哈工大-建筑环境学-第6章3
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第六章 通风与气流组织
第二节 机械通风
1
• 重力循环式置换通风
2
重力循环空调回风型原理图
冬季顺时针旋转90º 冬季工况
冬季顺时针旋转90º
3
重力循环空调回风型原理图
夏季逆时针旋转90º 夏季工况
夏季逆时针旋转90º
4
重力循环空调新风型（阀板控） 重力循环空调新风型（阀板控）
•
冬季关闭
冬季工况 冬季打开
24
CFD的特点 的特点
CFD能够解决实验研究与理论分析难以解决的问题。 能够解决实验研究与理论分析难以解决的问题。 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 实验研究往往需要投入大量的人力物力 往往需要投入大量的人力物力， 测量仪器。即使如此，实验存在着误差大、 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； 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 理论分析力求从理论上给出问题的解析解 力求从理论上给出问题的解析解， 非线性偏微分方程的复杂的流动现象， 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。 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 的所有条件都由数值形式给出， 的所有条件都由数值形式给出 改变边界、初值以及其他条件， 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； 部波动的干扰；CFD通过适当的离散手段可以较方便地求 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， 解流体力学偏微分方程组，从而可以捕捉到复杂的流动现 因此， 克服了上述两者的困难。 象。因此，CFD克服了上述两者的困难。 克服了上述两者的困难
η=
C p − C0 C − C0
Cp
C
C0
19
4、能量利用系数 、
• 能量利用系数：类似通风效率，但用得热 能量利用系数：类似通风效率， 代替污染物，温度代替污染物浓度。 代替污染物，温度代替污染物浓度。
ηt =
• 考察 p与tn的关系 考察t
t p − t0 t n − t0
20
能量利用系数η 能量利用系数η
32
本章习题
• 1. 一体育馆比赛场的容积为 ×105m3， 一体育馆比赛场的容积为1.5× 容纳1.2× 容纳 ×104人，每人 人 每人CO2发生量为 发生量为 0.005L/s，考虑到人员在比赛场内短期停 ， 场内CO2的允许浓度定为 的允许浓度定为0.2%，已知 留，场内 的允许浓度定为 ， 当地的室外空气CO2的浓度为 的浓度为0.03%，室内 当地的室外空气 的浓度为 ， CO2初始浓度等于室外浓度，求比赛场稳 初始浓度等于室外浓度， 初始浓度等于室外浓度 定状态下的通风量和运行1h、 的室内 定状态下的通风量和运行 、2h的室内 CO2浓度。 浓度。 浓度
5
重力循环空调新风型（阀板控） 重力循环空调新风型（阀板控）
夏季打开
夏季工况 夏季关闭
6Hale Waihona Puke Baidu
效果图
7
8
重力循环空调在剧院舞台中的应用
9
第六章 通风与气流组织
第三节 气流分布性能的评价
10
气流分布与IAQ 气流分布与
• 向室内引入的新风是否都进入了呼吸区？ 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？ 转移出去的迅速程度又如何？
τn =V /Q
• 空气龄、残留时间、驻留时间关系 空气龄、残留时间、 • 活塞流驻留时间： 活塞流驻留时间 驻留时间
τr =τn
16
（2）换气效率 ） 不涉及污染源的位置） （不涉及污染源的位置）
• 理论上最短的换气 时间是多少？ 时间是多少？ τ r = τ n = τ e = 2τ p • 活塞流
33
本章习题
• 2. 某车间体积 某车间体积V=1000 m3，由于突然发生 ， 事故，某种有害物大量散入车间， 事故，某种有害物大量散入车间，散发量 被发现， 为350mg/s，事故发生后 ，事故发生后10min被发现，立 被发现 即开始事故风机，事故排风量为L=3.6 即开始事故风机，事故排风量为 m3/s。请问：风机启动后要经过多长时间 。请问： 室内有害物浓度才能降低100mg/ m3以下 室内有害物浓度才能降低 以下 。（风机启动后 有害物继续发散） 风机启动后， 。（风机启动后，有害物继续发散）
34
• 3. 某车间如图所示，已知F1=F2=10m2， 某车间如图所示，已知
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 气流速 ，室内无大的热源。 该车间的全面换气量。 该车间的全面换气量。
v
K1F1
K2F2
35
• 4. 某车间如图所示，已知 w=31℃,室 某车间如图所示，已知t ℃室 内工作区温度t 内工作区温度 n=35℃,有效热量系数 ℃ 有效热量系数 =0.4，tp是排风温度，上下窗孔中心 ， 是排风温度， 距离h=10m，下部窗孔面积 1=50 m2 距离 ，下部窗孔面积F ，上部窗孔面积F2=36 m2， 上部窗孔面积 µ1=µ2=0.6。计算该车间全面换气量 。 及中和面位置（不考虑风压作用， 及中和面位置（不考虑风压作用，空 气按理想气体计算， 气按理想气体计算，满足理想气体状 态方程） 态方程）
21
第四节 气流组织的预测计算
22
四种暖通空调房间空气分布 的预测方法比较
预测方法 比较项目 房间形状复杂 程度 对经验参数的 依赖性 预测成本 预测周期 结果的完备性 结果的可靠性
射流公式
区域模型
CFD
模型实验
简单 几乎完全 最低 最短 简略 差
机械通风， 机械通风，且 与实际射流 条件有关
较复杂 很依赖 较低 较短 简略 差
tp
10m
tw tn
36
14
2、空气年龄与换气效率 、 （1）空气龄 ）
空气进入房间的时间 The age of air，Air age ，
∞
∫ f (τ )dτ = 1
0
∞ 0
τ p = ∫ τf (τ )dτ
污染物的浓度衰减曲线
15
某点空气龄
• 体平均空气龄： 体平均空气龄：
τ p＝
V
∫τ
0
P
dv
V
• 名义时间常数： 名义时间常数：
机械和自然通 风，一定条 件
基本不限 一些 较昂贵 较长 最详细 较好
机械和自然通 风
基本不限 不依赖 最高 最长 较详细 最好
机械和自然通 风 23
适用性
计算流体动力学CFD的发展背景 的发展背景 计算流体动力学
计算流体动力学（ 计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称 ，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， 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。 体运动内在规律的一门新兴学科。 计算机表现出在速度 表现出在速度、 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、 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， 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， 有了与计算机结合的可能，为CFD的飞速发展奠 的飞速发展奠 定了基础。 定了基础。 k-ε二方程模型的提出，为在工程领域中普 二方程模型的提出 二方程模型的提出， 及应用CFD起到了决定性的作用。 起到了决定性的作用。 及应用 起到了决定性的作用
25
常用的计算软件 • PHOENICS • FLUENT • Airpak
26
数值求解的研究方法
1-壁橱，2-桌子 壁橱， 计算机， ，3-计算机，4人，5-灯，6-送 风口， 风口，7-回风口
27
置换通风的速度场
28
置换通风的温度场
29
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 置换通风中 。
30
置换通风的空气年龄场
置换通风送风形式， 置换通风送风形式，空气年龄长的部位在上 年龄单位： 方。年龄单位：秒
31
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） 人对室内空气环境的感受与要求（标准） 负荷的获得（ 空气品质） 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
• 换气效率定义： 换气效率定义：
τn τn ε= = τ r 2τ p
17
τ r = τ n = τ e = 2τ p
换气效率ε 换气效率ε
18
3、通风效率 、 涉及污染源的位置） （涉及污染源的位置）
• 充分混合流 η＝1 ＝ • 活塞流η ＝？ 活塞流
– 均匀污染源 η ＝2 – 如果污染源在出口呢？ 如果污染源在出口呢？ – 污染源在入口呢？ 污染源在入口呢？ (主要考虑工作区 主要考虑工作区) 主要考虑工作区
11
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
12
1、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 不均匀系数： 不均匀程度。 不均匀程度。
t
均方根偏差
ti − t
t
∑ (t i − t )2
kt = n t
13
1、与舒适相关的部分参数
• ∆ET=（ti - tn）- 7.66(ui - 0.15) （ • 空气扩散性能指标：为满足规定风速和温 空气扩散性能指标： 度要求的测点数与总测点数之比。 度要求的测点数与总测点数之比。 ADPI=100%（-1.7<∆ET <1.1的测点数） （ 的测点数） /总测点数 总测点数
第二节 机械通风
1
• 重力循环式置换通风
2
重力循环空调回风型原理图
冬季顺时针旋转90º 冬季工况
冬季顺时针旋转90º
3
重力循环空调回风型原理图
夏季逆时针旋转90º 夏季工况
夏季逆时针旋转90º
4
重力循环空调新风型（阀板控） 重力循环空调新风型（阀板控）
•
冬季关闭
冬季工况 冬季打开
24
CFD的特点 的特点
CFD能够解决实验研究与理论分析难以解决的问题。 能够解决实验研究与理论分析难以解决的问题。 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 实验研究往往需要投入大量的人力物力 往往需要投入大量的人力物力， 测量仪器。即使如此，实验存在着误差大、 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； 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 理论分析力求从理论上给出问题的解析解 力求从理论上给出问题的解析解， 非线性偏微分方程的复杂的流动现象， 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。 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 的所有条件都由数值形式给出， 的所有条件都由数值形式给出 改变边界、初值以及其他条件， 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； 部波动的干扰；CFD通过适当的离散手段可以较方便地求 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， 解流体力学偏微分方程组，从而可以捕捉到复杂的流动现 因此， 克服了上述两者的困难。 象。因此，CFD克服了上述两者的困难。 克服了上述两者的困难
η=
C p − C0 C − C0
Cp
C
C0
19
4、能量利用系数 、
• 能量利用系数：类似通风效率，但用得热 能量利用系数：类似通风效率， 代替污染物，温度代替污染物浓度。 代替污染物，温度代替污染物浓度。
ηt =
• 考察 p与tn的关系 考察t
t p − t0 t n − t0
20
能量利用系数η 能量利用系数η
32
本章习题
• 1. 一体育馆比赛场的容积为 ×105m3， 一体育馆比赛场的容积为1.5× 容纳1.2× 容纳 ×104人，每人 人 每人CO2发生量为 发生量为 0.005L/s，考虑到人员在比赛场内短期停 ， 场内CO2的允许浓度定为 的允许浓度定为0.2%，已知 留，场内 的允许浓度定为 ， 当地的室外空气CO2的浓度为 的浓度为0.03%，室内 当地的室外空气 的浓度为 ， CO2初始浓度等于室外浓度，求比赛场稳 初始浓度等于室外浓度， 初始浓度等于室外浓度 定状态下的通风量和运行1h、 的室内 定状态下的通风量和运行 、2h的室内 CO2浓度。 浓度。 浓度
5
重力循环空调新风型（阀板控） 重力循环空调新风型（阀板控）
夏季打开
夏季工况 夏季关闭
6Hale Waihona Puke Baidu
效果图
7
8
重力循环空调在剧院舞台中的应用
9
第六章 通风与气流组织
第三节 气流分布性能的评价
10
气流分布与IAQ 气流分布与
• 向室内引入的新风是否都进入了呼吸区？ 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？ 转移出去的迅速程度又如何？
τn =V /Q
• 空气龄、残留时间、驻留时间关系 空气龄、残留时间、 • 活塞流驻留时间： 活塞流驻留时间 驻留时间
τr =τn
16
（2）换气效率 ） 不涉及污染源的位置） （不涉及污染源的位置）
• 理论上最短的换气 时间是多少？ 时间是多少？ τ r = τ n = τ e = 2τ p • 活塞流
33
本章习题
• 2. 某车间体积 某车间体积V=1000 m3，由于突然发生 ， 事故，某种有害物大量散入车间， 事故，某种有害物大量散入车间，散发量 被发现， 为350mg/s，事故发生后 ，事故发生后10min被发现，立 被发现 即开始事故风机，事故排风量为L=3.6 即开始事故风机，事故排风量为 m3/s。请问：风机启动后要经过多长时间 。请问： 室内有害物浓度才能降低100mg/ m3以下 室内有害物浓度才能降低 以下 。（风机启动后 有害物继续发散） 风机启动后， 。（风机启动后，有害物继续发散）
34
• 3. 某车间如图所示，已知F1=F2=10m2， 某车间如图所示，已知
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 气流速 ，室内无大的热源。 该车间的全面换气量。 该车间的全面换气量。
v
K1F1
K2F2
35
• 4. 某车间如图所示，已知 w=31℃,室 某车间如图所示，已知t ℃室 内工作区温度t 内工作区温度 n=35℃,有效热量系数 ℃ 有效热量系数 =0.4，tp是排风温度，上下窗孔中心 ， 是排风温度， 距离h=10m，下部窗孔面积 1=50 m2 距离 ，下部窗孔面积F ，上部窗孔面积F2=36 m2， 上部窗孔面积 µ1=µ2=0.6。计算该车间全面换气量 。 及中和面位置（不考虑风压作用， 及中和面位置（不考虑风压作用，空 气按理想气体计算， 气按理想气体计算，满足理想气体状 态方程） 态方程）
21
第四节 气流组织的预测计算
22
四种暖通空调房间空气分布 的预测方法比较
预测方法 比较项目 房间形状复杂 程度 对经验参数的 依赖性 预测成本 预测周期 结果的完备性 结果的可靠性
射流公式
区域模型
CFD
模型实验
简单 几乎完全 最低 最短 简略 差
机械通风， 机械通风，且 与实际射流 条件有关
较复杂 很依赖 较低 较短 简略 差
tp
10m
tw tn
36
14
2、空气年龄与换气效率 、 （1）空气龄 ）
空气进入房间的时间 The age of air，Air age ，
∞
∫ f (τ )dτ = 1
0
∞ 0
τ p = ∫ τf (τ )dτ
污染物的浓度衰减曲线
15
某点空气龄
• 体平均空气龄： 体平均空气龄：
τ p＝
V
∫τ
0
P
dv
V
• 名义时间常数： 名义时间常数：
机械和自然通 风，一定条 件
基本不限 一些 较昂贵 较长 最详细 较好
机械和自然通 风
基本不限 不依赖 最高 最长 较详细 最好
机械和自然通 风 23
适用性
计算流体动力学CFD的发展背景 的发展背景 计算流体动力学
计算流体动力学（ 计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称 ，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， 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。 体运动内在规律的一门新兴学科。 计算机表现出在速度 表现出在速度、 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、 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， 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， 有了与计算机结合的可能，为CFD的飞速发展奠 的飞速发展奠 定了基础。 定了基础。 k-ε二方程模型的提出，为在工程领域中普 二方程模型的提出 二方程模型的提出， 及应用CFD起到了决定性的作用。 起到了决定性的作用。 及应用 起到了决定性的作用
25
常用的计算软件 • PHOENICS • FLUENT • Airpak
26
数值求解的研究方法
1-壁橱，2-桌子 壁橱， 计算机， ，3-计算机，4人，5-灯，6-送 风口， 风口，7-回风口
27
置换通风的速度场
28
置换通风的温度场
29
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 置换通风中 。
30
置换通风的空气年龄场
置换通风送风形式， 置换通风送风形式，空气年龄长的部位在上 年龄单位： 方。年龄单位：秒
31
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） 人对室内空气环境的感受与要求（标准） 负荷的获得（ 空气品质） 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
• 换气效率定义： 换气效率定义：
τn τn ε= = τ r 2τ p
17
τ r = τ n = τ e = 2τ p
换气效率ε 换气效率ε
18
3、通风效率 、 涉及污染源的位置） （涉及污染源的位置）
• 充分混合流 η＝1 ＝ • 活塞流η ＝？ 活塞流
– 均匀污染源 η ＝2 – 如果污染源在出口呢？ 如果污染源在出口呢？ – 污染源在入口呢？ 污染源在入口呢？ (主要考虑工作区 主要考虑工作区) 主要考虑工作区
11
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
12
1、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 不均匀系数： 不均匀程度。 不均匀程度。
t
均方根偏差
ti − t
t
∑ (t i − t )2
kt = n t
13
1、与舒适相关的部分参数
• ∆ET=（ti - tn）- 7.66(ui - 0.15) （ • 空气扩散性能指标：为满足规定风速和温 空气扩散性能指标： 度要求的测点数与总测点数之比。 度要求的测点数与总测点数之比。 ADPI=100%（-1.7<∆ET <1.1的测点数） （ 的测点数） /总测点数 总测点数