氣流組織

通風(fēng)過程與氣流組織的關(guān)系

研究背景

在給定條件下，氣流組織形式確定之后，通風(fēng)空間的氣流流場(chǎng)也就隨之確定，那么通風(fēng)過程也就確定。因此，所有流體元素自進(jìn)入通風(fēng)空間到離開，所經(jīng)歷的時(shí)間（即駐留時(shí)間）均值即為定數(shù)。但是，每一種流體元素在室內(nèi)的駐留時(shí)間是隨機(jī)變量，若以τ表示，則τ=0～∞，駐留時(shí)間的分布函數(shù)F（τ）可以表示成：

（1） 當(dāng)采用示蹤氣體法來測(cè)量通風(fēng)過程時(shí)，由于示蹤氣體（如CO₂）在通風(fēng)氣流中的濃度具有線性累加特性，因此，可以直接采用排風(fēng)管內(nèi)的濃度Ce(τ)/Ce(∞)來表示駐留時(shí)間的分布函數(shù)，即 F（τ）= Ce(τ)/Ce(∞)。

（2） 上式在Ce(τ)和Ce(∞)分別為排風(fēng)管內(nèi)時(shí)刻τ和時(shí)刻∞的濃度。

（3） 研究表明，在給定條件下，值大小完全由氣流組織所確定，如果流場(chǎng)中的回流和渦流比較多，那么值比較大，通風(fēng)過程就比較慢。反之，值比較小，通風(fēng)過程就比較快。當(dāng)流場(chǎng)中的回流和渦流趨近于零時(shí)，流場(chǎng)成為完全單向流，此時(shí)值最小，通風(fēng)過程最快。所以，駐留時(shí)間均值是度量通風(fēng)過程的良好尺度。

通風(fēng)效果與通風(fēng)過程的關(guān)系

我們利用通風(fēng)過程方程式來描述通風(fēng)過程，假設(shè)通風(fēng)空間體積V，有害物質(zhì)發(fā)生量，通風(fēng)量L及通風(fēng)時(shí)間τ，根據(jù)質(zhì)量守恒，得到通風(fēng)過程方程式：（1）式中M（τ）為室內(nèi)時(shí)刻τ的有害物累積量。當(dāng)τ=∞時(shí)，通風(fēng)過程達(dá)到平衡狀態(tài)，則可解出室內(nèi)平均濃度；（2）式中TV=V/L，稱為通風(fēng)過程額定時(shí)間常數(shù)。由于室內(nèi)平均濃度是評(píng)價(jià)通風(fēng)效果的主要指標(biāo)，所以式（2）正好表明了通風(fēng)效果與通風(fēng)過程的相關(guān)關(guān)系?？梢钥闯鲇?，通風(fēng)過程愈快，通風(fēng)效果愈好。

通風(fēng)效率

不難看出，通風(fēng)效果取決于通風(fēng)過程，而通風(fēng)過程又完全由氣流組織所確定。因此，為了考慮氣流組織對(duì)通風(fēng)效果的影響，引出通風(fēng)效率的概念。眾所周知，當(dāng)室內(nèi)氣流為完全單向流時(shí)，流場(chǎng)中無回流和渦流，所以駐流時(shí)間均值最小，而且沿流動(dòng)方向的濃度呈線性增加，在排風(fēng)管內(nèi)達(dá)到最大值。通風(fēng)效率是表示某一氣流組織與單向流的接近程度。 以上分析表明，對(duì)于以排除有害物質(zhì)為主要目的的室內(nèi)通風(fēng)，為了提高通風(fēng)效率，氣流組織型式應(yīng)盡量接近單向流，如采用局部單向流通風(fēng)、矢流送風(fēng)以及吹吸式通風(fēng)等。但必須指出，這些通風(fēng)效率比較高的氣流組織型式，必須有性能良好的末端裝置與之相配合。

氣流組織形式對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境影響的數(shù)值模擬

不同的氣流組織方式會(huì)形成不同的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、相對(duì)濕度、潔凈度或有害物濃度場(chǎng)，直接影響通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的效果與經(jīng)濟(jì)性。對(duì)置換通風(fēng)與其它通風(fēng)方式的全面比較研究較少。研究應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法，以辦公室內(nèi)的實(shí)際情況，進(jìn)行不同氣流組織方案下的通風(fēng)效果模擬。

物理模型及簡(jiǎn)化假設(shè)

本文研究辦公室內(nèi)四種氣流組織的物理模型：混合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模型A(上送上回式)；混合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模型B(側(cè)送側(cè)回式，回風(fēng)口在墻上部)；混合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模型C(側(cè)送側(cè)回式，回風(fēng)口在墻下部)；置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模型D(表1)。氣流組織形式D見圖1(其余三種模型只是風(fēng)口尺寸與位置有差別)。辦公室及其設(shè)備模型取自典型的Sebric置換通風(fēng)測(cè)試算例。

為簡(jiǎn)化模型并減少計(jì)算量，必須對(duì)實(shí)際的室內(nèi)氣流做一些假設(shè)：a.連續(xù)性的介質(zhì)；b.定常的流場(chǎng)，實(shí)際情況中，氣流經(jīng)各送風(fēng)口以均勻的速度送入室內(nèi)，一段時(shí)間后，送風(fēng)空氣與室內(nèi)空氣充分混合，室內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)房間的流場(chǎng)可視為定常流(沒有外部氣流的干擾)；c.空氣視為不可壓縮；d.墻壁、天花板和地板的假設(shè)。房間類型為辦公室，各物理模型根據(jù)實(shí)際情況取不同的邊界條件。為簡(jiǎn)化影響因素，選擇位于四面及樓上樓下均有相鄰房間的建筑物內(nèi)區(qū)，因此不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱。

室內(nèi)溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)分析

（1）對(duì)于散流器送風(fēng)的形式 A，氣流由方形散流器垂直射入室內(nèi)，受浮升力及射流不斷卷吸周圍空氣的影響，射流速度逐漸減小，受到地面的阻礙后轉(zhuǎn)向兩側(cè)流動(dòng)。由于墻壁和室內(nèi)障礙物的阻礙及熱源的影響，氣流在室內(nèi)會(huì)形成多個(gè)回流區(qū)。在送風(fēng)口下方的氣流速度比周圍的大得多，使室內(nèi)人員有明顯的吹風(fēng)感，影響其舒適度。

（2）對(duì)于形式 B，氣流水平射入，受重力作用呈拋物線流動(dòng)，但又受浮升力作用，速度逐漸減小，一部分氣流遇到障礙物后向近壁面(右墻 )流去，另一部分“拋物”氣流遇地面改變方向，向左壁面流去，碰到壁面開始爬升，使左下部出現(xiàn)回流現(xiàn)象。一部分氣流水平射入后，受到出口的卷吸作用直接流出房間，即短流現(xiàn)象，使送入的新鮮空氣部分流失而造成能源損失。通觀房間對(duì)稱面全場(chǎng)，氣流速度差別過大，舒適度也不高。

（3）對(duì)于形式C，與B相比，由于回風(fēng)口的位置布置在對(duì)面墻壁的下方，送入的新鮮空氣不會(huì)直接流出房間。送風(fēng)氣流與室內(nèi)空氣混合更好，使室內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布更均勻，但兩者氣流分布的情況差別不大。

（4）對(duì)于形式 D，室內(nèi)氣流以類似層流的活塞流狀態(tài)緩慢向上移動(dòng)，溫度由下至上逐漸升高，呈明顯層狀分布。由于新風(fēng)的溫度低于室內(nèi)溫度，相對(duì)密度較高，進(jìn)入房間后先向下流動(dòng)，停留在室內(nèi)地板上，形成一個(gè)“新風(fēng)湖”。當(dāng)氣流到達(dá)一定高度遇到障礙物和熱源(如人體、計(jì)算機(jī))時(shí)，新風(fēng)受熱上升，降低發(fā)熱物體的表面溫度，帶走熱量。人體及計(jì)算機(jī)等熱源周圍特別是頂部區(qū)域，隨高度增加溫度明顯上升，形成“熱羽”區(qū)域，正是以“熱羽”形式的上升氣流，將周圍熱空氣卷吸其中，逐漸上升并最終通過回風(fēng)口排出房間，在工作區(qū)域內(nèi)形成典型的“置換”流動(dòng)。

研究結(jié)論

置換通風(fēng)方式在污染物的排除及熱舒適等方面優(yōu)于其它氣流組織形式?；旌贤L(fēng)的不同氣流組織形式，通風(fēng)效率與熱舒適效果存在差異。選擇適宜的氣流組織形式具有十分重要的意義。

氣流組織是指對(duì)氣流流向和均勻度按一定要求進(jìn)行組織。同時(shí)由回風(fēng)口抽走空調(diào)區(qū)內(nèi)空氣，將大部分回風(fēng)返回到空氣處理機(jī)組（AHU），少部分排至室外。