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1、1气流组织对室内环境质量的意义 气流组织的定义 狭义：机械通风的送回风的搭配形式 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)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 气流组织的重要性：保证室内热湿环境和保证空气品质 第1页/共61页2本章内容 通风（空调）的目的与方法 室内气流分布的描述参数 气流组织的测量与计算方法 第2页/共61页3通风（空调）的目的与方法第3页/共61页4通风换气或空气调节采用稀释方法控制室内环境 通风 基本考虑单一参数控制，如温度，污染物浓度等 空气调节 多参数控制：调节温度、湿度、流速、洁净度、空气成分
2、、气味等 污染严重：直流式系统（即机械通风系统）污染不很严重：部分回风系统第4页/共61页5通风的方式 自然通风 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 特点不消耗动力或消耗很少的动力，节能可以用充足的新鲜空气保证室内的空气品质受建筑设计和气候条件限制，难以控制 机械通风利用机械手段（风机、风扇等）产生压力差来实现空气流动的方式 特点可控制性强。可通过调整风口、风量等控制室内气流分布需要消耗 能源 初投资和运行费都比较高第5页/共61页6 基本原理：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：驱动力压差热压：温差引起的空气密度差导致建筑开口内外的压
3、差风压：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自然通风的分类 热压通风 风压通风 风压和热压的联合作用下的自然通风自然通风 P P第6页/共61页7热压通风h h ww n nb ba a第7页/共61页8热压通风的基本概念余压余压第8页/共61页9多层建筑的热压引起的自然通风余压余压第9页/共61页10风压作用下的自然通风第10页/共61页11风压作用下的自然通风P Pf f 往往采用往往采用CFDCFD或风洞模或风洞模型实验的方法求取型实验的方法求取K K值。值。风压系数风压系数第11页/共61页12风洞模型实验第12页/共61页13风压和热压的联合作用下的自然通风第13页/共
4、61页14常见的自然通风的形式中庭通风中庭通风风井通风风井通风单面通风单面通风穿堂风穿堂风Cross ventilationCross ventilation第14页/共61页15机械通风气流组织形式 混合通风追求均匀的室内环境 混合后的空气可能已被污染 置换通风 保证人员呼吸区的环境要求 下送风，新鲜气流先送入工作区 个性化送风满足不同个体的特殊性要求 工位送风，独立可调第15页/共61页16机械通风的气流组织形式BB三种典型的送风形式三种典型的送风形式JJ混合通风混合通风JJ置换通风置换通风JJ个性化送风个性化送风第16页/共61页17混合通风的气流形式上送上回上送上回上送下回上送下回下送
5、下回下送下回侧送上下回侧送上下回第17页/共61页18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 他第18页/共61页19通风量与 IAQIAQ的关系室内气流分布的描述参数通风量室内气流分布的描述参数通风量第19页/共61页20通风量与 IAQIAQ的关系 美国(欧洲)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。关于人体代谢污染的问题，第一印象(First Impres 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
6、能够满足的最小新风量只需 9 m3/h人。室内气流分布的描述参数通风量室内气流分布的描述参数通风量第20页/共61页21新风通风换气量常用民用建筑新风量范围常用民用建筑新风量范围以坐为主、少吸烟、久逗留场所以坐为主、少吸烟、久逗留场所室内气流分布的描述参数通风量室内气流分布的描述参数通风量 实际上，人体在静坐至重劳动状态，肺通气量为：实际上，人体在静坐至重劳动状态，肺通气量为：11.680.4 L/min11.680.4 L/min人，即人，即0.7 4.8 m0.7 4.8 m3 3/h/h人人 (实际为一半实际为一半)第21页/共61页22新风通风换气量 决定因素 室内污染物允许浓度 室外
7、污染物浓度 室内污染物发生量：发生量已知否？室内污染物产生对换气量的要求 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 消除烟臭的要求根据吸烟量确定 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。室内气流分布的描述参数通风量室内气流分布的描述参数通风量第22页/共61页23气流分布与室内环境的关系总新风量满足要求，是否意味着IAQ一定满足要求？向室内引入的新风是否都进入了呼吸区？室内空气更新的快慢如何？室内污染物被转移出去的速度如何？室内空气参数分布是否满足要求？BB气流组织包含的内容气流组织包含的内容JJ风速分布（风速场或风速分布（风速场或流
8、场）流场）JJ温度分布（温度场）温度分布（温度场）JJ湿度分布（湿度场）湿度分布（湿度场）JJ污染物浓度分布（污污染物浓度分布（污染物浓度场，染物浓度场，IAQIAQ）室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境第23页/共61页24气流分布(气流组织)评价的方法通风气流组织评价的三类参数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、换气效率、送风可及性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
9、及性 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)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室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境第24页/共61页25两种典型的理想气流分布 均匀混合：气流充分混合，各处参数完全一样 活塞流动 实际情况都不是均匀混合和活塞流动，而要复杂得多理想的气流分布形式室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境第25页/共61页26全面通风的基本微分方程式（均匀混合时的稀释方程）QCS d+M d -Q C d =VdC 在通风量Q
10、一定、室内初始浓度为C1的时候，求C2与通风时间的关系：稳定状态的关系式：MMQQ，C Cs sC CV VC C室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境或或第26页/共61页27活塞流动时的室内参数由源强度和房间名义时间常数(换气次数的倒数)确定 房间的温度、湿度和污染物浓度在经过源之前等于送风参数 经过源之后等于均匀混合后的参数室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境室内气流分布的描述参数气流分布与室内环境第27页/共61页28室内气流分布的描述参数空气龄与其他室内气流分布的描述参数空气龄与其他空气龄 Air ageAir age 最早于20世纪80
11、年代由Sandberg提出。空气龄是指送风到达房间某点的时间。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。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()，有累计分布函数 则某点的平均空气龄为P P P P第28页/共61页29与空气龄相关的两个参数残余时间(Residual lifetime)空气从当前位置到离开房间的时间 rl驻留时间(Residence time)空气离开房间时空气龄 r室内气流分布的描述参数空气龄与其他室内气流分布的描述参数空气龄与其他也称作也称作“换气时间换气时间”置换室内全部现存置换室内全部现存空气的时间空气的时间 第29页/共6
12、1页30几处典型的空气龄 房间平均空气龄 等于房间各点空气龄的体平均 典型流型的空气龄 活塞流：p e/2 r=e=n 均匀混合流：p er=2p=2 e非完全混合流：入口空气年龄最年轻，出口空气年龄最老。P P P PC Ce e室内气流分布的描述参数空气龄与其他室内气流分布的描述参数空气龄与其他 e e第30页/共61页31换气效率不涉及污染源的位置 理论上最短的换气时间是多少？“理想活塞流”的换气效率最高，房间的平均空气龄最小 换气效率的定义 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室内气流分布
13、的描述参数空气龄与其他室内气流分布的描述参数空气龄与其他第31页/共61页32 空间各点的换气效率的定义 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换气效率不涉及污染源的位置室内气流分布的描述参数空气龄与其他室内气流分布的描述参数空气龄与其他第32页/共61页33常见送回风形式的换气效率室内气流分布的描述参数空气龄与其他室内气流分布的描述参数空气龄与其他第33页/共61页34一个对比的概念一个对比的概念排污效率：涉及污染源的位置排污效率充分混合流 1 活塞流 均匀污染源 2 如果污染源在出口呢？污染源在入口呢？余热排除效率用得热代替污染物，温度代替污染物浓度平均排污效率
14、平均排污效率局部排污效率局部排污效率P PC Ce e,t te eC Cs s,t ts s也称：通风效率也称：通风效率室内气流分布的描述参数空气龄与其他室内气流分布的描述参数空气龄与其他第34页/共61页35送风可及性(清华，2003)2003)Accessibility of Supply Air:ASAAccessibility of Supply Air:ASA 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 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 定义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，
15、则该送风口在历时T后对空间位置i的可及性为室内气流分布的描述参数空气龄与其他室内气流分布的描述参数空气龄与其他送风到达送风到达i i点的百分比点的百分比第35页/共61页36不同时刻的送风可及性发展情况（深色区域内ASA大于0.5）室内气流分布的描述参数空气龄与其他室内气流分布的描述参数空气龄与其他第36页/共61页37可及性的物理意义 可及性是流场自身的特性，与送风有无指示剂无关 可及性反映了在经历了一定时间后，各风口送风到达空间各点的相对程度 单一风口经过足够长时间后，空间各点的可及性均为1 多个风口经过足够长时间后，在空间各点的可及性和为1室内气流分布的描述参数空气龄与其他室内气流分布的
16、描述参数空气龄与其他第37页/共61页38不均匀系数 反映气流温度场和速度场的不均匀程度。t t均方根偏差均方根偏差温度不均匀系数温度不均匀系数室内气流分布的描述参数空气龄与其他室内气流分布的描述参数空气龄与其他速度不均匀系数速度不均匀系数第38页/共61页39空气扩散性能指标ADPIADPI(Air Diffusion Performance Index)(Air Diffusion Performance Index)定义 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有效温差 ET=(t-tn)-7.66(Vi-0.15)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
17、使ADPI80 室内气流分布的描述参数空气龄与其他室内气流分布的描述参数空气龄与其他第39页/共61页40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)第40页/共61页411.示踪气体试验法是研究建筑物空气分布与渗透特性的重要手段示踪气体的目的是准确标识室内空气流动特性，必须具有如下特点能够完全跟随空气流动具有可测性具有稳定性，一般情况下不发生物理或化学反应 无毒性 常见的示踪气体包括甲烷、SF6、二氧化碳等。第41页/共61页42示踪气体的常见释放方法脉冲法（pulse method）在释放点释放少量的示踪气体，记录测量点处示踪气体浓度随时间的变
18、化过程。上升法（step-up method）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。下降法（或衰减法）(step-down or decay method)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。第42页/共61页43下降法（衰减法）测空气龄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空气龄的累积分布函数F()空气龄公式Cp(0)C Cp p()F()第43页/共61页44脉冲法测空气龄 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 概率分布函数空气龄公式释放
19、的示踪气体的质量释放的示踪气体的质量 送风量送风量第44页/共61页45上升法测空气龄 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累计分布函数与概率分布函数之间的关系为累积分布函数 空气龄公式示踪气体的释放速率示踪气体的释放速率 送风量送风量第45页/共61页46房间平均空气龄的测量方法脉冲法上升法下降法第46页/共61页47平均空气龄公式怎么来的？以下降法为例证明 基本公式 边界条件 则有第47页/共61页48平均空气龄公式怎么来的？以下降法为例证明(2)第48页/共61页492.半经验射流公式法 内容和来源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
20、 基于某些标准或理想条件理论分析或试验 缺陷 不能用于分析复杂空间，应用受制约只能给出室内的一些集总参数性的信息 折衷的方法：区域模型区域内集总参数区域间考虑存在热质交换 第49页/共61页503.数值求解法 计算流体力学方法的引入CFD方法特点：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 优点成本低、速度快应用范围广，提供信息全面 缺点：可靠性问题 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、室内热源分布等第50页/共61页511-1-壁橱，壁橱，2-
21、2-桌子，桌子，3-3-计算机，计算机，4-4-人，人，5-5-灯，灯，6-6-送风口，送风口，7-7-回风口回风口3.数值求解法示例 置换通风数值求解方法的空间模型第51页/共61页52置换通风的速度场第52页/共61页53置换通风的温度场第53页/共61页54置换通风的污染物浓度场置换通风送风形式，污染物浓度高的部位在上方。第54页/共61页55置换通风的空气年龄场 置换通风送风形式，空气年龄长的部位在上方。年龄单位：秒第55页/共61页56不同气流分布预测方法的特点比较 第56页/共61页57常用的气流分布计算CFDCFD软件 PHOENICS 英国1981年推出的商业软件，针对暖通空调
22、的FLAIRE，可以求解PMV和空气龄 FLUENT 美国，1983年。Airpack具有风口模型、新零方程湍流模型等，并且可以求解PMV、PD和空气龄 STACH3 清华大学90年代开发，有各种针对暖通空调应用的模型和功能第57页/共61页58思考题自然通风的驱动力是什么？有何特点？一般应用于哪些场合？试分析采用示踪气体测量空气龄的三种释放方法的优缺点：（1）脉冲法；（2）上升法；（3）下降法（或衰减法）试推导均匀混合通风时空气龄、换气效率、可及性的表达式第58页/共61页59思考题 请给出活塞流在以下状态下的排污效率，并分析合理的送排风口位置与污染源位置应该是什么关系才能获得比较好的室内环境质量？污染源在出口时 污染源在入口时 稳态通风情况下，在空间均布的单位体积源作用时，室内污染物浓度的分布规律与房间空气龄的分布规律一样吗？第59页/共61页60谢谢！第60页/共61页61感谢您的观看！第61页/共61页