓：室外繞流引起建筑周圍壓力分布的不同形成開口處的 壓差B 自然通風的分類J 熱壓通風J 風壓通風J 風壓和熱壓的聯合作用下的自然通風7熱壓通風Pb + ( Pa ) = Pb + Pa = gh( w n )bwnha8熱壓通風的基本概念b余壓oh2中和面oh1a9余壓Lia ( total ) = Fdi (iout l ) H g 1 / 1.5 1(1 + 1.5 ) mii的自然通風的熱壓引起筑建層多 hi iiLia =

4、 Fdi i ( out in )hi g 1 / 1.5 Z10通風自然的下壓作用風11風壓作用下的自然通風往往采用CFD或風洞模型實驗的方法求取K值。風壓系數PfPf = K2w2w12風洞模型實驗13風壓和熱壓的聯合作用下的自然通風Pb = Pxb K b2w2 w = Pxa + hg ( w n ) K bw2w2wKbPxbbtw wtn nPxa14Pa = Pxa K a2w2wKaah常見的自然通風的形式中庭通風由于受熱，氣流上升中間隔斷盡可能小風井通風空氣從下面的開口進入單面通風高度，h高度，h 穿堂風Cross ventilation15穿堂風最大深度 5m機械通風氣流組

5、織形式B 混合通風J追求均勻的室內環(huán)境J 混合后的空氣可能已被污染B 置換通風J 保證人員呼吸區(qū)的環(huán)境要求J 下送風，新鮮氣流先送入工作區(qū)B 個性化送風J 滿足不同個體的特殊性要求J 工位送風，獨立可調16機械通風的氣流組織形式B 三種典型的送風形式J 混合通風J 置換通風J 個性化送風17混合通風Fanger 教授的比方：置換通風或個體送風18混合通風的氣流形式上送上回上送下回下送下回側送上下回19室內氣流分布的描述參數一. 通風量二. 氣流分布與室內環(huán)境三. 空氣齡及其他20室內氣流分布的描述參數通風量通風量與 IAQ的關系21室內氣流分布的描述參數通風量通風量與 IAQ的關系B 美國(歐

6、洲)對學校，辦公室的最新研究表明新風量與SBS之間有著一定的關系，當新風量小于36 m3/h人時，SBS 問題變得顯著。B 關于人體代謝污染的問題，第一印象 (FirstImpres sion) 使 80%的人能夠滿意的最小新風量是 27 m3/h人，對于已適應了室內環(huán)境的90%的人能夠滿足的最小新風量只需 9 m3/h人。22室內氣流分布的描述參數通風量新風通風換氣量常用民用建筑新風量范圍以坐為主、少吸煙、久逗留場所活動強度靜坐極輕輕中等重CO2 發(fā)生量（m3/h.人）0.01440.01730.0230.0410.0748不同 CO2 允許濃度下必須的新風量（m3/h.人）0.1%20.6

7、24.732.958.6106.90.15% 1214.419.234.262.30.2%8.510.213.524.1 44 實際上，人體在靜坐至重勞動狀態(tài)，肺通氣量為：11.680.4 L/min人，即0.7 4.8 m3/h人 (實際為一半)23室內氣流分布的描述參數通風量新風通風換氣量B 決定因素J 室內污染物允許濃度J 室外污染物濃度J 室內污染物發(fā)生量：發(fā)生量已知否？B 室內污染物產生對換氣量的要求J 人體代謝生物污染：以CO2濃度或臭氣強度指數為指標確定換氣量J 消除煙臭的要求根據吸煙量確定J 污染物發(fā)生量：VOC等微量產生的污染難以監(jiān)測，通風量的確定仍然是需要研究的問題。24室

8、內氣流分布的描述參數氣流分布與室內環(huán)境氣流分布與室內環(huán)境的關系B 氣流組織包含的內容J 風速分布（風速場或 流場）J 溫度分布（溫度場）J 濕度分布（濕度場）J 污染物濃度分布（污 染物濃度場，IAQ）B 總新風量滿足要求 ，是否意味著IAQ一定滿足要求？J 向室內引入的新風是否都進入了呼吸區(qū)？J 室內空氣更新的快慢如何？J 室內污染物被轉移出去的速度如何？J 室內空氣參數分布是否滿足要求？25室內氣流分布的描述參數氣流分布與室內環(huán)境氣流分布(氣流組織)評價的方法B 通風氣流組織評價的三類參數J 描述送風有效性的參數，主要反映送風能否有效到達考察 區(qū)域以及到達該區(qū)域的空氣新鮮程度，如：空氣齡、

9、換氣 效率、送風可及性J 描述污染物排除有效性的參數，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，如：污染物含 量和排空時間 、排污效率與余熱排除效率 、污染物年齡 、 污染源可及性J 與熱舒適關系密切的有關參數，如：不均勻系數 、空氣擴 散性能指標(ADPI)B 如果室內空氣充分混合，那么就可以用一個集總的 參數對房間的通風效果進行總體評價26室內氣流分布的描述參數氣流分布與室內環(huán)境理想的氣流分布形式B兩種典型的理想氣流分布J 均勻混合：氣流充分混合，各處參數完全一樣J 活塞流動B 實際情況都不是均勻混合和活塞流動，而要復雜得多27室內氣流分布的描述參數氣流分布與室內環(huán)境全

10、面通風的基本微分方程式（均勻混合時的稀釋方程）B QCS d + M d - Q C d =VdCddC =V QC s + M QCdC QC s + M QC =dVB 在通風量Q一定、室內初始濃度為C1的時候，求C2與通風時間的關系：Q，Cs C Q M Q C 2 = C1 exp + Q + C s 1 exp V V MCV MMB 穩(wěn)定狀態(tài)的關系式： C 2 = + C s 或 Q = Q C2 C s28室內氣流分布的描述參數氣流分布與室內環(huán)境活塞流動時的室內參數B由源強度和房間名義時間常數(換氣次數的倒數)確定等于送風參數J 經過源之后等于均勻混合后的參數 V1n = = Q

11、nJ 房間的溫度、濕度和污染物濃度在經過源之前29室內氣流分布的描述參數空氣齡與其他空氣齡 Air ageB 最早于20世紀80年代由Sandberg提出?？諝恺g是指送風到達房間某點的時間。B 某點的空氣齡越小，說明該點的空氣越新鮮，空氣品質就越好。B 如果某點的空氣年齡為的空氣微團在某點空氣中所占的比例分布即概率分布f()，有B 累計分布函數 f ( )d = F ( ) 00 f ( )d = 1PB 則某點的平均空氣齡為 p = f ( )d = 1 F ( )d00P30室內氣流分布的描述參數空氣齡與其他與空氣齡相關的兩個參數B殘余時間(Residual lifetime)J空氣從當前

12、位置到離開房間的時間 rlB駐留時間(Residence time )J空氣離開房間時空氣齡 r進口 p + rl =rp也稱作“換氣時間”置換室內全部現存空氣的時間進口點Prr1出口出口31室內氣流分布的描述參數空氣齡與其他幾處典型的空氣齡B 房間平均空氣齡J 等于房間各點空氣齡的體平均 piVip =VPeCeB 典型流型的空氣齡J 活塞流：p e / 2 r = e= nJ 均勻混合流：p er= 2p= 2 ePB 非完全混合流：入口空氣年齡最年輕，出口年齡最老如果沒有滯留區(qū)的話32室內氣流分布的描述參數空氣齡與其他換氣效率不涉及污染源的位置B 理論上最短的換氣時間是多少？J “理想活

13、塞流” 的換氣效率最高，房間的平均空氣齡最小 n e p理想 = =22B 換氣效率的定義J 實際通風條件下房間平均空氣齡與活塞流的平均空氣齡的比值倒數為換氣效率（<1），反映了新鮮空氣置換原有空氣的快慢與活塞通風下置換快慢的比較 p理想 n a = × 100% p2 p33室內氣流分布的描述參數空氣齡與其他換氣效率不涉及污染源的位置B 空間各點的換氣效率的定義 n × 100%i = piB 空間各點的換氣效率可以大于1，反映了新鮮空氣替換原有空氣的有效程度34室內氣流分布的描述參數空氣齡與其他常見送回風形式的換氣效率a100a50100(a)近似活塞流(b)下送

14、上回a50(c)頂送上回a50(d)上送上回35室內氣流分布的描述參數空氣齡與其他一個對比的概念B 排污效率J 充分混合流 1J 活塞流Ý 均勻污染源 2也稱：通風效率排污效率：涉及污染源的位置平均排污效率=Ce C sC Cs Ce C s局部排污效率 p = C p CsÝ 如果污染源在出口呢？Ý 污染源在入口呢？Ce, tePB 余熱排除效率J 用得熱代替污染物，溫度代 替污染物濃度 Cs, tsC , ta te t st = ta t s36室內氣流分布的描述參數空氣齡與其他送風可及性(清華，2003)Accessibility of Supply Ai

15、r: ASAB 傳統的氣流組織評價指標，如空氣齡和換氣效率，均反映的是穩(wěn)態(tài)情況B 需要反映送風在任意時刻到達室內各點的能力，考慮有限時間內送風的有效性B 定義J 在流場不變的條件下，假設某一送風口的空氣含有濃度為 Cs,i的指示劑氣體，房間內部無源，則該送風口在歷時T后 對空間位置i的可及性為送風到達i點的百分比 C ( )dASA (T ) =0iiTC s ,i T37室內氣流分布的描述參數空氣齡與其他不同時刻的送風可及性發(fā)展情況（深色區(qū)域內ASA大于0.5）38室內氣流分布的描述參數空氣齡與其他可及性的物理意義B 可及性是流場自身的特性，與送風有無指示劑無關B 可及性反映了在經歷了一定時

16、間后，各風口送風到達空間各點的相對程度B 單一風口經過足夠長時間后，空間各點的可及性均為1B 多個風口經過足夠長時間后，在空間各點的可及性和為139室內氣流分布的描述參數空氣齡與其他不均勻系數B 反映氣流溫度場和速度場的不均勻程度。溫度不均勻系數均方根偏差tti tkt =tt=(t i t )2 ntt速度不均勻系數uku =u40室內氣流分布的描述參數空氣齡與其他空氣擴散性能指標ADPI(Air Diffusion Performance Index)B 定義J 空間內滿足規(guī)定風速和溫度要求的測點數與總測點數之比 1.7 < ET < 1.1的測點數ADPI =× 1

17、00 總測點數B有效溫差 ET=( t - tn)-7.66(Vi-0.15)B ADPI的值越大，說明感到舒適的人群比例越大。在一般情況下，應使ADPI8041氣流組織的測量與計算方法1. 示蹤氣體實驗法2. 半經驗射流公式法3. 數值求解法(CFD方法)421.示蹤氣體試驗法B是研究建筑物空氣分布與滲透特性的重要手段必須具有如下特點J能夠完全跟隨空氣流動J具有可測性J具有穩(wěn)定性，一般情況下不發(fā)生物理或化學反應J 無毒性B示蹤氣體的目的是準確標識室內空氣流動特性，B常見的示蹤氣體包括甲烷、SF6、二氧化碳等。43示蹤氣體的常見釋放方法B脈沖法（pulse method）J在釋放點釋放少量的示

18、蹤氣體，記錄測量點處示蹤氣體濃度隨時間的變化過程。B上升法（step-up method）J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化過程。B下降法（或衰減法）(step-down or decaymethod)J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，記錄測量點處示蹤氣體濃度隨時間的變化過程。44下降法（衰減法）測空氣齡B 待房間內各點濃度穩(wěn)定后，停止示蹤氣體加入， 測量被測點的濃度變化過程B 空氣齡的累積分布函數F ()1 F ( ) =C p ( )C p ( 0)Cp(0)F() Cp(0)f ( )d =B 空氣齡公式pp =0C p (

19、 )dC p (0) =0C p ( )dC p (0) Cp()45脈沖法測空氣齡B 在通風房間的送風口釋放少量示蹤氣體，記錄被測點的濃度變化過程B 概率分布函數B空氣齡公式 C p ( )C p ( )=f ( ) C p ( )d (m / Q)0 p= C ( )d= C ( )d0p0p0 C p ( )d(m / Q)送風量46釋放的示蹤氣體的質量上升法測空氣齡B 在房間送風口處恒定釋放示蹤氣體，記錄被測點的濃度隨時間變化情況B累計分布函數與概率分布函數之間的關系為0f ( )d = F ( ) C p ( ) C p ( )=F ( ) & C p ( ) ( m / Q

20、 )B累積分布函數B 空氣齡公式0 p = 1 F ( )d = 1 0C p ( ) &(m / Q )d送風量47示蹤氣體的釋放速率房間平均空氣齡的測量方法B 脈沖法 1p = 2 C ( )d C ( )d20e0e Ce ( ) 0 (1 Ce () )dB 上升法 p = Ce ( ) 0 (1 Ce () )dB 下降法p = 0Ce ( )dCe ( )d480平均空氣齡公式怎么來的？以下降法為例證明pB 基本公式B 邊界條件B 則有 0 C p ( )d=C p ( 0)M (0) = C (0)V = C p (0)V ,M ( ) = 0M ( ) = C p (

21、)dV = M (0) Q C e ( )dV0M ' ( ) = QC e ( ) '1 M ( )dQ C e ( )d = 00 1 M ( ) 0Q 1= Q d ( M ( )0=+1Q0 1M ( )d = Q M ( )d049平均空氣齡公式怎么來的？以下降法為例證明(2)p =1V p dV =V C p ( )dVd M ( )d0VVC (0)=0M ( 0)Q C e ( )d=0M ( 0)= C e ( )d00C e ( )d502.半經驗射流公式法B 內容和來源J采用射流公式對空調送風口射流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進行預測J基于某些標準或理想條

22、件理論分析或試驗B 缺陷J 不能用于分析復雜空間，應用受制約J只能給出室內的一些集總參數性的信息B 折衷的方法：區(qū)域模型J區(qū)域內集總參數J區(qū)域間考慮存在熱質交換513. 數值求解法B 計算流體力學方法的引入CFD方法J 特點：依據室內空氣流動的數學物理模型，在計算機上做虛 擬實驗J 原理：對連續(xù)方程、動量方程、能量方程和組分方程進行離 散數值求解B 優(yōu)點J 成本低、速度快J 應用范圍廣，提供信息全面B 缺點：可靠性問題J 人們對湍流的機理尚無清楚認識，缺乏完整的湍流理論，需要依賴半經驗的方法J 邊界條件需要簡化：送風口入流、壁面邊界條件、室內熱源 分布等523. 數值求解法示例B 置換通風數值求解方法的空間模型1-壁櫥，2-桌子3-計算機，4-人5-燈，6-送風口7-回風口5