通风与气流组织
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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）
射流公式 简单
区域模型 较复杂
CFD 基本不限
模型实验 基本不限
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 适用性
几乎完全
最低 最短
很依赖
较低 较短
一些
较昂贵 较长
不依赖
最高 最长
简略
差
机械通风，且 与实际射流 条件有关
简略
差
机械和自然通 风，一定条 件
最详细
较好
机械和自然通 风
51
（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<∆ET <1.1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 The age of air，Air age
f ( )d 1
第六章 通风与气流组织 第一节 自然通风
1
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。
较详细
最好
机械和自然通 风 61
计算流体动力学CFD的发展背景
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，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。
49
室内通风的气流组织基本形式
置式通风风 换式通 全面通风 混合式通风 均匀式通风
机械通风
个性化送风 局部通风 局部排风 (工 业 通 风 ）
50
（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。
t
均方根偏差
ti t
t
kt (t i t )2 n t
31
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：
G M G C 2 C1 exp C 0 1 exp V G V
0 0
p f ( ) d
污染物的浓度衰减曲线
53
某点空气龄
V
• 体平均空气龄：
p＝ 0
P
dv
Байду номын сангаас
V
• 名义时间常数：
n V /Q
• 空气龄、残留时间、驻留时间关系 • 活塞流驻留时间：
r n
54
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？ r n e 2 p • 活塞流
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 ： 2 P 2 P
32
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：
M G C2 C0
• 当G /V远小于1时：
M V C 2 C1 G C2 C0 C2 C0
33
二、置换通风
排风口 上部区域 界面
送风口
工作区域 热 源
• 置换通风的原理就是空气由下向上进行置换
＝
＝
• 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
（一）热压作用下的自然通风（p185）
Pb Pb Pb Pa n gh Pa w gh Pa Pa gh w n Pa gh w n
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
15
高层建筑风压分布测定例
16
（四）风压和热压的联合作用
Pb Pxb K b
2 w
2
w Pxa hg ( w n ) K b
w
2 w
2
w
Pa Pxa K a
2 w
2
w
Kb Pxb b
tw w a Ka
tn n Pxa
17
h
（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。
2
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；
Cp
C
C0
57
（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。
t
• 考察tp与tn的关系
t p t0 t n t0
58
能量利用系数
59
第四节 气流组织的预测计算
60
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
混合通风与置换通风方式的比较
通风方式 比较项目 混合通风 设计目标 通风动力 通风机理 全室环境均一 机械通风为主 气流强烈掺混 置换通风 工作区环境满足要求 羽流浮力为主 气流扩散、浮力提升
大温差较高风速
上送下回或上送上回 送风特性 风口紊流系数大 风口掺混性好 温度/浓度分布 通风负荷 空气品质 宏观上全室均匀 消除全室负荷 空气品质接近于回风
63
常用的计算软件 • PHOENICS • FLUENT • Airpak
64
数值求解的研究方法
1-壁橱，2-桌子 ，3-计算机，4人，5-灯，6-送 风口，7-回风口
65
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
w
Pb (Pa ) Pb Pa
P’b Pxb
Kb b
Pb
gh( w n )
热压
tw w
Pa
tn n
P’a Pxa
7
a Ka
h
（二）余压的概念（p185）
• 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。
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
62
CFD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。
夏季打开 夏季工况 夏季关闭
43
效果图
44
45
重力循环空调在剧院舞台中的应用
46
第六章 通风与气流组织
第三节 气流分布性能的评价
47
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
• 换气效率定义：
n n r 2 p
55
r n e 2 p
换气效率
56
（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)
C p C0 C C0
冷却部件
送风口 辐射 对流
38
• 重力循环式置换通风
39
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
40
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
41
重力循环空调新风型 （阀板控制）
•
冬季关闭
冬季打开
冬季工况
42
重力循环空调新风型 （阀板控制）
20
室内通风的气流组织基本形式
置式通风风 换式通 全面通风 混合式通风 均匀式通风
机械通风
个性化送风 局部通风 局部排风 (工 业 通 风 ）
21
混合式通风
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
置换式通风
对流气流 热源
空气湖
• 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 23 空气运动的主导气流。
G，C0
C M
C
M G＝ C N CO
V
29
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）
• G C0 d + M d - G C d =VdC
30
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）
d dC V GC0 M GC
dC GC0 M GC d V
小温差低风速
下侧送上回 送风紊流度小 风口扩散性好 温度/浓度分层 消除工作区 空气品质接近于送风
24
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
（简化条件） 转换
物理模型 数学模型
求解
计算结果
改 发 进 展
结论
分 析
总结
结果认定
（现状） （因素）
（优化）
26
空气在通风工程中的流动规律
b
o
h2
中和面
o
h1
a
Px Pxa gh( w n )
8
（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。
9
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
34
站姿人员产生的上升气流
上部区 界面
下部区
分层高度
空气湖
35
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
°C
⊿ ⊿ ⊿ ⊿ ⊿ ⊿ ⊿
37
置换通风与冷却顶板系统
冷水管道 传热肋片
第六章 通风与气流组织
第二节 机械通风
19
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
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）
射流公式 简单
区域模型 较复杂
CFD 基本不限
模型实验 基本不限
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 适用性
几乎完全
最低 最短
很依赖
较低 较短
一些
较昂贵 较长
不依赖
最高 最长
简略
差
机械通风，且 与实际射流 条件有关
简略
差
机械和自然通 风，一定条 件
最详细
较好
机械和自然通 风
51
（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<∆ET <1.1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 The age of air，Air age
f ( )d 1
第六章 通风与气流组织 第一节 自然通风
1
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。
较详细
最好
机械和自然通 风 61
计算流体动力学CFD的发展背景
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，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。
49
室内通风的气流组织基本形式
置式通风风 换式通 全面通风 混合式通风 均匀式通风
机械通风
个性化送风 局部通风 局部排风 (工 业 通 风 ）
50
（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。
t
均方根偏差
ti t
t
kt (t i t )2 n t
31
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：
G M G C 2 C1 exp C 0 1 exp V G V
0 0
p f ( ) d
污染物的浓度衰减曲线
53
某点空气龄
V
• 体平均空气龄：
p＝ 0
P
dv
Байду номын сангаас
V
• 名义时间常数：
n V /Q
• 空气龄、残留时间、驻留时间关系 • 活塞流驻留时间：
r n
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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？ r n e 2 p • 活塞流
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 ： 2 P 2 P
32
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：
M G C2 C0
• 当G /V远小于1时：
M V C 2 C1 G C2 C0 C2 C0
33
二、置换通风
排风口 上部区域 界面
送风口
工作区域 热 源
• 置换通风的原理就是空气由下向上进行置换
＝
＝
• 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
（一）热压作用下的自然通风（p185）
Pb Pb Pb Pa n gh Pa w gh Pa Pa gh w n Pa gh w n
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
15
高层建筑风压分布测定例
16
（四）风压和热压的联合作用
Pb Pxb K b
2 w
2
w Pxa hg ( w n ) K b
w
2 w
2
w
Pa Pxa K a
2 w
2
w
Kb Pxb b
tw w a Ka
tn n Pxa
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h
（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。
2
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；
Cp
C
C0
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（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。
t
• 考察tp与tn的关系
t p t0 t n t0
58
能量利用系数
59
第四节 气流组织的预测计算
60
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
混合通风与置换通风方式的比较
通风方式 比较项目 混合通风 设计目标 通风动力 通风机理 全室环境均一 机械通风为主 气流强烈掺混 置换通风 工作区环境满足要求 羽流浮力为主 气流扩散、浮力提升
大温差较高风速
上送下回或上送上回 送风特性 风口紊流系数大 风口掺混性好 温度/浓度分布 通风负荷 空气品质 宏观上全室均匀 消除全室负荷 空气品质接近于回风
63
常用的计算软件 • PHOENICS • FLUENT • Airpak
64
数值求解的研究方法
1-壁橱，2-桌子 ，3-计算机，4人，5-灯，6-送 风口，7-回风口
65
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
w
Pb (Pa ) Pb Pa
P’b Pxb
Kb b
Pb
gh( w n )
热压
tw w
Pa
tn n
P’a Pxa
7
a Ka
h
（二）余压的概念（p185）
• 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。
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
62
CFD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。
夏季打开 夏季工况 夏季关闭
43
效果图
44
45
重力循环空调在剧院舞台中的应用
46
第六章 通风与气流组织
第三节 气流分布性能的评价
47
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
• 换气效率定义：
n n r 2 p
55
r n e 2 p
换气效率
56
（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)
C p C0 C C0
冷却部件
送风口 辐射 对流
38
• 重力循环式置换通风
39
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
40
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
41
重力循环空调新风型 （阀板控制）
•
冬季关闭
冬季打开
冬季工况
42
重力循环空调新风型 （阀板控制）
20
室内通风的气流组织基本形式
置式通风风 换式通 全面通风 混合式通风 均匀式通风
机械通风
个性化送风 局部通风 局部排风 (工 业 通 风 ）
21
混合式通风
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
置换式通风
对流气流 热源
空气湖
• 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 23 空气运动的主导气流。
G，C0
C M
C
M G＝ C N CO
V
29
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）
• G C0 d + M d - G C d =VdC
30
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）
d dC V GC0 M GC
dC GC0 M GC d V
小温差低风速
下侧送上回 送风紊流度小 风口扩散性好 温度/浓度分层 消除工作区 空气品质接近于送风
24
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
（简化条件） 转换
物理模型 数学模型
求解
计算结果
改 发 进 展
结论
分 析
总结
结果认定
（现状） （因素）
（优化）
26
空气在通风工程中的流动规律
b
o
h2
中和面
o
h1
a
Px Pxa gh( w n )
8
（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。
9
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
34
站姿人员产生的上升气流
上部区 界面
下部区
分层高度
空气湖
35
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
°C
⊿ ⊿ ⊿ ⊿ ⊿ ⊿ ⊿
37
置换通风与冷却顶板系统
冷水管道 传热肋片
第六章 通风与气流组织
第二节 机械通风
19
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