建筑环境学 第6章 通风与气流组织

1、第六章通风与气流组织清华大学 建筑学院建筑技术科学系1气流组织对室内环境质量的意义B 气流组织的定义J 狭义：机械通风的送回风的搭配形式J 广义：一定的送风口形式和送风参数所带来的室内气流分布(Air Distribution)Ý送风参数：风量、风速的大小和方向以及风温、湿度、污染物浓度等B 气流组织的重要性：J 保证室内热湿环境和保证空气品质2本章内容B 通风（空调）的目的与方法B 室内气流分布的描述参数B 气流组织的测量与计算方法3通风（空调）的目的与方法4通风换气或空气调节B 通风采用稀释方法控制室内环境J 基本考虑单一参数控制，如温度，污染物浓度等B 空气调节J 多参数控制：

2、调节温度、湿度、流速、洁净度、空气成分、气味等J 污染严重：直流式系统（即机械通风系统）J 污染不很严重：部分回风系统5通风的方式B 自然通风J 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J 特点 Ý不消耗动力或消耗很少的动力，节能 Ý可以用充足的新鲜空气保证室内的空气品质 Ý受建筑设计和气候条件限制，难以控制B 机械通风J 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J 特点 Ý可控制性强。可通过调整风口、风量等控制室内气流分布 Ý需要消耗 能源 Ý 初投资和运行费都比较高6自然通风B 基本原理

3、：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： P2Pµ2 PB 驱动力压差J 热压：温差引起的空气密度差导致建筑开口内外的压差J 风压：室外绕流引起建筑周围压力分布的不同形成开口处的 压差B 自然通风的分类J 热压通风J 风压通风J 风压和热压的联合作用下的自然通风7热压通风Pb + ( Pa ) = Pb + Pa = gh( w n )bwnha8热压通风的基本概念b余压oh2中和面oh1a9余压Lia ( total ) = Fdi (iout l ) H g 1 / 1.5 1(1 + 1.5 ) mii的自然通风的热压引起筑建层多 hi iiLia =

4、 Fdi i ( out in )hi g 1 / 1.5 Z10通风自然的下压作用风11风压作用下的自然通风往往采用CFD或风洞模型实验的方法求取K值。风压系数PfPf = K2w2w12风洞模型实验13风压和热压的联合作用下的自然通风Pb = Pxb K b2w2 w = Pxa + hg ( w n ) K bw2w2wKbPxbbtw wtn nPxa14Pa = Pxa K a2w2wKaah常见的自然通风的形式中庭通风由于受热，气流上升中间隔断尽可能小风井通风空气从下面的开口进入单面通风高度，h高度，h 穿堂风Cross ventilation15穿堂风最大深度 5m机械通风气流组

5、织形式B 混合通风J追求均匀的室内环境J 混合后的空气可能已被污染B 置换通风J 保证人员呼吸区的环境要求J 下送风，新鲜气流先送入工作区B 个性化送风J 满足不同个体的特殊性要求J 工位送风，独立可调16机械通风的气流组织形式B 三种典型的送风形式J 混合通风J 置换通风J 个性化送风17混合通风Fanger 教授的比方：置换通风或个体送风18混合通风的气流形式上送上回上送下回下送下回侧送上下回19室内气流分布的描述参数一. 通风量二. 气流分布与室内环境三. 空气龄及其他20室内气流分布的描述参数通风量通风量与 IAQ的关系21室内气流分布的描述参数通风量通风量与 IAQ的关系B 美国(欧

6、洲)对学校，办公室的最新研究表明新风量与SBS之间有着一定的关系，当新风量小于36 m3/h人时，SBS 问题变得显著。B 关于人体代谢污染的问题，第一印象 (FirstImpres sion) 使 80%的人能够满意的最小新风量是 27 m3/h人，对于已适应了室内环境的90%的人能够满足的最小新风量只需 9 m3/h人。22室内气流分布的描述参数通风量新风通风换气量常用民用建筑新风量范围以坐为主、少吸烟、久逗留场所活动强度静坐极轻轻中等重CO2 发生量（m3/h.人）0.01440.01730.0230.0410.0748不同 CO2 允许浓度下必须的新风量（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 实际上，人体在静坐至重劳动状态，肺通气量为：11.680.4 L/min人，即0.7 4.8 m3/h人 (实际为一半)23室内气流分布的描述参数通风量新风通风换气量B 决定因素J 室内污染物允许浓度J 室外污染物浓度J 室内污染物发生量：发生量已知否？B 室内污染物产生对换气量的要求J 人体代谢生物污染：以CO2浓度或臭气强度指数为指标确定换气量J 消除烟臭的要求根据吸烟量确定J 污染物发生量：VOC等微量产生的污染难以监测，通风量的确定仍然是需要研究的问题。24室

8、内气流分布的描述参数气流分布与室内环境气流分布与室内环境的关系B 气流组织包含的内容J 风速分布（风速场或 流场）J 温度分布（温度场）J 湿度分布（湿度场）J 污染物浓度分布（污 染物浓度场，IAQ）B 总新风量满足要求 ，是否意味着IAQ一定满足要求？J 向室内引入的新风是否都进入了呼吸区？J 室内空气更新的快慢如何？J 室内污染物被转移出去的速度如何？J 室内空气参数分布是否满足要求？25室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境气流分布(气流组织)评价的方法B 通风气流组织评价的三类参数J 描述送风有效性的参数，主要反映送风能否有效到达考察 区域以及到达该区域的空气新鲜程度，如：空气龄、

9、换气 效率、送风可及性J 描述污染物排除有效性的参数，主要反映污染物到达考察 区域的程度以及到达该区域所需要的时间，如：污染物含 量和排空时间 、排污效率与余热排除效率 、污染物年龄 、 污染源可及性J 与热舒适关系密切的有关参数，如：不均匀系数 、空气扩 散性能指标(ADPI)B 如果室内空气充分混合，那么就可以用一个集总的 参数对房间的通风效果进行总体评价26室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境理想的气流分布形式B两种典型的理想气流分布J 均匀混合：气流充分混合，各处参数完全一样J 活塞流动B 实际情况都不是均匀混合和活塞流动，而要复杂得多27室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境全

10、面通风的基本微分方程式（均匀混合时的稀释方程）B QCS d + M d - Q C d =VdCddC =V QC s + M QCdC QC s + M QC =dVB 在通风量Q一定、室内初始浓度为C1的时候，求C2与通风时间的关系：Q，Cs C Q M Q C 2 = C1 exp + Q + C s 1 exp V V MCV MMB 稳定状态的关系式： C 2 = + C s 或 Q = Q C2 C s28室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境活塞流动时的室内参数B由源强度和房间名义时间常数(换气次数的倒数)确定等于送风参数J 经过源之后等于均匀混合后的参数 V1n = = Q

11、nJ 房间的温度、湿度和污染物浓度在经过源之前29室内气流分布的描述参数空气龄与其他空气龄 Air ageB 最早于20世纪80年代由Sandberg提出。空气龄是指送风到达房间某点的时间。B 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。B 如果某点的空气年龄为的空气微团在某点空气中所占的比例分布即概率分布f()，有B 累计分布函数 f ( )d = F ( ) 00 f ( )d = 1PB 则某点的平均空气龄为 p = f ( )d = 1 F ( )d00P30室内气流分布的描述参数空气龄与其他与空气龄相关的两个参数B残余时间(Residual lifetime)J空气从当前

12、位置到离开房间的时间 rlB驻留时间(Residence time )J空气离开房间时空气龄 r进口 p + rl =rp也称作“换气时间”置换室内全部现存空气的时间进口点Prr1出口出口31室内气流分布的描述参数空气龄与其他几处典型的空气龄B 房间平均空气龄J 等于房间各点空气龄的体平均 piVip =VPeCeB 典型流型的空气龄J 活塞流：p e / 2 r = e= nJ 均匀混合流：p er= 2p= 2 ePB 非完全混合流：入口空气年龄最年轻，出口年龄最老如果没有滞留区的话32室内气流分布的描述参数空气龄与其他换气效率不涉及污染源的位置B 理论上最短的换气时间是多少？J “理想活

13、塞流” 的换气效率最高，房间的平均空气龄最小 n e p理想 = =22B 换气效率的定义J 实际通风条件下房间平均空气龄与活塞流的平均空气龄的比值倒数为换气效率（<1），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 p理想 n a = × 100% p2 p33室内气流分布的描述参数空气龄与其他换气效率不涉及污染源的位置B 空间各点的换气效率的定义 n × 100%i = piB 空间各点的换气效率可以大于1，反映了新鲜空气替换原有空气的有效程度34室内气流分布的描述参数空气龄与其他常见送回风形式的换气效率a100a50100(a)近似活塞流(b)下送

14、上回a50(c)顶送上回a50(d)上送上回35室内气流分布的描述参数空气龄与其他一个对比的概念B 排污效率J 充分混合流 1J 活塞流Ý 均匀污染源 2也称：通风效率排污效率：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 余热排除效率J 用得热代替污染物，温度代 替污染物浓度 Cs, tsC , ta te t st = ta t s36室内气流分布的描述参数空气龄与其他送风可及性(清华，2003)Accessibility of Supply Ai

15、r: ASAB 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B 需要反映送风在任意时刻到达室内各点的能力，考虑有限时间内送风的有效性B 定义J 在流场不变的条件下，假设某一送风口的空气含有浓度为 Cs,i的指示剂气体，房间内部无源，则该送风口在历时T后 对空间位置i的可及性为送风到达i点的百分比 C ( )dASA (T ) =0iiTC s ,i T37室内气流分布的描述参数空气龄与其他不同时刻的送风可及性发展情况（深色区域内ASA大于0.5）38室内气流分布的描述参数空气龄与其他可及性的物理意义B 可及性是流场自身的特性，与送风有无指示剂无关B 可及性反映了在经历了一定时

16、间后，各风口送风到达空间各点的相对程度B 单一风口经过足够长时间后，空间各点的可及性均为1B 多个风口经过足够长时间后，在空间各点的可及性和为139室内气流分布的描述参数空气龄与其他不均匀系数B 反映气流温度场和速度场的不均匀程度。温度不均匀系数均方根偏差tti tkt =tt=(t i t )2 ntt速度不均匀系数uku =u40室内气流分布的描述参数空气龄与其他空气扩散性能指标ADPI(Air Diffusion Performance Index)B 定义J 空间内满足规定风速和温度要求的测点数与总测点数之比 1.7 < ET < 1.1的测点数ADPI =× 1

17、00 总测点数B有效温差 ET=( t - tn)-7.66(Vi-0.15)B ADPI的值越大，说明感到舒适的人群比例越大。在一般情况下，应使ADPI8041气流组织的测量与计算方法1. 示踪气体实验法2. 半经验射流公式法3. 数值求解法(CFD方法)421.示踪气体试验法B是研究建筑物空气分布与渗透特性的重要手段必须具有如下特点J能够完全跟随空气流动J具有可测性J具有稳定性，一般情况下不发生物理或化学反应J 无毒性B示踪气体的目的是准确标识室内空气流动特性，B常见的示踪气体包括甲烷、SF6、二氧化碳等。43示踪气体的常见释放方法B脉冲法（pulse method）J在释放点释放少量的示

18、踪气体，记录测量点处示踪气体浓度随时间的变化过程。B上升法（step-up method）J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。B下降法（或衰减法）(step-down or decaymethod)J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。44下降法（衰减法）测空气龄B 待房间内各点浓度稳定后，停止示踪气体加入， 测量被测点的浓度变化过程B 空气龄的累积分布函数F ()1 F ( ) =C p ( )C p ( 0)Cp(0)F() Cp(0)f ( )d =B 空气龄公式pp =0C p (

19、 )dC p (0) =0C p ( )dC p (0) Cp()45脉冲法测空气龄B 在通风房间的送风口释放少量示踪气体，记录被测点的浓度变化过程B 概率分布函数B空气龄公式 C p ( )C p ( )=f ( ) C p ( )d (m / Q)0 p= C ( )d= C ( )d0p0p0 C p ( )d(m / Q)送风量46释放的示踪气体的质量上升法测空气龄B 在房间送风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B累计分布函数与概率分布函数之间的关系为0f ( )d = F ( ) C p ( ) C p ( )=F ( ) & C p ( ) ( m / Q

20、 )B累积分布函数B 空气龄公式0 p = 1 F ( )d = 1 0C p ( ) &(m / Q )d送风量47示踪气体的释放速率房间平均空气龄的测量方法B 脉冲法 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平均空气龄公式怎么来的？以下降法为例证明pB 基本公式B 边界条件B 则有 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平均空气龄公式怎么来的？以下降法为例证明(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.半经验射流公式法B 内容和来源J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J基于某些标准或理想条

22、件理论分析或试验B 缺陷J 不能用于分析复杂空间，应用受制约J只能给出室内的一些集总参数性的信息B 折衷的方法：区域模型J区域内集总参数J区域间考虑存在热质交换513. 数值求解法B 计算流体力学方法的引入CFD方法J 特点：依据室内空气流动的数学物理模型，在计算机上做虚 拟实验J 原理：对连续方程、动量方程、能量方程和组分方程进行离 散数值求解B 优点J 成本低、速度快J 应用范围广，提供信息全面B 缺点：可靠性问题J 人们对湍流的机理尚无清楚认识，缺乏完整的湍流理论，需要依赖半经验的方法J 边界条件需要简化：送风口入流、壁面边界条件、室内热源 分布等523. 数值求解法示例B 置换通风数值求解方法的空间模型1-壁橱，2-桌子3-计算机，4-人5-灯，6-送风口7-回风口5