實際空調(diào)系統(tǒng)中空氣齡的計算方法

1、實際空調(diào)系統(tǒng)中空氣齡的計算方法摘要空氣齡是描繪通風系統(tǒng)才能優(yōu)劣的重要指標。目前不管是實驗方法還是數(shù)值計算方法，都只能求解單個房間中的空氣齡分布。而實際中的通風系統(tǒng)往往由多個房間、AHU和送回風管路所組成。本文討論了計算實際空調(diào)系統(tǒng)中的空氣齡的一般方法和特殊情況下的簡化算法，提出全程空氣齡的概念。關(guān)鍵詞空氣齡空氣品質(zhì)氣流組織1引言據(jù)調(diào)查，人們一生中約80%90%的時間處在室內(nèi)1，因此室內(nèi)環(huán)境的良好與否對人的安康至關(guān)重要。20世界70年代以來，隨著世界范圍的能源緊缺，節(jié)能成為建筑物設計思想的重要導向。這一時期設計的建筑物加強了密閉性，減少了空調(diào)新風量。另一方面，隨著材料科學的開展，有機合成材料在室

2、內(nèi)裝飾中得到了廣泛應用，但這在美化房間的同時，致使揮發(fā)性有機化合物V在室內(nèi)大量聚集，嚴重惡化了室內(nèi)空氣品質(zhì)2。在這一時期設計的許多所謂節(jié)能建筑中，人們出現(xiàn)了各種不適癥候，如眼睛發(fā)紅、流鼻涕、嗓子疼、困倦、頭痛、惡心、頭暈、皮膚瘙癢等3。這些因建筑物使用而產(chǎn)生的病癥，根據(jù)世界衛(wèi)生組織H1983年的定義，被統(tǒng)稱為病態(tài)建筑綜合癥SBS，而導致這種綜合癥的建筑被稱為病態(tài)建筑。病態(tài)建筑在現(xiàn)實中大量存在。有人分析了美國50000多個辦公室之后得出結(jié)論，認為只有20%的辦公室可劃歸到安康建筑的范疇，40%的辦公室為一般安康建筑，而40%的為病態(tài)建筑，不能滿足要求，其中10%的辦公室條件很差，是嚴重的病態(tài)建筑

3、4。從此，人們對室內(nèi)環(huán)境有了進一步的認識，并提出了室內(nèi)空氣品質(zhì)的概念。室內(nèi)空氣品質(zhì)反映了人們對室內(nèi)空氣的滿意程度，根據(jù)美國供暖制冷工程師學會公布的ASHRAESTANDARD62-89的定義5：良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)表現(xiàn)為空氣中的污染物不超過公認的權(quán)威機構(gòu)所確定的有害物濃度指標，并且處于這種空氣中的絕大多數(shù)人大于80%對此沒有表示不滿意。這一定義除了客觀評價外，也強調(diào)了人的主觀評價。大量研究說明，通風房間的空氣品質(zhì)取決于兩個方面：通風系統(tǒng)的性能和室內(nèi)污染物的特性6。美國國家職業(yè)平安與衛(wèi)生研究所NISH對529個存在空氣質(zhì)量問題的建筑進展過評估6，其中280座建筑物通風不合格，占調(diào)查總數(shù)的53%，而

4、建材污染僅為21座占40%。由此可見，很大局部病態(tài)建筑是由不良的通風系統(tǒng)設計導致。在通風系統(tǒng)的性能中，室內(nèi)氣流組織對空氣品質(zhì)影響極大。根據(jù)美國明尼蘇達大學和加州伯克利大學勞倫斯實驗室的研究結(jié)果，室內(nèi)氣流組織不當所引起的空氣品質(zhì)惡劣問題大約占空氣品質(zhì)惡劣總是總數(shù)的45%46%6。為了定量評價室內(nèi)氣流組織的優(yōu)劣，各國學者提出多種指標，如宏觀空氣交換率7，換氣效率、通風效率、凈空氣流量2等，這些指標中的多數(shù)均與空氣齡有關(guān)。根據(jù)Sandberg等人的定義，空氣齡已成為繼溫度、濕度之后評價室內(nèi)空氣的又一重要參數(shù)。早期研究中空氣齡主要是采用示蹤氣體方法進展測量9-11，該方法需要較長的測量周期，費用也比擬

5、昂貴，還會影響人們的正常工作。隨著空氣齡分布方程的發(fā)現(xiàn)，近年來空氣齡的數(shù)值計算方法得到越來越廣泛的應用12-17。與傳統(tǒng)實驗方法相比，數(shù)值算法無論在精度，速度，經(jīng)濟性上都更勝一籌，將在將來的應用中據(jù)主導地位。但不管是示蹤氣體方法還是數(shù)值計算方法，傳統(tǒng)上都只能局限在單個房間中。而實際空調(diào)系統(tǒng)往往由多個房間，多個AHU，復雜的送回風管路連接而成。為了使空氣齡可以應用于工程理論，本文將嘗試對如何計算整個空調(diào)系統(tǒng)中的空氣齡及如何用空氣齡評價通風系統(tǒng)的性能作一討論。為了與以往研究相區(qū)別，本文將以往所研究的局限在單個房間中的空氣齡稱為房間空氣齡，把文中研究的定義在整個系統(tǒng)中的空氣齡稱為全程空氣齡。2空氣齡

6、的定義與分布方程空氣齡指房間內(nèi)某點處空氣在房間內(nèi)已經(jīng)滯留的時間。由于單個空氣分子做的是不規(guī)那么隨機運動，沒有哪個空氣分子所做的運動是完全一樣的，因此觀測點附近的不同空氣分子在房間內(nèi)停留的時間也會各不一樣。觀測點的空氣齡不是指位于該點的某一個空氣分子在室內(nèi)停留的時間也會各不一樣。觀測點的空氣齡不是指位于該點的某一個空氣分子在室內(nèi)停留的時間，而是在該點附近的空氣分子群的平均停留時間。這個分子群在宏觀上是無限小的，因此具有均勻的溫濕度等物理特性；在微觀上是無限大的，表達出連續(xù)流體，即無限多的微觀粒子的統(tǒng)計特性，而非單個粒子的隨機運動特性。如前所述，觀測點附近的空氣分子群由各種不同年齡的分子組成，各種

7、年齡的空氣分子數(shù)量存在一個頻率分布函數(shù)f和累積分布函數(shù)F。所謂頻率分布函數(shù)f，是指年齡為+的空氣分子數(shù)量占總分子數(shù)量的比例與之比；而累積分布函數(shù)F，是指年齡小于的空氣分子數(shù)量占總分子數(shù)量的比例。累積分布函數(shù)與頻率分布函數(shù)之間存在以下關(guān)系：1由于某點空氣齡是該點空氣分子群的平均值，因此當頻率分布函數(shù)時，可由下式計算任意一點的空氣齡p：2結(jié)合N-S方程9和質(zhì)擴散方程3，3穩(wěn)態(tài)情況下的空氣齡分布方程可以表述為：4在空調(diào)通風中，一般情況下，認為空氣的密度為常數(shù)?？紤]到質(zhì)量守恒方程：5有：6空氣齡分布方程4的形式和源項為1的質(zhì)擴散方程完全一致；而質(zhì)擴散方程的求解是在大量計算流體力學軟件中被廣泛實現(xiàn)的。這

8、就使得單個房間內(nèi)空氣齡分布的可以方便的采用現(xiàn)有數(shù)值計算軟件求解。3實際通風系統(tǒng)中對全程空氣齡的計算31實際通風系統(tǒng)的構(gòu)成元素實際通風系統(tǒng)由通風房間，風道，新風入口，排風口按照一定方式連接而成如圖1。理論上，對任意復雜的系統(tǒng)，我們都可以進展全區(qū)域包括房間，風道和AHU三維數(shù)值計算，但這必然導致復雜的無法解決的問題。因此，為使空氣齡的概念能應用到實際工程當中，必須提出針對復雜通風系統(tǒng)的簡化算法。圖1實際通風系統(tǒng)示意圖不管是多么復雜的通風系統(tǒng)，總可以按照空氣流動方向分解成以下四種情況的組合：1無分岔管道內(nèi)流動例如從點1到點S1；2沿分岔管道分流在點S1處；3沿管道集合匯流在點1處；4通風房間內(nèi)流動。

9、對這四種情況的空氣齡分布，我們可以在滿足精度要求的情況下作如下處理：1無分岔管道內(nèi)流動，空氣齡在管道內(nèi)的增量為：72沿分岔管道分流，由于空氣性質(zhì)分岔前后無限短處不變，所以空氣齡分岔前后無限短處不變。3沿管道集合匯流，集合點后無限短處的空氣齡通過下式確定：8其中i和Li分別代表第i支參與集合的風道內(nèi)在集合點前無限短處氣流的空氣齡和風量。4通風房間內(nèi)流動：首先通過N-S方程9用計算流體力學方法確定房間內(nèi)空氣流速分布，再根據(jù)方程4用數(shù)值方法求解空氣齡。所有這些方程都可以寫成如下同一形式：9其中是通用變量，可以代表u,v,等，S是密度，的擴散系數(shù)和源項。詳見表1。通用方程中各項的取值和含義表1S1uu

10、effVueffueffKGk-ueff=ul+utut=Dk2/方程中u，v，等的邊界條件前人已有說述，在此不再贅言?？諝恺g的邊界條件如下表述19：入口處：10出口處：1132實際通風系統(tǒng)的綜合計算實際空調(diào)通風系統(tǒng)的方式多種多樣。送風房間數(shù)量可以是單個到幾十個甚至上百個，AHU數(shù)量可以是一個或十和個，送風管路連接關(guān)系可以是枝狀或環(huán)形。對一般的復雜系統(tǒng)，盡管理論上可以把系統(tǒng)按組成元素劃分，對每個元素列出相應空氣齡分布方程，再對這些方程進展聯(lián)立求解，從而獲得整個系統(tǒng)工程的全程空氣齡參數(shù)；但在實際上這樣處理極其困難。原因主要在于現(xiàn)有計算流體力學軟件對邊界條件處理的局限性。在上述通風系統(tǒng)的四種構(gòu)成中

11、，只有房間內(nèi)流動需要進展數(shù)值計算。當有回風系統(tǒng)存在時，房間送風口的邊界條件就成為房間出風口處空氣齡尚需要通過數(shù)值計算求解和新風在管路中空氣齡增量可以在數(shù)值計算前先計算出來的線性組合。即，方程10式在存在回風系統(tǒng)的數(shù)值計算中表現(xiàn)為：12其中代表送風口處空氣齡的值，是未知列微量，維數(shù)是送風口個數(shù)。是房間中各個控制體的空氣齡值，是未知列向量，維數(shù)是房間內(nèi)控制體的個數(shù)。P是矩陣，代表管道連接關(guān)系；是列向量，代表管道空氣齡增量；P和都可以在數(shù)值計算之前求出即在方程12中成為量。方程12所代表的邊界條件是現(xiàn)有大局部計算充體力學軟件都不能處理的，如需解決，必須親自編寫額外程序。這就導致上述方法在實際應用中難

12、以實現(xiàn)。研究說明，在實際應用中可以采用迭法進展計算。詳細步驟為以圖1為例：1假設1，2等所有回風點空氣齡數(shù)值需大于0，然后根據(jù)方程78，計算送風口處空氣齡值。2通過數(shù)值計算求解房間內(nèi)空氣齡分布。3根據(jù)排風口處的空氣齡值計算出新的回風點空氣齡。4假設新的回風點空氣齡與上一輪迭代中空氣齡之差在誤差允許范圍之內(nèi)，計算完畢。否那么返回第2步。在數(shù)學上可以嚴格證明，只要系統(tǒng)新風比不為0不是全回風系統(tǒng)，上述方法的收斂性和相容性都是得到保證的?？諝恺g迭代所占計算時間遠遠少于求解速度場所需的時間，因此該方法在速度上也是可以滿足要求的。盡管一般來講，對通風系統(tǒng)的空氣齡分布進展直接非迭代求解是非常困難的，但對一類

13、簡單情況，即單AHU系統(tǒng)所有回風支路都匯于一點，如圖2，存在一種簡單的直接方法進展求解。圖2單AHU通風系統(tǒng)示意圖設f為系統(tǒng)新風比。首先假設回風空氣齡值R1于R點。沿氣流運行方向，根據(jù)方程78，計算出空氣齡a1于S點。根據(jù)a1，通過數(shù)值運算求解房間空氣齡分布p1，并據(jù)此求出新的回風空氣齡R2。那么房間的實際空氣齡分布：13圖3，4顯示了通過數(shù)值計算得到的一間帶回風系統(tǒng)的房間全程空氣齡分布和同樣房間不考慮回風影響即認為送風口處空氣齡為0的空氣齡分布房間空氣齡。從中可以看出，二者不僅在數(shù)值大小上有很大差異，而且分布形狀也不盡一樣。這說明，與作為衡量房間內(nèi)氣流組織特性的參數(shù)定義的房間空氣齡相比，全程

14、空氣齡還反映出通風系統(tǒng)的管路設計對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響?；仫L管路對全程空氣齡分布的影響無法通過單純對房間內(nèi)流場的研究獲得，一定要結(jié)合管路連接構(gòu)造進展研究。圖3某實際建筑局部空調(diào)管路及系統(tǒng)圖4房間空氣齡分布4結(jié)論空氣齡是作為評價房間氣流組織的概念被提出的。早期研究多采用示蹤氣體測量方法，近期數(shù)值計算方法逐漸開場興起。但前人研究一直局限在對單個房間的空氣齡研究上。在本文中，作者討論了如何計算完好的實際空調(diào)系統(tǒng)中的空氣齡，主要提出以下觀點：1定義實際通風系統(tǒng)中綜合考慮房間、AHU、回風系統(tǒng)間互相影響所得到的空氣齡分布為全程空氣齡。2全程空氣齡可以通過迭代法準確、快速的獲得。3可以嚴格證明，上述方法的收

15、斂性在非全回風系統(tǒng)中得到保證。4在得到廣泛應用的單AHU系統(tǒng)中，對全程空氣齡的計算還存在更簡潔的直接算法。參考文獻1朱能，王侃紅，田哲，空調(diào)系統(tǒng)在病態(tài)建筑中的特征分析，暖通空調(diào)，1999年第29卷第2期：1115。2馬仁民，國外非工業(yè)建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)研究動態(tài)，暖通空調(diào)，1999年29卷第2期：3841。3李先庭，楊建榮，王新歡，室內(nèi)空氣品質(zhì)研究現(xiàn)狀與開展，暖通空調(diào)，2000的第3期：3640。4EDRGAN，etal.PrdutivitylinkttheindrenvirnentestiatedrelativetASHRAE621989。PreedingsfHealthBuildings94,

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