室内通风的气流组织与性能评价

单空间建筑自然通风
• 一维二区模型分类
– 无热分层单区水模型 – 热分层二区水模型 – 热分层二区无梯度空气模型 – 热分层二区线性梯度空气模型
单空间建筑自然通风
• 无热分层单区水模型
单空间建筑自然通风
• 热分层二区水模型
单空间建筑自然通风
• 热分层二区无梯度空气模型
单空间建筑自然通风
• 热分层二区线性梯度空气模型
• 多区网络通风模型基本 思想
– 建筑：网络系统 – 节点：建筑外部或内部 各个区域（zone） – 节点间连接线：通风在 各区域间的流动关系 – 阻抗：经过缝隙、门窗 及通风口等的阻力损失
办公建筑案例
• 上海 • 室外计算参数
– 夏季空调干球温度34℃ – 夏季空调湿球温度28.2℃ – 新风的浓度0.786 g /m3
•室内设计参数
夏季温度24℃ 相对湿度55%
• 室内2人 • 湿负荷：100 g/（h·人) • CO2的散发量为33 g/（h·人)
办公建筑案例
房间及其内部物体的尺寸和发热量 尺寸 房间 外窗 人（2个） 计算机（2台） 灯（共6个） 桌子（2张） 5m×4m×3m 1.16m×3.65m 0.4m×1.1m×0.35m 0.4m×0.4m×0.4m 0.2m×0.15m×1.2m 2.0m×0.05m×0.5m 200W 100W 300W 60W 0 热量
置换通风系统参数
• 呼吸区：卫生学
– 坐姿：1.1m – 站姿：1.7m
• 呼吸区的通风效率
2.831 e
n / 3
Q 0.45Q
1
2
0.63Q3 / Q
n——换气次数, 次/h
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
置换通风系统参数
• 送风温度
Tt
k oc pQ
To
Tb Tt To To
Q o c p 1 1 1 hc , f hc ,c hr ,cf 1 Af


1
热分层二区无梯度空气模型
• 通风量计算公式
Q Cd A

Tt To Tb To gh g H h To To
办公建筑案例
• 室内污染物浓度和湿度
– 室内日平均最高容许浓度<0.1%(2g/m3) – 不符合卫生标准，总送风量不变，增大新风比， – 新风比为15%，V=72m3/h – 人均新风量为36m3/h – 送风浓度为1.56g/m3 – 排风口浓度为1.70g/m3 – 呼吸区浓度为1.63g/m3
办公建筑案例
• 空气品质分析
– 混合通风送排风温差8℃，送风量508m3/h。 – 新风比15%，CO2浓度1.65g/m3 – 置换通风系统送风量比混合通风系统小，人均 新风量比混合通风小，但呼吸区浓度更低 – 置换通风IAQ更好
第四节 自然通风
自然通风分类
• 建筑空间对象
– 单空间自然通风（Single-zone Space） – 多空间自然通风（Multiple Spaces） – 建筑楼栋自然通风（Multi-zone Building）
置换通风
第二节 混合式通风
混合式通风
• 传统的气流组织形式 • 房间气流组织计算的任务
– 选择气流分布方式 – 确定送风口的形式、尺寸、数量等
• 目的
– 工作区的温度、速度分布均匀 – 满足设计要求 – 排除室内污染物
混合式通风
• 对室内气流分布影响最大：送风的射流 • 一般空调房间送风
– 非等温送风 – 非自由送风 – 由于风口之间的距离近，送风气流会有重 合，影响轴心速度
• 室内气流形式
– 置换式自然通风（Displacement） – 混合式自然通风（Mixed）
自然通风分类
• 开口
– 单 开 口 自 然 通 风 （ Single Sided/Large Opening/Window）：பைடு நூலகம்平单开口和垂直单开口 – 多开口自然通风（Multiple openings ）
置换通风与冷却顶板系统
• 冷负荷的比例分配
– 冷却顶板所占比例增大，垂直温差变小，提高热舒适 – 实验结果：冷负荷比例<60% – 国外实验和工程表明： 50%~55%
• 最大冷负荷
– 冷负荷为50W/m2时，热舒适性好 – 冷负荷越大，置换通风消除的冷负荷占的比例也越大
• 室内湿度与结霉问题
办公建筑案例
置换通风
对流气流 热源
空气漩
图1 置换通风的流态
置换通风原理
排风口 上部区域 界面
送风口
工作区域 热 源
图6 置换通风的热力分层
置换通风原理
• 下部区域： • 上部区域： • 单向流动区： • 紊流混合区： • 污染源与热源应共存 • 室内冷负荷不应过大，<120W/m2 • 房间高度不能过低，<2.4m
• 混合通风特点
– 高速气流与室内空气充分混合 – 稀释室内污染物（包括余热、余湿） – 温度和污染物浓度均匀一致
第三节 置换式通风
置换通风
• 特点与应用
– 送风温度低，冷空气下沉到地表面 – 送风速度为0.2-0.5m/s左右 – 垂直温度梯度：热源引起的热对流气流。 – 排风温度：高于室内工作温度 – 主导气流：由室内热源所控制
• 驱动力
– 风压作用式穿堂式自然通风（Cross） – 热压作用式自然通风（Buoyancy-driven） – 热压风压共同作用式自然通风（Combined Buoyancyand Wind-driven） – 开口界面质扩散换气（Dispersion） – 机械辅助复合式自然通风（Hybrid）
办公建筑案例
• 办公室冷负荷
工作区人员以及设备的冷负荷 工作区以上照明冷负荷 建筑围护结构及太阳辐射冷负荷 总冷负荷 冷负荷指标 Q1 Q2 Q3 Q 800W 360W 200W 1360W 68W/m2
办公建筑案例
• 送风量
– 头 脚 （ 0.1-1.1 ） 的 设 计 温 差 为 2℃ ， 最 小 送 风 量 为 V=480m3/h。 – 新 风 量 取 为 30m3/(h 人 ) ， η=2.1 ， 置 换 通 风 新 风 量 =29m3/h 。 – 表 4-4 进行分层高度的校核， 1.lm 处的总羽流流量约为 400m3/h ，小于480m3/h ，表明分层高度位于人员呼吸 区之上，所以送风量满足要求。
无热分层单区水模型
• 假设室内空气温度完全均匀：只有1个温度节点 • 通风量计算式
2 i o 2 At2 Ab
Q Cd
At2

2 Ab
o
gH
Ab、At——底部和顶部自然通风开口面积，m2； ρ i、ρo——室内和室外空气密度，kg/m3； H——建筑空间高度，m。
无热分层单区水模型
•热分层高度计算公式
Cd A H
2


32
h5 1 1 h H
•当λ =0时，为热分层二区水模型 •当λ =1时，为无热分层单区水模型
热分层二区线性梯度空气模型
• 热分层高度计算式
z1
1 4 2.86 z k
d dz
38
m1 0.004 0.039 z1
h H
5
φk——热源强度（W） β——常数，单点热源羽流
热分层二区水模型
• 通风量计算式
Q Cd A

Ti To g H h To
• 热分层高度计算式
Cd A H
2

32
h5 1 h H
热分层二区无梯度空气模型
• 两区温度近似为地面附近和顶棚附近空气温度
置换通风系统参数
• 温度梯度
– 人体舒适：工作区的温度梯度 – 0.1ｍ：脚踝，敏感部位 – 工作区的温度：取决于1.1ｍ处的温度 – ISO 7730：垂直温度梯度应小于3℃/ｍ – 3个区：底部区、人员停留区和上部区
置换通风温度梯度
°C
⊿ ⊿ ⊿ ⊿ ⊿ ⊿ ⊿
置换通风系统参数
• 送风量
– 消除冷负荷所需的送风量G1 – 满足空气品质所需的新风量G2
• 自然通风空间的有效面积
A

2 2 2 At Ab

2 At

2 Ab

•通风量计算简化公式
Q Cd A

Ti To gH To
Ti、To——分别为室内和室外空气绝对温度
无热分层单区水模型
• 洁净区高度h的表达式
q ( z ) 0.006 z
13 k
53
Cd A H
2


32
办公建筑案例
• 送风温度
– 已知房间的设计温度为24℃，结合头脚温差为 2℃，得地面以上0.1m处温度为22℃ – 式(4-5)计算得送风温度=20℃ – 由能量平衡方程得出系统的排风温度=28.5℃
办公建筑案例
• 室内污染物浓度和湿度
– 室 内 人 员 的 散 发 量 66g/h ， 新 风 中 的 浓 度 0.786g/m3 – 送风浓度2.92g/m3，排风口浓度3.06 g/m3 – 通风效率模型，呼吸区CO2浓度2.99g/m3
房间内各区的空气温升
t
3600Q
C pV
置换通风系统参数
• 室内污染物浓度和湿度
– 以人员为主要污染源的环境，通常以 CO2 浓 度作为控制和评价污染物浓度的指标。 – 国家卫生标准规定，室内空气中 CO2 的日平 均最高容许浓度应小于0.1%（2g/m3）。
置换通风系统参数
• 质量平衡
第3讲 室内通风的气流组织与 性能评价
第一节 室内通风的气流组织 基本形式
混合通风和置换通风区别
通风方式 比较项目 设计目标 通风动力 通风机理 混合通风 置换通风 全室环境均一 工作区环境满足要求 机械通风为主 羽流浮力为主 气流强烈掺混 气流扩散、浮力提升 大温差高风速 小温差低风速 上送下回 下侧送上回 风口紊流系数大 送风紊流度小 风口掺混性好 风口扩散性好 回流区为紊流区 送风区为层流区 温度/浓度分层 上下均匀 消除全室负荷 消除工作区负荷 空气品质接近于回风 空气品质接近于送风
送风特性
流态 温度/浓度分布 通风负荷 空气品质
混合通风和置换通风区别
通风方式 混合通风 优点 因为送风射流能有效地与室内 空气混合，故允许采用大温差送 风，处理冷负荷能力大 全室温度均匀 由于送风口附近截面压降较大 ，所以容易布置流动测点 工作区紊流强度低，吹风感小 送风先进入工作区，污染物浓 度较低，通风效率高 送风温度较高，从全年来看， 可使用自然冷却的时间更长，节 能潜力大 缺点 工作区紊流强度高，有吹风感 送冷风时，工作区平均速度高 送热风时，工作区平均速度低 ，会发生气流短路 室内空气充分混合，利用送风 稀释污染物浓度，通风效率较 低 垂直温差较大可能引起不舒适 感 为了避免垂直温差大，处理冷 负荷能力有限 如果与冷却顶板联合使用，初 投资比较高 流动测点不易布置
2 0.380 z1

3 0.062 z1
热分层二区线性梯度空气模型
• 通风量计算式
Q Cd A

0
H
T z To gdz To
Q Cd A

Tb To 1 Tt To 1 gH gH 2 To 2 To
自然通风一维模型的应用
• 热分层高度计算结果 •通风量计算结果
楼栋建筑自然通风
• 送风量G1计算
G1
3600Q y c p t
Qy——人员停留区的综合显热冷负荷
t ——人员停留区允许温差值
置换通风系统参数
• 送风量
– 消除冷负荷所需的送风量G1 – 满足空气品质所需的新风量G2
• 送风量G2计算
G2 = Gr / η Gr——混合通风满足空气品质所需的新风量
η ——置换通风呼吸区通风效率
送风中的CO2质量流量+人员散发的CO2质量= 排风中的CO2质量流量
3600 X L Y2 Y0
L——通风量， m3/h； X——室内CO2散发量， g/s； Y2——排风CO2浓度， g/m3； Y0——送风CO2浓度，g/m3。
置换通风与冷却顶板系统
冷水管道 传热肋片
冷却部件
送风口 辐射 对流
办公建筑案例
• 置换通风：呼出水蒸气为污染物， • 呼吸区相对湿度为55% • 送风相对湿度为68.8% • 排风相对湿度为42.7% • V=0.2m/s，F=0.66m2 • 1个送风口，F=0.66m2
办公建筑案例
• 设计计算结果汇总 送风量 送风温度 送风湿度 送风温差 排风温度 呼吸区CO2浓度 新风比 人均新风量 送风口面积 480m3/h 20℃ 68.8% 4℃ 28.5℃ 1.63g/m3 15% 36m3/h 0.66m2