建筑环境学 第6章 通风与气流组织Word文件下载.docx

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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（ρw−ρn）

b

ρw

ρn

h

a

8

热压通风的基本概念

余压

o

h2

中和面

h1

9

Lia（total）=Fdi[

（ρ

i

out

−ρl）Hg1/1.5

]

1

（1+1.5）

m

的

自

然

通

风

热

压

引

起

筑

建

层

多

hi

ii

Lia=Fdii[（ρout−ρin）hig]1/1.5

Z

10

下

作

用

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

w

12

风洞模型实验

13

风压和热压的联合作用下的

∆Pb=Pxb−Kb

υw

ρw=Pxa+hg（ρw−ρn）−Kb

Kb

Pxb

twρw

tnρn

Pxa

14

∆Pa=Pxa−Ka

Ka

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

穿堂风

Crossventilation

15

穿堂风最大深度5m

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

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

21

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

36m3/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

Impression）使80%的人能够满意的最小新风

量是27m3/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9m3/h人。

22

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

实际上，人体在静坐至重劳动状态，肺通气量为：

11.6~80.4L/min人，即0.7~4.8m3/h人（实际为一半）

23

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

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。

24

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）

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？

25

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

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）

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

26

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

27

全面通风的基本微分方程式

（均匀混合时的稀释方程）

QCSdτ+Mdτ-QCdτ=VdC

dτdC

=

VQCs+M−QC

dCQCs+M−QC

dτV

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，CsC

τQMτQ

C2=C1exp−+Q+Cs1−exp−V

V

M

C

V

MM

稳定状态的关系式：

C2=+Cs或Q=

Q

C2−Cs

28

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

V1

τn==

Qn

房间的温度、湿度和污染物浓度在经过源之前

29

室内气流分布的描述参数－－空气龄与其他

空气龄Airage

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）

∫

∫0f（τ）dτ=1

∞

P

则某点的平均空气龄为

τp=∫τf（τ）dτ=∫[1−F（τ）]dτ

τP

30

与空气龄相关的两个参数

残余时间lifetime）

空气从当前位置到离开房间的时间τrl

驻留时间time）

空气离开房间时空气龄τr

进口

τp+τrl=τr

τp

也称作“换气时间”

置换室内全部现存

空气的时间

点P

τr

τr1

出口

31

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

∑τpiVi

τp=

τe

Ce

典型流型的空气龄

活塞流：

τp＝τe/2

τr=τe=τn

均匀混合流：

τp＝τe

τr=2τp=2τe

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

32

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？

“理想活塞流”的换气效率最高，房间的平均空

气龄最小

τnτe

τp理想==

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τp理想

τn

ηa=

＝×

100%

τp2τp

33

空间各点的换气效率的定义

×

100%ηi=

τpi

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

34

常见送回风形式的换气效率

ηa≈100％

ηa＝50～100％

（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

35

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−Cs

C−Cs

Ce−Cs

局部排污效率εp=

Cp−Cs

如果污染源在出口呢？

污染源在入口呢？

Ce,te

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−ts

ηt=

ta−ts

36

送风可及性（清华，2003）

AccessibilityofSupplyAir:

ASA

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

∫C（τ）dτ

ASA（T）=

T

Cs,i⋅T

37

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

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

39

不均匀系数

反映气流温度场和速度场的不均匀程度。

温度不均匀系数

均方根偏差

t

ti−t

kt=

σt

∑

=

（ti−t）2

n

速度不均匀系数

σu

ku=

u

40

空气扩散性能指标ADPI

（AirDiffusionPerformanceIndex）

空间内满足规定风速和温度要求的测点数与总

测点数之比

−1.7<

∆ET<

1.1的测点数

ADPI=×

100％

总测点数

有效温差∆ET=（t-tn）-7.66（Vi-0.15）

ADPI的值越大，说明感到舒适的人群比例

越大。

在一般情况下，应使ADPI≥80％

41

气流组织的测量与计

算方法

1.示踪气体实验法

2.半经验射流公式法

3.数值求解法（CFD方法）

42

1.示踪气体试验法

是研究建筑物空气分布与渗透特性的重要手段

必须具有如下特点

能够完全跟随空气流动

具有可测性

具有稳定性，一般情况下不发生物理或化学反应

无毒性

示踪气体的目的是准确标识室内空气流动特性，

常见的示踪气体包括甲烷、6、二氧化碳等。

43

示踪气体的常见释放方法

脉冲法（method）

在释放点释放少量的示踪气体，记录测量点处示

踪气体浓度随时间的变化过程。

上升法（method）

在释放点连续释放固定强度源的示踪气体，记录

测量点处示踪气体浓度随时间的变化过程。

下降法（或衰减法）ordecay

method）

房间中示踪气体的浓度达到平衡状态后，停止释

放示踪气体，记录测量点处示踪气体浓度随时间

的变化过程。

44

下降法（衰减法）测空气龄

待房间内各点浓度稳定后，停止示踪气体加入，

测量被测点的浓度变化过程

空气龄的累积分布函数F（τ）

1−F（τ）=

Cp（τ）

Cp（0）

Cp（0）

F（τ）Cp（0）

∫τ

f（τ）dτ=

空气龄公式

Cp（τ）dτ

Cp（0）

∫Cp（τ）

45

脉冲法测空气龄

在通风房间的送风口释放少量示踪气体，记

录被测点的浓度变化过程

概率分布函数

空气龄公式

Cp（τ）Cp（τ）

==f（τ）

∞

Cp（τ）dτ（m/Q）∫

τp=

τC（τ）dτ∫=∫

∫C（τ）dτ

p

τCp（τ）dτ

（m/Q）

送风量

46

释放的示踪气体的质量

上升法测空气龄

在房间送风口处恒定释放示踪气体，记录被测

点的浓度随时间变化情况

累计分布函数与概率分布函数之间的关系为

∫

τ

f（τ）dτ=F（τ）

Cp（τ）Cp（τ）

==F（τ）

Cp（∞）（m/Q）

累积分布函数

τp=∫[1−F（τ）]dτ=∫[1−

（m/Q）

]dτ

47

示踪气体的释放速率

房间平均空气龄的测量方法

脉冲法

2

∫τC（τ）dτ

∫τC（τ）dτ

e

Ce（τ）

∫0τ（1−Ce（∞））dτ

上升法

τp=∞

∫0（1−Ce（∞））dτ

下降法

τCe（τ）dτ

Ce（τ）dτ

48

平均空气龄公式怎么来的？

以下降法为例证明

基本公式

边界条件

则有

∫0Cp（τ）dτ

M（0）=C（0）V=Cp（0）V,

M（∞）=0

M（τ）=Cp（τ）dV=M（0）−QCe（τ）dτ

M'

（τ）=−QCe（τ）

'

M（τ）]dτ

Q

∫τCe（τ）dτ=∫τ[−

∞1

τM（τ）0

=−Qτd（M（τ））

=−

+

M（τ）dτ=QM（τ）dτ

49

以下降法为例证明

（2）

τpdV=

∫∫Cp（τ）dVdτ∫M（τ）dτ

0V

VC（0）

M（0）

QτCe（τ）dτ

τCe（τ）dτ

Ce（τ）dτ

50

2.半经验射流公式法

内容和来源

采用射流公式对空调送风口射流的轴心速度和温

度、射流轨迹等进行预测

基于某些标准或理想条件理论分析或试验

缺陷

不能用于分析复杂空间，应用受制约

只能给出室内的一些集总参数性的信息

折衷的方法：

区域模型

区域内集总参数

区域间考虑存在热质交换

51

3.数值求解法

计算流体力学方法的引入CFD方法

特点：

依据室内空气流动的数学物理模型，在计算机上做虚

拟实验

原理：

对连续方程、动量方程、能量方程和组分方程进行离

散数值求解

优点

成本低、速度快

应用范围广，提供信息全面

缺点：

可靠性问题

人们对湍流的机理尚无清楚认识，缺乏完整的湍流理论，需

要依赖半经验的方法

边界条件需要简化：

送风口入流、壁面边界条件、室内热源

分布等

52

3.数值求解法示例

置换通风数值求解方法的空间模型

1-壁橱，2-桌子

3-计算机，4-人

5-灯，6-送风口

7-回风口

53

置换通风的速度场

54

置换通风的温度场

55

置换通风的污染物浓度场

置换通风送风形式，污染物浓度高的部位在上方

。

56

置换通风的空气年龄场

置换通风送风形式，空气年龄长的部位在

上方。

年龄单位：

秒。

57

不同气流分布预测方法的特点比较

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

实现的难易程度

适用性

简单

几乎完全

最低

最短

简略

差

很容易

机械通风，且与实

际射流条件有关

较复杂

很依赖

较低

较短

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

较容易

机械和自

然通风

不依赖

最高

最长

较详细

最好

很难

58

射流公式

CFD

模型实验

常用的气流分布计算CFD软件

PHOENICS

英国1981年推出的商业软件，针对暖通空调的

FLAIRE，可以求解PMV和空气龄

FLUENT

美国，年。

具有风口模型、新零方程

湍流模型等，并且可以求解PMV、PD和空气龄

STACH－3

清华大学90年代开发，有各种针对暖通空调应用

的模型和功能

59

思考题

自然通风的驱动力是什么？

有何特点？

一般应

用于哪些场合？

试分析采用示踪气体测量空气龄的三种释放方

下降法（或衰减法）

试推导均匀混合通风时空气龄、换气效率、可

及性的表达式（房间名义时间常数已知）

法的优缺点：

（1）脉冲法；

（2）上升法；

（3）

60

请给出活塞流在以下状态下的排污效率，并分

析合理的送排风口位置与污染源位置应该是什

么关系才能获得比较好的室内环境质量？

污染源在出口时

污染源在入口时

稳态通风情况下，在空间均布的单位体积源作

用时，室内污染物浓度的分布规律与房间空气

龄的分布规律一样吗？

61

谢谢！

62