通风与气流组织

1第六章通风与气流组织第一节自然通风2通风的定义与目的•把建筑物室内污浊的空气直接或净化后排至室外，再把新鲜的空气补充进来，从而保持室内的空气环境符合卫生标准的方法叫通风。•通风的目的包括以下几个方面：（1）稀释室内污染物，保证良好的室内空气品质；（2）消除室内余热、余湿，保证室内人员的舒适性；（3）满足室内人员对新鲜空气的需要；（4）节能的需要。通风的分类•根据驱动力划分（自然通风、机械式通风）•根据对象空间数目划分（单室通风、多室通风）•根据室内气流形式划分（置换式通风、混合式通风）•根据室内通风口位置划分（单侧通风、穿堂风）自然通风的定义和特性•定义：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。•分类：1）渗风；2）通过门窗的通风；3）通过特定通风口的通风；4)被动式通风系统；机械通风的定义和特性•定义：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。•分类：1）机械送风-自然排风系统；2）机械排风-自然送风系统；3）机械送排风系统自然通风的作用原理及可提供的通风量•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：•热压：温差引起的空气密度差导致建筑开口内外的压差。•风压：室外气流绕流引起建筑周围压力分布的不同形成开口处的压差。6PP22＝＝7（一）热压作用下的自然通风（p185）()()babawnPPPPghhbKbxbPawtwtnnxaPKawPbPabbbanawaawnawnPPPPghPghPPghPgh热压P’bP’a8（二）余压的概念（p185）hbaoo2h1中和面)(nwxaxhgPP•室内某一点的压力和室外同标高未受扰动的空气压力的差值。•余压为正，风口排风；余压为负，风口进风。9（二）余压的概念（p185）讨论余压的分布和中和面位置：1）地面有大开口；2）顶棚有大开口；3）地板送风；4）顶棚排风。热压作用模拟的建筑模型•每层有上下两个开口10室内空气速度分布11室内空气温度分布12（三）风压作用下的自然通风风洞模型实验14风洞模型实验1516高层建筑风压分布测定例17（四）风压和热压的联合作用hbKbxbPawtwtnnxaPKa2)(222wwaxaaKPP22（五）自然通风优缺点总结•自然通风广泛地应用于低层建筑、中小尺寸的办公室、学校、住宅、工业厂房、仓库等。•主要优点：1）对于温带气候的很多类型建筑都适用；2）比机械通风经济。不需要动力设备、专门的机房和维护。•缺点：1）热压和风压都不稳定；2）提供的静压偏小。19第六章通风与气流组织第二节机械通风通风换气与空气调节稀释方法•通风–自然通风：依靠自然风压、热压作用进行通风–机械通风：利用风机等机械设备进行通风•空气调节–传统方式：调节温湿度、流速、洁净度–新方式：空气成分、气味–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20室内通风的气流组织基本形式21全面通风局部通风机械通风混合式通风均匀式通风个性化送风局部排风(工业通风）式通风置换式通风将空气从工作区外射入房间，射流卷吸一定量的室内空气，让回流区在工作区附近。22混合式通风置换式通风•置换式通风通常指的是利用下送上回的送风方式实现通风的一种新气流组织形式，它是将新鲜空气直接送入工作区，并在地板上形成一层较薄的空气湖。空气湖是由较凉的新鲜空气扩散而成，因室内的热源（人员及设备）产生向上的对流气流，新鲜空气随其向房间上部流动而形成室内空气运动的主导气流。23对流气流热源空气湖混合通风与置换通风方式的比较24比较项目通风方式混合通风置换通风设计目标全室环境均一工作区环境满足要求通风动力机械通风为主羽流浮力为主通风机理气流强烈掺混气流扩散、浮力提升送风特性大温差较高风速小温差低风速上送下回或上送上回下侧送上回风口紊流系数大送风紊流度小风口掺混性好风口扩散性好温度/浓度分布宏观上全室均匀温度/浓度分层通风负荷消除全室负荷消除工作区空气品质空气品质接近于回风空气品质接近于送风一、通风稀释方程（混合通风）思考：示意图与条件25工程问题研究方法26（简化条件）转换求解改发分进展析总结（现状）（因素）（优化）物理模型数学模型计算结果结果认定结论空气在通风工程中的流动规律质量守衡——连续性方程能量守衡——能量方程动量守衡——动量方程27简化与假设：（1）室内污染物均匀分布；（2）通风量是稳定的；（3）污染物发生量是常数；（4）大气中污染物是常数；（5）忽略渗入的污染物和管道产生污染物的可能性；（6）忽略污染物在管道内和室内的沉降。28全面混合式通风的基本微分方程式（稀释污染物所确定的方程）29ONCCM＝GMG，C0CVC全面混合式通风的基本微分方程式（稀释污染物所确定的方程）•GC0d+Md-GCd=VdC30全面混合式通风的基本微分方程式（稀释污染物所确定的方程）31GCMGCdCVd0VGCMGCddC0全面混合式通风的基本微分方程式（稀释污染物所确定的方程）•在通风量一定、室内初始浓度为C1的时候，求C2与通风时间的关系：32VGCGMVGCCexp1exp012全面混合式通风的基本微分方程式（稀释污染物所确定的方程）•稳定状态的关系式：•当G/V远小于1时：3302CCMG021202CCCCVCCMG二、置换通风•置换通风的原理就是空气由下向上进行置换34送风口上部区域界面排风口热源工作区域站姿人员产生的上升气流35空气湖界面下部区上部区分层高度置换通风系统的设置条件•污染源与热源应共存•室内冷负荷不应过大（如以120W/m2为界）•房间高度不能过低（如以2.4m为界）36置换通风的温度梯度37°C⊿⊿⊿⊿⊿⊿⊿置换通风与冷却顶板系统38传热肋片冷水管道冷却部件送风口辐射对流•重力循环式置换通风39重力循环空调回风型原理图40冬季工况冬季顺时针旋转90º冬季顺时针旋转90º重力循环空调回风型原理图41夏季逆时针旋转90º夏季逆时针旋转90º夏季工况重力循环空调新风型（阀板控制）•42冬季工况冬季关闭冬季打开重力循环空调新风型（阀板控制）43夏季工况夏季打开夏季关闭效果图4445重力循环空调在剧院舞台中的应用4647第六章通风与气流组织第三节气流分布性能的评价气流分布与IAQ•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迅速程度又如何？48气流分布的研究方法•半经验公式法•示踪气体实验法•数值求解法49室内通风的气流组织基本形式50全面通风局部通风机械通风混合式通风均匀式通风个性化送风局部排风(工业通风）式通风置换式通风（一）与舒适相关的部分参数•不均匀系数：反映气流温度场和速度场的不均匀程度。51ttttitnttkit2)(均方根偏差（一）与舒适相关的部分参数•空气扩散性能指标：为满足规定风速和温度要求的测点数与总测点数之比。ADPI=100%（-1.7∆ET1.1的测点数）/总测点数52（二）空气年龄与换气效率1.空气龄空气进入房间的时间Theageofair，Airage530)(dfp1)(0df污染物的浓度衰减曲线•体平均空气龄：•名义时间常数：•空气龄、残留时间、驻留时间关系•活塞流驻留时间：54VdvVPp0＝某点空气龄QVn/nr2.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？•活塞流•换气效率定义：55penr2pnrn256penr2换气效率（三）通风效率（涉及污染源的位置）•充分混合流η＝1•活塞流η＝？–均匀污染源η＝2–如果污染源在出口呢？–污染源在入口呢？(主要考虑工作区)57CpC0C00CCCCp（四）能量利用系数•能量利用系数：类似通风效率，但用得热代替污染物，温度代替污染物浓度。•考察tp与tn的关系5800ttttnpt59能量利用系数60第四节气流组织的预测计算四种暖通空调房间空气分布的预测方法比较61预测方法比较项目射流公式区域模型CFD模型实验房间形状复杂程度简单较复杂基本不限基本不限对经验参数的依赖性几乎完全很依赖一些不依赖预测成本最低较低较昂贵最高预测周期最短较短较长最长结果的完备性简略简略最详细较详细结果的可靠性差差较好最好适用性机械通风，且与实际射流条件有关机械和自然通风，一定条件机械和自然通风机械和自然通风计算流体动力学CFD的发展背景计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD）是利用数值计算方法通过计算机求解描述流体运动的数学方程，揭示流体运动内在规律的一门新兴学科。计算机表现出在速度、内存等方面的巨大潜力之后，才有越来越多的学者通过离散算法、迭代方法等计算数学领域的研究活动，使流体力学有了与计算机结合的可能，为CFD的飞速发展奠定了基础。k-ε二方程模型的提出，为在工程领域中普及应用CFD起到了决定性的作用。62CFD的特点CFD能够解决实验研究与理论分析难以解决的问题。•实验研究往往需要投入大量的人力物力，需要开发精密的测量仪器。即使如此，实验存在着误差大、可重复性差的固有缺陷；•理论分析力求从理论上给出问题的解析解，但对于描述为非线性偏微分方程的复杂的流动现象，理论分析所需的数学工具尚不成熟。•CFD的所有条件都由数值形式给出，可以严格控制并任意改变边界、初值以及其他条件，不像实验条件经常受到外部波动的干扰；CFD通过适当的离散手段可以较方便地求解流体力学偏微分方程组，从而可以捕捉到复杂的流动现象。因此，CFD克服了上述两者的困难。63常用的计算软件•PHOENICS•FLUENT•Airpak64数值求解的研究方法651-壁橱，2-桌子，3-计算机，4-人，5-灯，6-送风口，7-回风口置换通风的速度场66置换通风的温度场67置换通风的污染物浓度场•置换通风中，污染物浓度高的部位在上方。68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69室内空气环境的保障•人对室内空气环境的感受与要求（标准）•负荷的获得（热、空气品质）•室内对新风量与总风量的需求•气流组织形式•气流分布的评价•暖通空调系统•冷热源70本章习题•1.一体育馆比赛场的容积为1.5×105m3，容纳1.2×104人，每人CO2发生量为0.005L/s，考虑到人员在比赛场内短期停留，场内CO2的允许浓度定为0.2%，已知当地的室外空气CO2的浓度为0.03%，室内CO2初始浓度等于室外浓度，求（1）比赛场稳定状态下的通风量和运行1h、2h的室内CO2浓度。（2）如果在通风系统运行时，关闭新风阀门，求可延迟的通风时间。71本章习题•2.某车间体积V=1000m3，由于突然发生事故，某种有害物大量散入车间，散发量为350mg/s，事故发生后10min被发现，立即开始事故风机，事故排风量为L=3.6m3/s。请问：风机启动后要经过多长时间室内有害物浓度才能降低100mg/m3以下。（风机启动后，有害物继续发散）72•3.某车间如图所示，已知F1=F2=10m2，μ1=μ2=0.6，K1=+0.6，K2=-0.3，室外空气流速v=2.5m/s，室内无大的热源。计算该车间的全面换气量。73vK1F1K2F2