置换通风系统的实例探究

第４３卷第１２期　２０１０年１２月　天津大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖ＿０１．４３　Ｎ０．１２　Ｄｅｃ．２０１０　

置换通风系统送风设计参数的确定　

穆振英　，刁乃仁２，由世俊　

（１．天津大学环境科学与工程学院，天津３０００７２；２．山东建筑大学热能工程学院，济南２５０１０１）　

摘要：针对目前我国指导置换通风实际工程设计的具体规范标准相对缺乏、详细的工程设计参考数据不足这一问　

题，进行了理论与实验研究．建立了理论计算模型，利用所建模型对置换通风系统进行了数值模拟，通过实验验证了模　

拟结果的准确性，证明所建模型是正确的，可以作为后续分析的基础．确定了能够反映置换通风特点的几个参数指标，　

包括热力分层高度、通风效率、房间垂直温度梯度、工作区温度和工作区风速等．为了方便工程应用，定义了热源热指　标的概念．根据热源热指标设计了研究工况，利用数值模拟方法重点研究了热源参数和送风参数对室内空气环境舒适　

性的影响，得出了热源参数和送风参数的设计取值范围，并对热源分散性的影响提出了设计参数的修正方法．所得结　

论可供置换通风系统设计及应用校核参考．　关键词：置换通风；送风参数；热源热指标　

中图分类号：ＴＵ８３１．８　文献标志码：Ａ　文章编号：０４９３．２１３７（２０１０）１２一ｌ１２３—０８　

Ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　

Ｓｅｎｄｉｎｇ—Ｗｉｎｄ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　

ＭＵ　Ｚｈｅｎ—ｙｉｎｇ　，ＤＩＡＯ　Ｎａｉ—ｒｅｎ　，ＹＯＵ　Ｓｈｉｏｊｕｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ　２５０　１　０　１，Ｃｈｉｎａ）　

置换通风在北京某音乐厅观众厅的应用

摘要：介绍了音乐厅之观众厅的设计特点及空调形式，为保证空调效果，观众厅采用置换通风系统，确保空调舒适性的同时，提高室内的空气品质。在设计中采用设计计算与CFD模拟相结合的方式，提高设计的准确性。

关键词: 观众厅置换通风CFD模拟

1前言及工程概况

置换通风起源于北欧，1978年德国柏林的一家铸造车间首先使用了置换通风装置。现在置换通风广泛应用于工业建筑、民用建筑和公共建筑，北欧的一些国家50%的工业通风系统、25%的办公通风系统采用了置换通风系统[6]。目前，我国已有很多工程开始采用了置换通风系统，并取得了令人满意的效果。

置换通风是以较低的送风速度在空调房间地板上形成一个空气层，气流以层流的活塞流状态依靠自身的浮升力缓慢向上移动，将房间内污浊的空气置换掉，从上部排风口排出，室内人员无吹风感，最大程度确保室内空气品质，而不同于普通全空气系统，是将空调送风与室内空气混合，空气质量无法保障。

北京某音乐厅占地面积约2170m2，地下二层，地上三层，总建筑高度24m，其建筑面积约为7000m2。由观众厅、音乐池、舞台、化妆间、演员休息室、乐队等候室及设备用房等组成。观众厅分为池座和楼座两部分，是以演出交响乐及歌剧音乐为主的艺术厅堂。其观众厅高度约为20m，人员密度较大，故其空调系统的设计成为暖通设计中的重中之重。本文主要介绍置换通风系统在观众厅的应用。

2置换通风系统与混合送风系统的比较

置换通风比传统的混合通风具有更高的换气效率和通风效率，最重要的是置换通风具有更高的室内空气品质和舒适性。置换通风系统与混合送风系统的比较，详见表1。

表1 置换通风系统与混合送风系统的比较

3 空调特点

音乐厅的观众厅是一个较为特殊的场所，其使用时间是非全天、间断的，属人员密集场所，绝大部分空调负荷产生于人员工作区；空间高大，在垂直方向上容易产生较大的温度梯度，易形成温度分层;对噪声控制要求较为严格。基于以上特点，其空调系统的设计需解决如下问题：

1 透过玻璃窗的太阳辐射对置换通风系统的影响的实验研究

1．概述

置换通风系统从它最早在北欧的出现和使用，至今已有二十多年的，但由于它在保证室内空气品质方面的突出表现，近年来仍倍受巨人瞩目，1999年被列入“欧盟第五框架计划”支持的研究项目，项目主要负责人D.Blay是笔者博士导师，因而有幸参加了该项目的部分研究。在第一阶段研究过程中，我们对室内单一热源的情况进行了实验研究［1-3］和计算机住址研究［4］，得到了单一热源下置换通风系统的温度场和速度场，结果表明：(1)热源的存在不影响水平方向上的温度的均匀度；(2)除热源上方有较明显的上升气流外，整个速度场均匀、平稳，呈层流或低紊流状态；(3)维护结构的热损失对温跃层高度无明显影响，而外部环境温度则使室内温度垂直分布有所改变。继“单一热源”的研究之后，我们在第二阶段对“多热源”［5］的情况又进行了系统的研究，主要侧重于热源之间的相互影响和对置换通风系统温度场的 2 影响，结果表明：(1)双热源的存在降低了单热源情况；(2)辅热源温度的变化并不影响温跃层的高低；辅热源气流流量的大小不影响温跃层的高度，而只是对上部区域的温度有影响。

本文是置换通风系统的系列研究的第三阶段内容，针对透过玻璃窗的太阳辐射对置换通风系统的影响的研究，在置换通风系统的应用中，由于玻璃窗的存在，难免会有太阳的直射辐射透过玻璃窗进入至室内来，照射在地板、家具或其它物品上，形成了局部的热表面区域，这些局部热表面对室内空气具有加热作用，形成自然对流，对室内置换通风平稳的流场进行了干扰。本文旨在提示透过玻璃窗的太阳辐射对置换通风系统的干扰程度，以便能有的放矢的改进、完善置换通风系统，充分发挥这一新型通风模式的优点，为设计者提供设计参数和设计依据，为置换通风系统开辟更好的应用前景。

2．实验装置

3

本实验是在第二阶段实验一双热源情况的基础上开展的，因此，测试室内已有一主一辅两个热源，为了模拟透过玻璃窗的太阳辐射照射在地板、家具或物品上形成的水平局部表面、倾斜的局部热表面和垂直局部热表面的情况，我们分别采用了电热和电散热器，用覆盖在地板上的电热膜模拟太阳在地板上形成的热表面，用倾斜放置的电散热器模拟太阳辐射在室内形成的倾斜热表面，用垂直放置的电热膜模拟太阳辐射形成的垂直热表面。

中国建筑中广泛应用置换通风

１.引言

近年来，一种新的通风方式--置换通风在我国日益受到设计人员和业主的关注。这种送风方式与传统的混合通风方式相比较，可使室内工作区得到较高的空气品质、较高的热舒适性并具有较高的通风效率。1978年德国柏林的一家铸造车间首次采用了置换通风系统，从这以后，置换通风系统逐渐在工业建筑、民用建筑及公共建筑中得到了广泛的应用。特别是在北欧斯堪的纳维亚国家，现在大约50％的工业通风系统采用了置换通风系统，大约25％的办公室通风系统采用了置换通风系统。在中国，也有一些工程开始采用置换通风系统，并取得了一些令人满意的结果。

2.置换通风的原理与特点

置换通风以低速在房间下部送风，气流以类似层流的活塞流的状态缓慢向上移动，到达一定高度受热源和顶板的影响，发生紊流现象，产生紊流区。气流产生热力分层现象，出现两个区域：下部单向流动区和上部混合区。空气温度场和浓度场在这两个区域有非常明显的不同特性，下部单向流动区存在一明显垂直温度梯度和浓度梯度，而上部紊流混合区温度场和浓度场则比较均匀，接近排风的温度和污染物浓度。因此，从理论上讲，只要保证分层高度在工作区以上，首先由于送风速度极小且送风紊流度低，即可保证在工作区大部分区域风速低于0.15m/s，不产生吹风感；其次，新鲜清洁空气直接送入工作区，先经过人体，这样就可以保证人体处于一个相对清洁的空气环境中，从而有效地提高了工作区的空气品质。这种通风形式不再完全受送风的动量控制而主要受热源的热浮升力作用，热污染源形成的烟羽因密度低于周围空气而上升。烟羽沿程不断卷吸周围空气并流向顶部。如果烟羽流量在近顶棚处大于送风量，根据连续性原理，必将有一部分热浊气流下降返回。因此在顶部形成一个热浊空气层。根据连续性原理，在任一个标高平面上的上升气流流量Qp等于送风量Qs与回返气流流量Qr之和。因此必将在某一个平面上烟羽流量Qp正好等于送风量Qs，在该平面上回返空气量等于零。在稳定状态时，这个界面将室内空气在流态上分成两个区域，即上部紊流混合区和下部单向流动清洁区。置换通风热力分层情况如图1所示。