06 第6章 通风与气流组织

全面通风的基本微分方程式 （均匀混合时的稀释方程）
QCS dτ + M d τ - Q C d τ =VdC
dτ dC = V QC s + M − QC
dC QC s + M − QC = dτ V
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， C s C
τQ M τQ + C s 1 − exp − C 2 = C1 exp − + V Q V
i a i d
多层建筑的热压引起 的自然通风
10
风压作用 下的自然 通风
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
Pf
Pf = K
υ
2 w
2
ρw
12
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 − K b
2 υw
2
ρ w = Pxa + hg ( ρ w − ρ n ) − K b
C (τ )dτ ∫ ASA (T ) =
i 0 i
T
C s ,i ⋅ T
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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1
M
C
V
M M 稳定状态的关系式： C 2 = + C s 或 Q = Q C2 − C s
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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
V 1 τn = = Q n
房间的温度、湿度和污染物浓度在经过源之前
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？
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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
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： ∆P
υ＝
2∆P
ζρ
V
τe
Ce
P
典型流型的空气龄
活塞流：τp ＝ τe / 2 τ r = τ e= τ n 均匀混合流：τp ＝ τe τr= 2τp= 2 τe
τP
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
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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
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
b
ρw
ρn
h
a
8
热压通风的基本概念
b
余压
o
h2
中和面
o
h1
a
9
余压
i i i − ( ) H g 1 / 1.5 ρ ρ out i i l La ( total ) = Fd [ ] 1 (1 + 1.5 ) m
hi i i − ρ in )hi g ]1 / 1.5 L = F i [( ρ out Z
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 36 m3/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 (First Impres sion) 使 80%的人能够满意的最小新风 量是 27 m3/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 9 m3/h人。
如果污染源在出口呢？ 污染源在入口呢？ Ce, te
P
余热排除效率
用得热代替污染物，温度代 替污染物浓度 Cs, ts
C , ta
te − t s ηt = ta − t s
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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)
Accessibility of Supply Air: ASA
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
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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
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室内气流分布的描述参数－－气流分布与室内环境
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)
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
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(Air Distribution)
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
(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
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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 − C s C − Cs
Ce − C s 局部排污效率 ε p = C p − Cs
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。
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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）
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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 = τ pi
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
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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％
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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） 0.0144 0.0173 0.023 0.041 0.0748 不同 CO2 允许浓度下必须的新风量（m3/h.人） 0.1% 20.6 24.7 32.9 58.6 106.9 0.15% 12 14.4 19.2 34.2 62.3 0.2% 8.5 10.2 13.5 24.1 44
0
∫0 f (τ )dτ = 1
∞
P
则某点的平均空气龄为
τ p = ∫ τ f (τ )dτ = ∫ [1 − F (τ )]dτ
0 0 ∞ ∞
τP
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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(Residual lifetime)
空气从当前位置到离开房间的时间 τrl
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
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室内气流分布的描述参数－－通风量
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
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 τn τe τ p理想 = =
2 2
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 τ p理想 τn ηa = ＝ × 100% τp 2τ p
＝µ
2 ∆P
Hale Waihona Puke Baidu
ρ
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( ρ w − ρ n )
实际上，人体在静坐至重劳动状态，肺通气量为： 11.6~80.4 L/min人，即0.7~ 4.8 m3/h人 (实际为一半)
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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
驻留时间(Residence time )
空气离开房间时空气龄 τr
进口
τ p + τ rl = τr
τp
也称作“换气时间” 置换室内全部现存 空气的时间
进口 点P
τr τr1
出口 出口
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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
τ piVi ∑ τp =
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室内气流分布的描述参数－－空气龄与其他
空气龄 Air age
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 τ ∫ f (τ )dτ = F (τ )
w
2 υw
2
ρw
Pxb
b
Kb
tw ρw
tn ρn Pxa
14
∆Pa = Pxa − K a
2 υw
2
ρw
Ka
a
h
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 Cross ventilation
15
穿堂风最大深度 5m
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