置换通风系统送风设计参数的确定

穆振英，刁乃仁，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)

置换通风系统送风设计参数的确定

穆振英1，刁乃仁2，由世俊1

(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)

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．

置换通风；送风参数；热源热指标

室内空气品质对人们的工作和生活环境具有重要影响．室内空气品质下降，不但会影响人体的健康，还会影响劳动生产率，造成大量经济损失．置换通风具有不同于传统混合式通风的气流组织形式，能够提供高品质的室内空气，并且具有明显的节能效果，正逐渐在工业、民用建筑中得到应用．在欧洲置换通风已经占有了50%的工业空调市场和25%的民用空调市场[1]．置换通风是将低于室内工作区温度的较凉新鲜空气以很低的速度直接送入工作区，并在地板上形成一层较薄的空气湖，当送风遇到室内的热源(人员及设备等)时被加热，密度减小产生向上的对流气流，形成室内空气运动的主导气流．排风口设置在房间的顶部，将污染空气排出．置换通风以低速送风，送风的动量很低，以致对室内主导气流不产生明显影响，并可以极大节省送风的能量．热源引起的热对流气流使室内产生垂直的温度梯度，排风的空气温度高于室内工作区温度，提高了工作区的舒适性．

欧洲国家对于置换通风系统理论方面的研究比较成熟，已有30多年的应用历史．1978年，德国柏林市的一个焊接车间首次使用了置换通风方式[2]．之后这种方式在北欧国家的工业领域得到广泛应用．至20世纪80年代，该方式开始应用于非工业领域．此后，学者们不断进行了各方面的研究，并用得到的结论指导工程实践[3-6]．

国内对置换通风的研究起步较晚，最早始于20世纪80年代初对下送风方式的探讨．之后有学者从原理、热舒适性、设计方法等不同角度对置换通风的有关问题进行了研究[7-12]．但目前我国还没有指导置换通风实际工程设计的系统完整的规范标准，仅在现行规范[13]中有2条应用置换通风的规定，特别是没有详细的可供工程设计参考的定量数据，而且对工程中常见的多热源并存的情形也研究得不够，这在一定程度上限制了置换通风的广泛应用．因此，有必要开展相关研究，推动置换通风技术在我国的应用．

本文以夏季空调方式为研究对象，采用理论和实验相结合的方法对多热源并存的置换通风系统进行研究，重点确定送风参数的取值范围，为工程设计中的参数选取和应用校核提供理论依据．

1 理论模型的建立

置换通风方式涉及到复杂的对流传热传质过程，数值模拟是帮助了解其工作机理的重要手段．在利用CFD软件模拟之前需要建立求解问题的数学模型．空气流动满足的连续方程、动量方程和能量方程可以写成

其展开形式为

式中：ρ为流体密度，kg/m3；Φ为通用变量，可表示常量、速度矢量和温度等求解变量；τ为时间，s；V为速度矢量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项；u、v和w是速度矢量V在x、y和z方向的分量，m/s．

对于连续方程、动量方程和能量方程，Φ、Γ和S具有不同的具体形式，表1给出了3个符号与各具体方程的对应关系．

表1 通用控制方程中各符号的具体形式Tab.1 Concrete forms of symbols in general governing equation

表1中μ为动力黏度，Pa·s；p为作用在流体微元体上的压强，Pa；xm为坐标方向，即x、y和z坐标；Sn为S在x、y和z方向上的分量；T为流体温度，K；k为流体的传热系数，W/(m2·K)；c为流体的比热，kJ/(kg·K)；ST为黏性耗散项．

式(1)或式(2)有u、v、w、p、T和ρ 6个未知量，且不封闭，为此，需要补充一个联系p和ρ的状态方程使之封闭可解．

状态方程的表达式为

为了能够顺利实现模拟工作，作以下5点假设：

(1) 室内气流为不可压缩的牛顿型流体；

(2) 考虑热源的热浮升力作用，采用Boussinesq假设，在能量方程中加入浮升力的影响；

(3) 实验房间保温措施良好，并且考虑到室内气流流态特性，边壁采用绝热边界条件；

(4) 忽略热源与壁面间以及各壁面之间的辐射换热；

(5) 假设工况稳定dΦ/dt＝0．

描述所研究问题的三维流动、换热模型建立起来之后，需要进一步确定单值性条件，然后用前处理软件划分网格，再利用有限容积法对方程和单值性条件进行离散，设定好CFD软件的相关求解控制参数之后即可对方程进行求解．

本文采用标准k-ε两方程湍流模型，使用SIMPLE算法，在壁面附近采用壁面函数法进行处理．计算时，已知的定解条件中送风口、回风口和热污染气流的速度、温度等边界条件直接输入CFD软件界面．送风系统采用全空气系统直流式，无回风．墙壁看作绝热面．

2 气流实验室及实验设备

自行设计建造的气流实验室尺寸为5,600,mm× 5,000,mm×2,100,mm．该实验室建在空调房间内，能够通过对空调房间温度的调节来模拟室外温度的变化．实验室气密性良好，外围护结构敷设保温材料．实验室东侧开有门和观察窗，南侧墙壁下部开有4,000,mm×400,mm的孔板送风口，顶棚中央开有2个200,mm×200,mm的排风口．在房间中央地板上有3个200,mm×200,mm热气流送风口，可送入热气流模拟热源．气流实验室系统布置如图1所示．

图1 气流实验室示意Fig.1 Scheme of experimental room

实验所需要测量的物理量包括送排风及热源的气流温度、气流速度和测点位置的几何尺寸等．温度的测量分为2部分，测量送排风温度和温度场中各点的温度．送排风温度和房间内空间各点的温度均通过温度传感器测量，温度传感器测温范围-50～100,℃，分辨力为0.1,℃，传感器将采集的信号经转换传输到计算机中，方便后续处理．排风速度和速度场中各点的气流速度采用风速传感器直接将采集的数据经转换传输到计算机中，风速传感器的测量范围是0.05～30,m/s，最小检测量为0.05,m/s．因为将测量探头安装在了可移动的操作支架上，通过支架上的刻度可以方便地读取测点位置的几何尺寸数据．测量时，在每个热气流送风口的周围布置了4个实验测试位置，测点沿竖向分布．

3 理论模型的实验验证

利用第1节建立的模型对设计的2个工况进行求解，并用实验进行了验证．

1)工况I

单一热源，送风温度293,K，送风速度0.2,m/s；热源热气流温度341,K，热气流速度0.7,m/s．

2)工况II

双热源，送风温度293,K，送风速度0.2,m/s；热源1的热气流温度326,K，热气流速度0.7,m/s；热源2的热气流温度310,K，热气流速度0.7,m/s；2个热源距离为500,mm．

3.1 温度分布结果对比分析

图2与图3分别绘出了工况I和工况II沿垂直方向温度分布的理论和实验结果的对比情况．

图2 工况I理论与实验温度变化对比Fig.2 Comparison of theoretical and experimental temperatures under condition I

图3 工况II理论与实验温度变化对比Fig.3 Comparison of theoretical and experimental temperatures under condition II

从图2和图3的对比结果来看，二者曲线变化趋势一致，各计算点误差均小于10%，可以得出理论结果和实验结果吻合较好的结论，验证了所建立模型的准确性．从图中还可知，竖向温度分布存在明显的分层现象和温度跃升，房间下部温度低，上部温度高，而且在整个工作区内温度梯度较小，实现了对室内空气的“置换”．还可以从图3看到，由于热源的分散设置，使热力分层高度有所降低，原因可以用热羽流的理论解释：室内空气受热源的加热作用形成上升气流，气流在上升过程中不断卷吸周围空气形成室内主导气流，但由于热源在较近距离内分散设置，各热源对周围空气的卷吸互相影响，加大了室内气流的混合运动，从而降低了热力分层高度．因此，在较近距离内应该尽量避免分散设置热源．

3.2 速度分布结果对比分析

图4与图5分别代表了工况I和工况II沿垂直方向速度变化的理论结果和实验结果的对比情况．

从图4和图5可以看出，理论和实验结果的吻合是比较理想的，误差均在15%以内．两曲线的变化趋势能够反映置换通风的主要特点．在地面附近气流速度较大，随着高度的增大，气流速度逐渐减小，大约在房间中部，气流速度达到最小，继而气流速度重新增大，直至从房间上部排出室外．

图4 工况I理论与实验速度变化对比Fig.4 Comparison of theoretical and experimental velocities under condition I

图5 工况II理论与实验速度变化对比Fig.5 Comparison of theoretical and experimental velocities under condition II

产生这种气流变化的原因仍可以用热羽流的有关理论来解释：冷空气送入室内后，由于温度低密度大而向地板沉积．在地板附近，由于气流距离热源近，受热源的作用大，所以产生了较大的速度．随着高度增加，热源的作用逐渐减小，加之上升气流不断卷吸周围的空气，动量降低，上升速度逐渐减小．到达房间顶部附近时，由于此时已进入到紊流程度大的污浊空气区，受紊动气流的影响，此时的气流速度重新增大．

从上述分析可见，理论结果和实验结果相对误差均在可以接受的范围内，这说明本文针对置换通风系统所建立的模型是可靠的，可以应用该模型直接对置换通风系统进行深入研究．

4 参数指标及研究工况设定

4.1 反映置换通风特点的参数指标

进行数值模拟研究之前，有必要确定反映置换通风特点以及室内舒适性的参数指标，通过对这些指标的研究来衡量置换通风系统的实际工作效果和工作区的舒适程度．研究的主要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几个参数．

具有内部热源的置换通风房间普遍存在垂直温度分层现象，形成下部的低温区域和上部的高温区域，2个温度区域的分界面(即温跃层)至地面的高度即为热力分层高度．确定和控制热力分层高度是实现置换通风作用、保证高通风效率和工作区良好空气品质的首要前提．

通风效率是用来考察某种气流组织形式能量利用有效性的一个指标，也有学者将其称为余热排除效率或者能量利用系数，计算式[14]为

式中：Et为通风效率；Tp为排风温度，K；Tn为工作区平均温度，K；T0为送风温度，K．

房间垂直温度梯度可以反映在垂直方向上温度变化的剧烈程度，垂直温度梯度不能过大，否则会降低房间的热舒适程度．通常认为房间垂直温度梯度以小于2,K/m为宜[10]．

为避免产生明显的吹风感而影响舒适性，工作区平均风速通常不应大于0.3,m/s[15]．在本文中，工作区平均风速中的工作区是指从距地面0.1～1.8,m高度的区域．

上述参数指标构成了对置换通风系统下室内气流特征和舒适性的基本描述．

4.2 研究工况设定

不同功能的建筑物具有不同特点和使用要求，对置换通风系统的要求也不尽相同，这给全面研究带来了麻烦，因为将所有建筑的各种工况都进行研究非常困难，必要性也不大．因此，本文在设计工况时，尽可能充分考虑不同建筑功能上的差异，力求使设计出的研究工况具有代表性．

室内热源是置换通风主导气流在室内运动的根本动力，在置换通风技术中起到非常重要的决定性作用，因此，本文围绕室内热源这一重要环节进行工况设计．

为方便研究和工程实际应用，定义了热源热指标这一概念．热源热指标是指室内热源在房间单位建筑面积上的散热量，在数值上等于室内热源散热量与房间建筑面积的比值，表达式为

式中：q为热源热指标，W/m2；Q为室内热源散热量，W；A为房间建筑面积，m2．

热源热指标不同于工程上常用的冷负荷指标，从物理概念上来看，热源热指标中的热量Q只包括能够驱动室内气流运动形成置换通风的热量，而冷负荷指标中的热量是建筑房间的全部冷负荷，因此，二者有本质区别．从数值上看，热源热指标要小于冷负荷指标．

以热源热指标作为设计工况的主要依据，便于在置换通风系统设计和校核时，对相关参数进行选择应用．兼顾理论研究和设计应用两方面，本文选取的热源热指标分别为23 W/m2、40 W/m2和60,W/m2，送风温度T0为291～293,K，送风速度v0为0.2,～0.4,m/s，具体工况设定及各工况参数见表2．

表2 研究工况参数Tab.2 Parameters in working conditions

依据设定的工况，采用前文建立的经过验证的模型针对单一热源进行研究，双热源的影响通过对单一热源的研究结果进行修正来体现．

5 设计参数研究结果及分析

5.1 研究结果

将各设定工况的研究结果按照热源热指标进行分组整理，如图6～图8所示．

从图6～图8中读取相关指标数据，并对某些反映置换通风特点的参数指标进行计算，按照热力分层高度、通风效率、垂直温度梯度和工作区平均风速将各工况研究结果进行整理，列于图9～图12中，这样可以更直观地反映各参数的变化趋势，并能进一步方便实际工程应用．

图6 热源热指标为23 W/m2的研究结果Fig.6 Results when heat-source index is 23 W/m2

图7 热源热指标为40 W/m2的研究结果Fig.7 Results when heat-source index is 40 W/m2

图8 热源热指标为60,W/m2的研究结果Fig.8 Results when heat-source index is 60 W/m2

图9 热力分层高度变化Fig.9 Variation of heat stratification height

图10 通风效率变化Fig.10 Variation of ventilation efficiency

5.2 研究结果分析

5.2.1 从热力分层高度的角度分析

分析图9，如温跃层的下边缘高度为1.7,m，则有如下结论：除掉送风温度为291,K、热源热指标为40,W/m2和送风温度为291,K、热源热指标为60,W/m22种条件6个工况外，都可以实现送风温度和送风速度参数在研究范围内进行的自由选择组合，此时能够保证热力分层高度在满足要求的范围内．对于送风温度为291,K、热源热指标为40 W/m2的工况，要求送风速度在0.3～0.4 m/s之间取值．送风温度为291 K、热源热指标为60,W/m2的工况，在研究范围内没有能够满足热力分层高度值要求的送风参数，这说明对于此工况中的热源热指标，送风温度291,K偏低．解决的办法是在允许的范围内适当提高送风温度或增大送风速度，但二者的增大都以不影响室内的舒适性为标准．

图11 垂直温度梯度变化Fig.11 Variation of vertical temperature gradient

图12 工作区平均风速变化Fig.12 Variation of mean wind speed in working area

单从热力分层高度的角度分析可得如下结论：

(1) 热源热指标为23,W/m2时，送风温度取值范围为291～293,K，送风速度取值范围为0.2～0.4,m/s；

(2) 热源热指标为40,W/m2时，送风温度取值范围为291～293,K，送风速度取值范围为0.3～0.4,m/s，或者送风温度取值范围为292～293,K，送风速度取值范围为0.2～0.4,m/s；

(3) 热源热指标为60,W/m2时，送风温度取值范围为292～293,K，送风速度取值范围为0.3～0.4,m/s．

5.2.2 从通风效率的角度分析

由图10可以看出，所有工况的通风效率都大于2，这说明如果忽略舒适性的限制，单从通风效率的角度分析，在研究范围内无论采用多大的送风参数都能满足置换通风设计要求．从图10中还可以看出，通风效率都呈现出随着送风速度的增大而先增大后减小的变化趋势，即通风效率存在极值，极值点对应的送风速度为0.3,m/s，这可以理解为送风速度增大导致送风量增大；从而加大了置换通风的置换能力，通风效率增大，但是当送风速度超过一定值之后对主导气流产生了影响，使室内气流有向全面通风转化的趋势，所以通风效率有所降低．

5.2.3 从垂直温度梯度的角度分析

由图11可以看出，最大的垂直温度梯度值也在1.5,K/m以内，这说明单从该参数的角度考虑，各工况的参数都能满足设计要求．

从变化趋势来看，对垂直温度梯度的研究有如下结论：

(1) 对于热源热指标较高的工况(T0＝291,K，q＝60,W/m2和T0＝293 K，q＝60,W/m2)和热源热指标不是很高但送风温度较高的工况(T0＝293,K，q＝40,W/m2)，房间垂直温度梯度表现为随送风速度的增大而先增大后减小；

(2) 对于热源热指标不是很高但送风温度较低的工况(T0＝291,K，q＝40,W/m2)和热源热指标较低的工况(T0＝291,K，q＝23,W/m2和T0＝293,K，q＝23,W/m2)，房间垂直温度梯度表现为逐渐减小．

5.2.4 从工作区平均风速的角度分析

由图12可以看出，除了T0＝291,K，q＝60,W/m2和T0＝293,K，q＝40,W/m2的工况工作区平均风速大于0.3,m/s外，其余工况工作区平均风速都较理想．通过分析，送风速度取值范围的下限可以取0.2,m/s，上限可以考虑取0.35,m/s．

6 设计参数的确定及工程应用

6.1 单一热源工况设计参数

在所研究的工况条件下，通风效率和垂直温度梯度在所有送风参数条件下都满足要求，即不能对送风参数起到界定作用．综合热力分层高度和工作区平均风速的影响这2项研究结果，送风参数建议在如下范围内选取：

(1) 热源热指标为23,W/m2时，送风温度取值范围为291～293 K，送风速度取值范围为0.2～0.4,m/s；

(2) 热源热指标为40,W/m2时，送风温度取值范围为291～293,K，送风速度取值范围为0.3～0.35,m/s，或者送风温度取值范围为292～293,K，送风速度取值范围为0.2～0.35,m/s；

(3) 热源热指标为60,W/m2时，送风温度取值范围为292～293,K，送风速度取值范围为0.3～0.4,m/s．

6.2 双热源时参数取值范围的修正

图9～图12的结果是在单一热源的情况下得到的，双热源的影响可以通过对单一热源的结果进行修正来体现．依据第4.1节确定的反映置换通风特点的参数指标，综合考虑室内的舒适性，对比双热源与单一热源的有关研究数据，建议双热源各相关参数修正值如下：热力分层高度减少0.1～0.3,m，通风效率降低20%～30%，垂直温度梯度增大0.5～0.6,K/m，工作区平均风速减小15%～25%．

6.3 研究结果工程应用

本文的主要研究结果可以作为置换通风系统设计和校核时的理论参考依据．其主要作用有：①对置换通风系统送风参数进行设计；②对所设计的置换通风系统送风参数进行校核．具体的使用方法是：在进行送风参数设计时，通过已知的热源热指标，选定热力分层高度和通风效率等参数，然后可以通过查图确定送风温度和送风速度，对置换通风系统送风参数进行设计；在进行校核计算时，可以通过热源热指标、已经确定的送风温度和送风速度来查图得到热力分层高度、通风效率等参数的大小及变化情况，校核置换通风系统相关设计参数，检验其是否能够满足使用功能和舒适性等要求．

7 结 论

(1) 理论和实验研究表明，在置换通风条件下室内垂直方向上存在明显的热力分层现象，在整个工作区内温度梯度和气流速度均较小，舒适性较好．但分散的热源削弱了置换通风系统对室内空气的“置换”作用，存在不利影响．

(2) 综合热力分层高度、通风效率、垂直温度梯度和工作区平均风速的影响，送风参数建议在如下范围内选取：①热源热指标为23 W/m2时，送风温度取值范围为291～293 K，送风速度取值范围为0.2～0.4,m/s；②热源热指标为40,W/m2时，送风温度取值范围为291～293,K，送风速度取值范围为0.3～0.35,m/s，或者送风温度取值范围为292～293,K，送风速度取值范围为0.2～0.35,m/s；③热源热指标为60,W/m2时，送风温度取值范围为292～293,K，送风速度取值范围为0.3～0.4,m/s．

(3) 双热源的影响可以通过对单一热源的结果进行修正来体现．本文建议双热源各相关参数修正值如下：热力分层高度减少0.1～0.3,m，通风效率降低20%～30%，垂直温度梯度增大0.5～0.6,K/m，工作区平均风速减小15%～25%．

(4) 本文的主要研究结果可以作为设计和校核时的理论参考依据：在已知热源热指标，选定热力分层高度和通风效率等参数的情况下，可以通过查图确定送风温度和送风速度，对置换通风系统送风参数进行设计；也可以通过热源热指标、已经确定的送风温度和送风速度来查图得到热力分层高度、通风效率等参数的大小及变化情况，校核置换通风系统相关设计参数，检验其是否能够满足使用功能和舒适性等要求．

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Confirmation of Displacement Ventilation System Design Sending-Wind Parameters

MU Zhen-ying1，DIAO Nai-ren2，YOU Shi-jun1
(1. School of Environmental Science and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China)

For lack of codes and particular parameters of displacement ventilation design in China now，theoretical and experimental research has been conducted in the paper. Theoretical calculation model was first established and verified through experiment. Using the model，numerical simulation was carried out，and the results were used for follow-up analysis. Parameters reflecting the characteristics of displacement ventilation were determined，including thermal stratification height，ventilation efficiency，vertical temperature gradient，temperature and wind speed in working area. To facilitate engineering application，heat-source index was also defined，according to which the working conditions under study were set. The influences of heat-source parameters and sending-wind parameters on indoor air comfort were mainly studied. The reasonable design values of sending-wind and heat-source parameters were gained，and the correction method of reducing the impact of heat-source distribution was raised. The results can serve as a guide to the design and verification of the displacement ventilation system.

displacement ventilation；sending-wind parameters；heat-source index

TU831.8

A

0493-2137(2010)12-1123-08

2010-03-15；

2010-06-02.

国家科技支撑计划资助项目(2006BAJ04A15)．

穆振英（1978— ），女，博士，mzy0609@163.com．

由世俊，yousj@tju.edu.cn.