基于方型柱面的贴附置换通风模式气流组织设计与应用.docx

基于方型柱面的贴附置换通风模式气流组织设计与应用.docx

《基于方型柱面的贴附置换通风模式气流组织设计与应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于方型柱面的贴附置换通风模式气流组织设计与应用.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于方型柱面的贴附置换通风模式气流组织设计与应用

［摘要］为了有效利用建筑空间中量大面广的柱体，实现高效节能、高空气品质的通风模式，作者提出了一种基于方型柱面的新型贴附置换通风技术。

采用实验测试的方法揭示了该通风模式的曲率效应，拟合得到了轴线速度、剩余温度等参数的计算式。

基于此提出了新型通风模式气流组织的设计原理，给出了具体的设计方法和步骤，并通过设计应用实例验证了设计方法的有效性。

研究表明，方型柱面贴附通风模式兼具混合通风与置换通风的优点。

为大空间建筑通风空调系统设计提供了一种高效节能、良好空气品质的新型气流组织方式。

［关键词］通风；气流组织；方型柱面贴附；设计方法；设计应用

气流组织形式是影响建筑室内通风、空调效果的重要和直接因素，合理的气流组织应该是在消耗较少能源的基础上，有效改善室内空气品质，创建舒适、健康的室内环境。

目前通风空调系统气流组织形式主要以传统混合式通风和近代的置换式通风为主[1]。

混合通风应用范围广泛，但通风效率较低，同时空间内人员往往位于回风或排风环境中，卫生条件较差[2]。

置换通风能够解决这些问题，但吹风感因素的考虑限制了其送风速度和温度，因而不适用于负荷较大的建筑[3]。

并且布置的下送风管道需要提升地面高度，进而占用工作区有效空间。

为充分吸取混合通风和置换通风的各自优点、避免其缺点，经过多年的持续性研究，本文提出了一种基于竖直壁面的新型贴附置换通风模式，兼具混合通风和置换通风的优点[4-8]。

竖直壁面的贴附置换通风方式已经在办公类建筑和地铁车站、商场、图书馆等大空间中得到了较多应用。

此类建筑中还存在量大面广的柱、廊、杆、条等柱体，而柱面贴附通风与竖壁贴附通风不同的是前者的曲率边角叠加效应对贴附送风流场有重要的影响。

本文充分考虑柱面曲率对贴附送风模式影响下边界层效应的不同，提出了一种基于方型柱面的新型贴附置换通风模式（ColumnAttachedDisplacementVentilation,CADV）。

 1方型柱面贴附通风模式 

图1为方型柱面贴附通风模式的原理图及可视化实验照片。

由图可知，处理后的空气由位于方柱上部的回形条缝风口送出，贴附于方柱壁面并向下流动。

接近地面时逆压梯度增加，送风主体与柱面分离，撞击柱角后方向转为水平，然后与地面形成贴附并沿地板向前延伸扩散，进而在工作区形成类似于置换通风的“空气湖”状分布，有效提升人员舒适性。

同时，风口上置可以减少对工作区有效空间的占用、更加美观，并且贴附送风模式能够减少冷风直吹人体造成的吹风感。

而与混合通风相比，柱面对送风主体具有很好的保持性，能够有效减少其与周围空气的混合，将更多新鲜空气和冷/热量分区、均匀下送至工作区，因此通风效率较高、室内空气品质较好。

图1方型柱面贴附通风模式

基于上面的原理描述，可以将方型柱面贴附通风模式流动过程分为图1（a）所示的竖向柱面贴附区、射流冲击偏转区和水平向空气湖区三部分。

同时，柱面曲率的影响导致两个相邻柱面贴附送风进入工作区后存在一定的交汇，因此水平向工作区又可细分为空气湖主流区和空气湖交汇区。

对于气流组织设计来说，主要关心送风在工作区的速度及温度分布，而柱面贴附区和冲击偏转区都不属于工作区范围，因此本文设计研究的重点在于水平向工作区的气流组织特性。

基于已有研究结论，给出工作区各气流组织特性参数计算式，见表1。

表1气流组织特性参数计算式汇总表

式中um（x）为空气湖主流区距方型柱面x处断面上的轴线速度，um（x*）为空气湖交汇区距方柱角x*处断面上的轴线速度；u0为回形条缝风口送风速度；b为回形条缝风口宽度；θm（x）和θm（x*）分别为空气湖主流区和交汇区送风主体剩余温度；tn为室内环境温度；tm为送风主体轴线温度；t0为回形条缝风口送风温度；ty为房间高度y处的空气温度；h为排风口距离地面的净高。

 2设计原理

2.1设计基础

由图1（b）的流场分布可知，方型柱面贴附通风模式送风口位于房间上部，类似于传统的混合通风。

而送风主体沿柱面的贴附流动能将较多新鲜空气和冷热量引入到房间下部空间，相当于将送风口安装在了房间下部的柱角区域，送风形式类似于下部置换通风。

因此相对于传统混合和置换通风来说，工作区的范围在方型柱面贴附通风模式中需要重新界定。

国内对混合通风工作区的定义通常为地面到1.8m高度的人员活动区域。

英国注册建筑设备工程师学会（CharteredInstitutionofBuildingServicesEngineers,CIBSE）手册中[9]对工作区的定义为：

离地面1.8m，距墙壁1.5m的区域，但对送风口安装位置较低的空调房间来说，工作区应为室内人员逗留时间较长的任何区域。

对于置换通风来说，欧洲供热、通风与空调协会（FederationofEuropeanHeating,VentilationandAirConditioningAssociations,REHVA）给出了明确的工作区范围[10]。

结合已有研究结果，给出方型柱面贴附通风模式的工作区范围，见表2。

表2不同气流组织模式下工作区范围

（注：

表中带*的值为人员坐立为主时的取值，带**的值为人员站立为主的取值。

）

2.2设计要求

不同性质的通风空调房间对气流组织和室内风速、温湿度等有着不同的要求，根据建筑的功能和气流组织的形式，对室内温湿度和风速有不同的要求。

GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[11]给出了人员长期逗留区域的空调室内设计参数，见表3。

而对于短期逗留区域，规范指出制冷工况的室内设计参数宜比长期逗留区域提高1~2℃，供热工况宜降低1~2℃。

短期逗留区域供冷工况风速不宜大于0.5m/s，供热工况风速不宜大于0.3m/s。

表3人员长期逗留区域空调室内设计参数

（注：

表中Ⅰ级热舒适度较高，Ⅱ级热舒适度一般）

气流组织设计要求方面，我国民规（GB50736）[11]，国际标准化组织（ISO）[12]，美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）[13]，英国注册建筑设备工程师学会（CIBSE）[9]等分别给出了满足要求的取值范围，见下表4。

表4各国气流组织参数设计标准

方型柱面贴附通风模式主要应用于地铁车站、商场等大空间建筑，人员多属于短期逗留，因此工作区设计温度和速度取值较表3数值可以有所增加。

同时ASHRAE55最新研究表明空气流速与操作温度存在直接关系，随着操作温度的增高，工作区允许空气流速可以增加，最大可以达到0.8m/s（文献[9]图5.2.3.2）。

基于表3、表4及以上分析，给出方型柱面贴附通风模式设计参数及要求如下。

①工作区空气温度：

17~22°C（供热），26~29°C（供冷）；

②工作区空气温差：

t0.1~1.1≤3°C（坐姿），t0.1~1.8≤3°C（站姿）；

③工作区地面0.1m处最低空气温度：

t0.1,min≥19°C（供热），t0.1,min≥21°C（供冷）；

④工作区空气流速：

un≤0.3m/s（供热），un≤0.8m/s（供冷，具体值与室内操作温度有关）。

2.3设计原理分析

方型柱面贴附通风模式的合理设计就是要在工作区范围内满足以上气流组织参数的数值要求，这些参数的具体数值与送风速度、温度等诸多参数有关，因此基本设计之前需要对不同工况下该通风模式的运行原理进行分析，找出影响工作区温度和速度分布的主要因素，然后通过对这些主要影响因素的控制来达到空调房间气流组织的设计要求。

首先分析各参数对工作区轴线速度的影响。

由表1可知，工作区轴线速度分布与送风速度u0和风口宽度b存在函数关系。

因此工作区空气流速的控制仅需调节送风速度u0或风口宽度b即可，以满足工作区空气流速un的设计要求。

其次分析各参数对轴线温度的影响。

送风由条缝风口送出后，送风主体与周围空气存在一定量的掺混，导致轴线温度升高，进入工作区前送风冷量有所损失。

但掺混量随着送风速度的增加而有所降低，因此实际设计时应在满足工作区内最大风速的基础上，尽量选用较大送风速度u0。

同时为满足工作区地面0.1m处最低空气温度t0.1,min的设计要求，可以采用较高送风温度t0。

再次分析各参数对工作区沿高度方向空气温度分布的影响。

由表1可知，工作区高度范围内的最大温差与送风速度u0近似呈反比，u0数值越高，工作区人员头脚温差相对越小，工作区温度分布均匀性提高。

因此设计时在消除脚踝处吹风感影响的前提下，可以考虑采用较大的送风速度u0，以满足工作区空气温差t0.1~1.1/1.8的设计要求。

由以上分析可知，工作区空气流速un、地面0.1m处最低空气温度t0.1,min、工作区空气温差t0.1~1.1/1.8等参数主要与送风速度u0、风口宽度b和送风温度t0有关。

其中u0和b主要决定了工作区空气流速。

因此设计时首先应确定u0及b的数值；其次基于距离柱面1.0m、地面0.1m高度工作区边界处最低空气温度t0.1,min的设计要求，根据表1中剩余温度计算式计算对应的t0数值，然后根据u0和b数值可以确定送、排风温差（te~t0），进而得到te的数值；再次根据送排风温差（te~t0）确定送风量qs和换气次数n，并根据qs和（u0×b）数值计算条缝风口长度并确定方柱尺寸是否满足安装要求；最后通过工作区温升t0.1~1.1/1.8及工作区设计温度tn的要求，验证以上设计参数选取的合理性。

  3设计方法及实例

3.1设计方法及步骤

根据以上分析，以供冷工况为例，给出方型柱面贴附通风模式气流组织的设计方法及步骤如下。

（1）确定送风速度u0及风口宽度b

工作区轴线速度大小与u0和b均成正比，因此两者的数值直接决定送风是否会对工作区人员造成吹风感，实际设计时可以通过工作区风速un的设计要求来反算出u0和b数值。

分别由式

（1）和

（2）确定空气湖主流区和空气湖交汇区所能接受的最大送风速度u0′和u0′′，然后再选择u0′和u0′′中的较小者为送风速度u0。

（2）确定送风温度t0及排风温度te

工作区剩余温度按式（3）和（4）进行计算，而设计时需满足tm（1.0）≥t0.1,min（1.0）的要求，则将其带入两式中可分别得到空气湖主流区和空气湖交汇区所能接受的最低送风温度t0′和t0′′，同时结合露点温度要求，即可得到t0的取值范围，进而选取对应的送风温度t0。

排风温度可由表1中的房间高度温度分布公式得到，公式中取y为房间净高度（排风口高度）h，可得送、排风温差（te~t0）。

由上步选取的送风温度t0和式（5），（6）可分别计算出空气湖主流区和空气湖交汇区对应的排风温度te′和te′′，则整个房间排风温度te=（te′+te′′）/2。

（3）确定送风量qs和换气次数n

送风处理空调房间的余热Q，温度升高为te后由排风口流出，根据能量守恒则有：

式中：

ρ为空气密度，常温常压下近似取值1.205kg/m3，cp为空气定压比热，计算时近似取值为1.005J/（kg·°C）。

对应房间换气次数为：

式中：

l和w分别为房间的长度和宽度。

（4）确定装饰后最终用来贴附的方柱外表面宽度d

建筑中基于结构上的承重考虑，方柱的大小均为设定好的，但是在建筑使用时大多都会对其内的柱体结构进行装饰，此时方柱的宽度为d*。

这并不是最终用来布置所需长度条缝风口的方柱外表面宽度d，但是要保证d>d*，同时d和d*的差值还要满足工程实际的要求，不能相差太大。

因此可由式（9）计算得到最终用来贴附的方柱外表面宽度。

把以上各式带入式（9），经过化简可以得到式（10），此时d的大小只与风口宽度b的取值有关。

若计算得到的方柱不满足条缝风口的长度布置要求，则可以通过改变风口宽度b来使其满足要求。

式中m为设置送风口的方柱个数。