建筑环境学第6章通风与气流组织

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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(AirDistribution)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3通风（空调）的目的与方法4通风换气或空气调节通风采用稀释方法控制室内环境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、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6自然通风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：∆Pυ＝2∆Pζρ＝µ2∆Pρ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7热压通风∆Pb+(−∆Pa)=∆Pb+∆Pa=gh(ρw−ρn)bρwρnha8热压通风的基本概念b余压oh2中和面oh1a9余压Lia(total)=Fdi[(ρiout−ρl)Hg1/1.5]1(1+1.5)mii的自然通风的热压引起筑建层多hiiiLia=Fdii[(ρout−ρin)hig]1/1.5Z10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=Kυ2w2ρw12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−Kb2υw2ρw=Pxa+hg(ρw−ρn)−Kbw2υw2ρwKbPxbbtwρwtnρnPxa14∆Pa=Pxa−Kaυ2w2ρwKaah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Crossventilation15穿堂风最大深度5m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16机械通风的气流组织形式三种典型的送风形式混合通风置换通风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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36m3/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(FirstImpression)使80%的人能够满意的最小新风量是27m3/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9m3/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%20.624.732.958.6106.90.15%1214.419.234.262.30.2%8.510.213.524.144实际上，人体在静坐至重劳动状态，肺通气量为：11.6~80.4L/min人，即0.7~4.8m3/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决定因素室内污染物允许浓度室外污染物浓度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。24室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气流组织包含的内容风速分布（风速场或流场）温度分布（温度场）湿度分布（湿度场）污染物浓度分布（污染物浓度场，IAQ）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？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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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27室内气流分布的描述参数－－气流分布与室内环境全面通风的基本微分方程式（均匀混合时的稀释方程）QCSdτ+Mdτ-QCdτ=VdCdτdC=VQCs+M−QCdCQCs+M−QC=dτV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，CsCτQMτQC2=C1expQ+Cs1−exp−VVMCVMM稳定状态的关系式：C2=+Cs或Q=QC2−Cs28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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经过源之后等于均匀混合后的参数V1τn==Qn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Airage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。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τ的空气微团在某点空气中所占的比例分布即概率分布f(τ)，有累计分布函数τf(τ)dτ=F(τ)∫0∫0f(τ)dτ=1∞P则某点的平均空气龄为τp=∫τf(τ)dτ=∫[1−F(τ)]dτ00∞∞τP30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残余时间lifetime)空气从当前位置到离开房间的时间τrl驻留时间time)空气离开房间时空气龄τr进口τp+τrl=τrτp也称作“换气时间”置换室内全部现存空气的时间进口点Pτrτr1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房间平均空气龄等于房间各点空气龄的体平均∑τpiViτp=VPτeCe典型流型的空气龄活塞流：τp＝τe/2τr=τe=τn均匀混合流：τp＝τeτr=p=2τeτP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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τnτeτp理想==22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τp理想τnηa=＝×100%τp2τp33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空间各点的换气效率的定义τn×100%ηi=τpi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ηa≈100％ηa＝50～100％(a)近似活塞流(b)下送上回ηa＝50％(c)顶送上回ηa≈50％(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排污效率充分混合流ε＝1活塞流均匀污染源ε＝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ε=Ce−CsC−CsCe−Cs局部排污效率εp=Cp−Cs如果污染源在出口呢？污染源在入口呢？Ce,teP余热排除效率用得热代替污染物，温度代替污染物浓度Cs,tsC,tate−tsηt=ta−ts36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)AccessibilityofSupplyAir: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，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(τ)dτASA(T)=0iiTCs,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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139室内气流分布的描述参数－－空气龄与其他不均匀系数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=σtt∑=(ti−t)2ntt速度不均匀系数σuku=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(AirDiffusionPerformanceIndex)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−1.7∆ET1.1的测点数ADPI=×100％总测点数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，应使ADPI≥80％41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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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示踪气体的目的是准确标识室内空气流动特性，常见的示踪气体包括甲烷、6、二氧化碳等。43示踪气体的常见释放方法脉冲法（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化过程。上升法（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