高大空间气流组织的评价体系

高大空间气流组织的评价体系李先庭清华大学·2006.3.16——清华大学建筑节能学术周————清华大学建筑节能学术周——目录一、为什么要进行高大空间气流组织评价二、常见气流组织评价指标三、气流组织评价指标的测量与数值计算四、现有指标存在的问题及其改进五、高大空间气流组织评价体系六、评价体系的应用七、总结与展望一、为什么要进行高大空间气流组织评价——清华大学建筑节能学术周——气流组织在室内环境创造中的作用各种人工环境的创造最终是通过室内的气流组织实现的¾不论是混合通风、转换通风、个性化送风¾还是地板辐射采暖、冷却顶板供冷¾最终都是要在室内形成合理的气流组织，以保障工艺需要和舒适性要求气流组织不仅与环境品质密切相关，而且对能源效率影响很大¾不同类型的气流组织，在满足同一对象的工艺需要和舒适性要求时，所需要的冷量或热量可能相差很大¾气流组织对节能的贡献还没有被人们所重视进行气流组织评价的重要性在进行通风空调方案设计时，往往要比较不同气流组织的好坏，这种好坏比较就是对气流组织进行评价由于传统技术的局限，这种比较往往很不全面，如传统的射流理论只能给出射流轴心速度和温差衰减、贴附长度等随着计算流体力学（CFD）技术的发展，设计者可以在设计阶段对室内气流组织进行预测，可以对各种参数进行分析评价，从而可以选择既能保障工艺需要、满足人体舒适性、创造良好室内空气品质又节能的气流组织形式高大空间气流组织评价的重要性高大空间的建筑特点和使用特点¾建筑高度高、墙地比大、围护结构多为轻型结构、顶灯布置较多——能耗大¾体育场馆类建筑的比赛区和观众席空调参数不同、要求灵活可调性、使用时间不固定——满足工艺要求与舒适高大空间气流组织的任务¾体育场馆类建筑的比赛区与观众席的空调分区问题¾比赛区域气流速度的控制问题¾各部分的舒适性和室内空气品质保障¾尽量减少能量消耗——清华大学建筑节能学术周——高大空间气流组织评价方法由于高大空间建筑数量相对较少，每个建筑的功能和特点各不相同，往往很难采用相同的气流组织形式传统的模型实验方法费用高、周期长，很难模拟真实情况，获得的数据推广性差随着计算机技术的发展，目前主要是通过数值模拟方法计算得到空间内的流场、温度场、湿度场、污染物浓度场，并通过有关的气流组织评价指标，对空间内的气流组织进行评价二、常见气流组织评价指标——清华大学建筑节能学术周——常见气流组织评价指标分类热舒适指标送风有效性指标污染物排除有效性指标——清华大学建筑节能学术周——夏季 冬季房间名空气温度 /℃ 相对湿度 /% 风速 /(ms -1)空气温度/℃ 相对湿度/% 风速/(ms -1)体育馆 26～28 55～65 ≤0.5≤0.216～18 ≤30 ≤0.5≤0.2观众区 26～29 60～70 ≤0.522～24 ≤60 ≤0.5游 泳馆 池区 26～29 60～70 ≤0.226～28 60～70 ≤0.2 《体育建筑设计规范》中的设计参数常见热舒适评价指标热舒适指标¾预测平均评价PMV ¾预测不满意百分比PPD ¾有效温度ET¾标准有效温度SET¾热舒适投票TCV ¾不均匀系数¾空气扩散性能指标ADPI名称夏季冬季备注 体育馆观众席 28~30℃ 10~15℃穿外套 音乐厅、剧场 25~26℃ 20~22℃不穿外套 游泳池比赛区≥25℃≥25℃冬季观众席10～15℃大空间标准有效温度设计参数经验值名称容积 （m 3） 人均体积 （m 3） 层高（m ）人均风量（m 3/h ）活动区平面的ADPI(%) 代代木体育馆 19.0万 14.6 28 38.5 45 大阪府立体育馆 8万 15 20 36.0 60新国技馆 10万9.0 40 4036若干大空间建筑的ADPI值常见送风有效性和污染物排除有效性评价指标送风有效性评价指标¾空气龄¾换气效率¾送风可及性污染物排除有效性评价指标¾污染物含量和排空时间¾排污效率和余热排除效率¾污染物年龄¾污染源可及性三、气流组织评价指标的测量与数值计算——清华大学建筑节能学术周——常见热舒适评价指标不均匀系数以温度为例：k t 值越小，表示气流分布的均匀性越好ADPIADPI 值越大，说明感到舒适的人群比例越大。

一般情况下，应使ADPI ≥80％2()i t tt nσ−=∑tt k tσ=()7.66(0.15)i n i ET t t u ∆=−−−1.7 1.1100EDT ADPI −<<=×的测点数％总测点数PMVTL ：人体热负荷M ：人体能量代谢率PPD热感觉 热 暖 微暖PMV 值 +3 +2 +1 中性热感觉 微凉 凉 冷PMV 值 -1 -2 -3 0PMV [0.303exp(-0.036M)+0.0275]TL =42PPD 100-95exp[-(0.03353 PMV + 0.2179 PMV )]=——清华大学建筑节能学术周——空气龄空气龄空气龄是指空气从入口到达房间某一位置的时间。

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。

三种示踪气体测量空气龄的方法：脉冲法、上升法、下降法•其它与空气龄类似的时间指标：残留时间τr1 、驻留时间τr)()(0ττττF d f =∫∫=τττττ0)(d f p 点P进口出口进口出口τr1τpτrp rl rτττ+=——清华大学建筑节能学术周——换气效率换气效率100%2npτητ=×房间空气年龄的体平均值p τ房间名义时间常数n τηa ＝50～100％(b)下送上回ηa ≈50％(d)上送上回ηa ＝50％(c)顶送上回ηa ≈100％(a)近似活塞流 不同通风方式下的换气效率•对于理想“活塞流”的通风条件，房间的换气效率最高•定义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例为通风效率——清华大学建筑节能学术周——送风可及性送风可及性in ()()SAC t dt A C τττ=∫不同送风形式下A SA =0.6的区域T=10sT=60sT=200sT=600sT=1800s •C(x, y, z, t)：在时刻t 室内(x, y, z)处的指示剂浓度•C in ：送风的指示剂浓度•τ：从开始送风所经历的时段污染物排除有效性（1）稳态下房间污染物总量排空时间¾反映了一定的气流组织形式排除室内污染物的相对能力。

¾排空时间越大，说明这种形式排除污染物的能力越小，与污染源的位置有关，与污染源的散发强度无关。

排污效率余热排除效率0()[()()]e e M Q C C d ττ∞∞=⋅∞−∫()t M mτ∞=max e s ess sC C C C C C C C ε−−==−−e s p p sC C C C ε−=−e st i st t t t η−=−污染物排除有效性（2）污染物年龄¾与空气龄不同的是，某点的污染物年龄越短，说明污染物越容易来到该点，则该点的空气品质比较差。

污染物可及性¾稳态下回风口处的平均污染物浓度¾反映了污染物源在任意时段内对室内各点的影响程度。

¾室内某点的浓度可能高于排风口处稳态平均浓度，因此A CS 可能大于1。

()()A dB ττττ=∫τττC dtt z y x C z y x A CS∫=),,,(),,,(/i iC S G=∑四、现有指标存在的问题及其改进——清华大学建筑节能学术周——现有指标存在的问题空间各点指标的权重问题¾传统的工作区的概念指出，空间两部分（工作区和非工作区）的重要程度不同。

¾空间任意一点，根据人员在空间某一点或区域停留的时间长短和人员密度的多少，定义人员分布密度的概念。

集总指标和分布指标的统一¾在空间场的基础上，结合人员对参数的要求等因素，建立特定房间的总指标。

气流组织的综合评价送回风形式室内气流组织的评价具体的室内分布：温度、湿度、风速……热舒适评价指标送风有效性指标污染物排除有效性指标——清华大学建筑节能学术周——现有指标的改进（1）¾假设房间内有N 个人、每人在房间中停留的总时间为M 小时。

第i 个人在某区域P 停留时间为p i 小时，则第i 个人在区域P 的空间占有率为:¾区域P 的人员分布密度:¾任一体积的OD 为无量纲数，而各点D 有量纲，为1/m 3¾OD 是传统工作区概念的延伸¾某区域的OD 可根据定义式计算，也可根据实际情况直接确定Pi PiOD M=1NPii P ODOD N==∑人员分布密度——清华大学建筑节能学术周——现有指标的改进（1）¾在空间分布指标的基础上，结合各点人员分布密度值，提出加权总指标。

¾加权平均空气龄人员分布密度1230.20.50.3p OD p p p ττττ<>=++112131111p V V V V V V ττττ++=++•体平均空气龄：OD1=0.2；OD2=0.5；D3=0.3；V 1V 3V 2房间各部分平面示意图现有指标的改进（2）¾观众席加权总PMV¾0≤IPMV ≤3 ，不能反映冷热，只能反映观众席整体热舒适的程度。

¾IPMV 代表了某种气流组织下观众席的满意度。

IPMV 越高，说明观众席满意度越低，反之越高。

观众区满意度(,,)(,,)IPMV PMV x y z D x y z dv =∫42(0.033530.2179)10095PMVPMV PPD e −×+×=−×PMV 和PPD 的关系42(0.033530.2179)95IPMV IPMV IPMV S e−×+×=×IPMV 和观众席满意度得分的关系现有指标的改进（3）¾风速满意度•空气流速控制是体育馆气流组织的重点问题之一•单纯考虑平均风速不全面，必需考虑到风速的分布特性比赛区满意度平均风速和pav的大小决定风速满意度风速满意度等值线vpavD C B A风速上限pav 上限iigv Vv V ∆=∑jgVpav V ∆=∑——清华大学建筑节能学术周——现有指标的改进（3）¾温度满意度比赛区满意度jgV pat V ∆=∑国别 夏季（℃） 冬季（℃） 美国 23.9~25.618~20(体操除外)前苏联 22~23 19~21 日本26~27 20~22jgV parh V ∆=∑¾相对湿度满意度•相对湿度过高，加大冷热感觉，同时有结露可能•相对湿度过低，增加空调除湿代价——清华大学建筑节能学术周——现有指标的改进（3）¾根据比赛区的风速满意度、温度满意度、湿度满意度以及它们分别的权重，可以得出整个比赛区的满意度。