（人机与环境工程专业论文）置换通风系统热力分层高度的数值研究.pdf

南京航空航天大学硕士论文 i 摘 要 本文根据置换通风系统的工作原理，结合国内外置换通风发展的实际情况， 详细研究了置换通风系统的热力分层高度及其影响因素。目前，这方面的工作 国内尚处在起始阶段，因此本文的工作将对今后置换通风系统的工程设计具有 积极的意义。 本文的研究工作主要包括以下几个方面的内容： （1）综述了国内外相关的 研究现状和研究背景； （2）简介了置换通风的工作原理，并分析了它相对于混 合通风的优良特性及评价指标、末端装置等； （3）对采用置换通风方式房间的 温度场、速度场和气流分布进行了模拟计算与分析； （4）对采用置换通风方式 房间的热力分层高度进行了模拟计算，并分析其影响因素，如：送风温度、送 风速度、围护结构传热和热源分布等； （5）拟合了无量纲热力分层高度相应于 送风温度 t、送风速度 v、热源间距离 l 和围护结构传热 q 的经验公式。文中采 用了以两方程湍流模型为基础的壁面函数处理方法，对热浮升力项采用了 boussinesq 假设，得到了收敛的温度场、速度场分布。在此基础上，给出了热 力分层高度的计算方法，并分析了送风温度、送风速度、围护结构传热和热源 分布等因素对热力分层高度的影响。本文的工作可为设计者提供有价值的设计 参数和设计依据。 关键词：置换通风 数值模拟 湍流模型 热力分层高度 热舒适性 置换通风系统热力分层高度的数值研究 ii abstract according to the working principle of displacement ventilation system and domestic research,this paper studies the thermal stratification height of displacement ventilation system. there is no thoroughly rounded theory about displacement ventilation system in our country at present and our research begins recently.the study work of this paper will be useful for further optimization design of displacement ventilation system. this dissertation includes five parts.the first part introduces the development of the displacement ventilation and the background of research in domestic and oversea.in the second part,it gives working principle of displacement ventilation system and its advantages to the mixture ventilation. the study also gives a series of indexes to evaluate displacement ventilation system and specifies air supply terminal device and so on.it is needed to simulate and analyse the velocity field,temperature field and distribution of flow field.this is the third part.the forth part specifies the simulative method for thermal stratification of displacement ventilation system.it gives some factors affecting thermal stratification height such as inlet temperature, inlet velocity,heat transfer of wall body,distance of heat source and so on. in the last part, an experiential formula for nondimensional thermal stratification height is obtained ,which includes inlet temperature t, inlet velocity v,heat transfer of the wall body q and the distance of heat source l.in order to obtain a more realistic result,the model is used to simulate the airflow and the buoyancy item is treated by boussinesq hypothesis.the paper investigates the flow field of the displacement ventilation in an office by a numerical method. the results of calculation are useful for optimization design of system. keywords:keywords: displacement ventilation, numerical simulation，turbulence model, thermal stratification height，hot comfortableness 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。 尽我所知， 除文中已经注明引用的内容 外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 置换通风系统热力分层高度的数值研究 vi 图表目录 图 2.1 置换通风的工作原理 . 6 图 2.2 置换通风房间的站姿人员示意图. 7 图 2.3 置换通风房间垂直温度梯度. 9 图 2.4 置换通风速度、温度及浓度的分布. 9 图 2.5 置换通风热污染源污浊空气分布. 10 图 2.6 污染源为非最高发热源时，置换通风室内污浊空气分布. 10 图 2.7 置换通风状态下人体周围空气的自然对流.11 图 2.8 置换通风状态下室内空气的自然对流.11 图 2.9 标准室温下物体的自然图对流流量.11 图 2.10 标准室温下对流量sl /20时人体上部的烟羽.11 图 2.11 点、线源自然对流射流. 12 图 2.12 置换通风热力分层 . 12 图 2.13 示踪气体浓度衰减曲线. 14 图 2.14 四种通风方式的换气效率. 15 图 2.15 冷气流下沉流型及分层. 16 图 2.16 不同 ar 值时 x u 的衰减. 18 图 2.17 不同 ar 值时 0.1m 标高气流速度分布 . 18 图 2.18 六种不同落地散流器外型. 19 图 3.1 三维离散网格 . 37 图 4.2 z0 面上的温度分布. 43 图 4.3 z0 面上的速度分布. 44 图 4.4 z1.825 截面温度分布. 44 图 4.5 z1.825 截面速度分布. 44 图 4.6 数值模拟测点的位置分布. 45 图 4.7 室内模拟测点的温度分布. 46 图 4.8 a 点温度的拟合曲线. 48 图 4.9 不同送风量工况下的温度分布. 50 图 4.10 不同送风量工况下的温度拟合曲线. 50 图 4.11 不同送风温度工况下的温度分布. 52 南京航空航天大学硕士论文 vii 图 4.12 不同送风温度工况下的温度拟合曲线. 52 图 4.13 热源在不同位置示意图. 53 图 4.14 热源在不同位置时的温度分布. 55 图 4.15 热源在不同位置时的温度拟合曲线. 55 图 4.16 围护结构不同传热功率时的温度分布. 56 图 4.17 围护结构不同传热功率时的温度拟合曲线. 57 图 4.18 射流热源在房间内的分布. 58 图 4.19 不同热源射流工况下的温度分布. 58 表 2.1 欧洲及国际标准中的舒适性指标. 7 表 2.2 置换通风和混合的特性比较. 12 表 3.1 标准模型中的参数. 32 表 3.2 rng 模型中的参数 . 33 表 3.3 三维直角坐标下的控制方程. 36 表 4.1 室内热源功率 . 42 表 4.2 室内模拟测点的温度 . 45 表 4.3 a 点处温度值分布. 47 表 4.4 拟合多项式的系数 . 48 表 4.5 不同送风量工况下的热力分层高度. 50 表 4.6 不同送风温度工况下的热力分层高度. 52 表 4.7 不同热源距离工况下的热力分层高度. 55 表 4.8 不同围护结构传热工况下的热力分层高度. 57 表 4.9 不同射流速度工况下的热力分层高度. 59 表 4.10 不同工况所对应的无量纲热力分层高度. 59 表 4.11 不同n的取值. 60 表 4.12 系数 i a的取值. 61 表 4.13 经验公式计算值和数值计算值的对比. 62 表 4.14 实验结果与经验公式计算值的对比. 62 置换通风系统热力分层高度的数值研究 viii 符号表 英文字母 a 离散方程的系数 a 面积 r a 阿基米德数 g 重力加速度 j 雅可比行列式 m l 混合长度 p 压力 e r 雷诺数 s 源项 u x 方向速度 v y 方向速度 w z 方向速度 u 方向的速度 v 方向的速度 w 方向的速度 t 时间 , ,x y z 直角坐标 希腊字母 , 网格系数 换热系数 k 湍动能 剪切层厚度 剪切应力 prandtl数 动能耗散率 t 温度 导热系数 变量 南京航空航天大学硕士论文 ix 密度 动力粘度 名义扩散系数 , , 贴体坐标 上标 0 初始值 * 上层迭代值 修正值 平均值 下标 e 控制容积东侧界面 e 东侧相邻节点 eff 有效值 max 最大值 min 最小值 h 控制容积顶侧界面 h 顶侧相邻节点 l 控制容积底侧界面 l 底侧相邻节点 n 控制容积北侧界面 n 北侧相邻节点 p 主节点 s 控制容积南侧界面 s 南侧相邻节点 t 湍流 w 控制容积西侧界面 w 西侧相邻节点 注：若文中另有说明，则以文中为准。 南京航空航天大学硕士论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 随着人类文明的进步和科技的发展，人们对自己工作、学习、生活环境的 要求越来越高。而一个舒适的环境对于保证身心健康、提高生活品质和劳动效 率都有着重要意义。为实现高质量的室内空气环境，制冷空调系统已被广泛采 用。同时，人们对地球环境的关注越来越高，对环境保护的呼声也日趋强烈， 这要求采用节能的、健康的、可持续发展的策略来进行空调设计。 我国提出了长期的经济发展目标，即本世纪中叶赶上中等发达国家水平。 社会经济的发展必将伴随着巨大的能源消费需求。能源是国民经济的基础产业， 也是公用事业，更是经济发展和提高人民生活水平的物质基础。人类社会的进 步与能源的发展密切相关。我国制定的“二十一世纪议程”和“九五计划”及 “2010年远景规划”中都把能源和环境保护列为最优先的发展领域。 我国是一个拥有12多亿人口的发展中国家，是一个以煤炭为主要能源结构 的能源生产消费大国。目前，煤炭提供76%的发电能源，到2020年煤电的使用仍 高达60% 1，煤电的使用导致so 2、nox、co2和烟尘大量排放，给环境保护造成 巨大的压力。我国大部分地区的绝大多数空调系统直接利用电能制冷。空调系 统的节能，相当于间接减少了so2、no x、co2和烟尘的排放，这对环保有利。 目前世界发达国家的民用耗能率高达总耗能量的1/3左右，其中绝大部分又 消费在建筑物上，各国为推动建筑节能的进展，相继制定和颁布了一系列的建 筑节能法规、标准和指导性文件。我国政府积极倡导和努力实施节约能源、保 护环境的政策，颁布了中华人民共和国节约能源法和一系列建筑节能规范。 建筑的节能是一项复杂的系统工程，包括各种综合性的技术，包括建筑物 本身和空调系统、设备的节能 2 。就空调系统而言，空调系统节能不仅与建筑 节能有关，如：建筑物的朝向和平面布置、维护结构的保温性能、窗户的隔热 和建筑物遮阳等等；而且也与运行节能有关，这包括采用降低室内设计标准、 减少新风量的方法，采用天然冷源，过渡季节采用室外新风自然冷却、冷却塔 供冷技术，采用建筑设备控制自动化技术，热回收技术（例如从排风中回收热 量）等等。 空调普及率的日渐提高，使人们对环境的舒适性也提出了更高的要求，在 强调节能的同时，也要求建筑物有适宜的热环境、光环境、声环境和空气环境。 空调作为调节室内热环境和空气环境的有效手段得到了前所未有的发展，但随 置换通风系统热力分层高度的数值研究 2 之而来的是能耗的增加和环境的污染。大量空调的应用也带来了所谓的建筑空 调综合症问题，即长期生活在空调建筑物环境中的人们出现了某些症状，如疲 劳、易感冒、头痛、恶心等。其主要原因是空调建筑物室内的空气品质差，人 们得不到足够的新鲜空气。为此，采用新的节能的空调方式，选用更节能的空 调产品，是空调系统节能的一项重要、有效的措施。在某些场合，置换通风 （displacement ventilation，dv）正是这样一种较好的空调方式。 1978年德国柏林的一家铸造车间首次采用了置换通风系统，从那以后，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。目前 置换通风在北欧国家占据了50的市场，新建的办公楼中约有5070采用 置换通风系统 3 。北欧位于严寒地区，围护结构严密，保温性能良好，夏季空 调冷负荷较少，能更多利用户外空气的自然冷源以节省人工制冷，这就为置换 通风系统的使用提供了有利条件。置换通风在我国也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相比较，能使室内工作区得到较高的 空气品质、较好的热舒适性并具有较理想的通风效率。 置换通风的基本特征是水平方向会产生热力分层现象，下送上回的特点决 定了空气在水平方向会分层，并产生温度梯度。如果在底部送新鲜的冷空气， 那么最热的空气层将出现在顶部。置换空气在水平方向汇入上升气流，由于送 风量有限，在某一高度送风会产生循环，我们把产生循环的分界面高度被称为 “分界高度” 。这样，就形成了两个区域的气流形式，底部区域是相对清洁的空 气，上部区域存在更多的污染。置换通风的工作原理决定了它的两个主要的特 性： （1）置换通风是一种高舒适性的空调系统。由于送风速度低，紊流度低， 不产生吹风感，因此舒适性很高；新鲜空气先经过人员活动区，污染物随热气 流上升后排出，所以能提供良好的空气品质。 （2）置换通风是一种节能的空调 方式。只需保证工作区的设计参数，送风温度高，而上部空间不需要进行空调， 相对于混合通风，可以减少冷负荷，特别对于高大空间建筑物，此特点更明显。 置换通风的节能特性主要表现在： （1）送风温差小，送风温度高，处理新 风所需的能耗降低约 20%； （2）送风温度高，过度季节免费供冷时段增加约 50%， 带来全年供冷能耗降低约 10%； （3）由于送风温度高，冷水机组的蒸发温度可提 高，冷水机组的能耗可降低约 3%； （4）由于仅需考虑人员停留区负荷，上部区 域负荷可不必考虑，设计负荷可减少 1040%。综上所述，置换通风所需的能耗 比混合通风减少约 20%30%。 因此，深入研究置换通风系统，研究置换通风热力分层高度的特性，保证 热力分层高度高于工作区的高度，使置换通风可提供优良空气品质和节能的特 性得以充分发挥，具有非常重要的意义。1998 年 11 月在武夷山举行的全国暖通 南京航空航天大学硕士论文 3 空调制冷学术年会上，置换通风专题分组会上就有学者提出过该问题。西安建 筑科技大学马仁民 4 教授曾对此问题作出过初步的解答。本文将运用数值模拟 的方法就此问题作深一步的研究和探讨。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究状况 20 世纪 70 年代末，置换通风首先在北欧发展起来。1978 年德国柏林一个 焊接车间首次使用了置换通风方式。20 世纪 80 年代中，该空调方式又被用于办 公室等商业建筑中。而将这种通风方式上升到工程技术和学术高度则是在 1987 年北欧学者 p.v.nielsen 5，m.undt.elisabeth6等的研究之后。1990 年后， 北欧的空调末端设备厂商的产品技术已基本确立，hakon skisad 从理论到实践 对置换通风做了系统的归纳和整理 7。与此同时，瑞士、德国等研究人员用实 验测试和理论分析的方法，对置换通风的许多方面，特别是在空气品质和热舒 适性方面进行了细致的研究；并在此基础上将其应用到部分办公室和会议室中， 以配合相应的空气处理设备和控制手段来进行调节，取得了理想的效果。日本 和美国也在二十世纪九十年代初，出于改善室内空气品质的目的，开始关注这 种通风形式，并结合各自建筑的实际情况，展开相应的实验与数值模拟，进一 步完善了各项技术。 在过去的十几年里，国外对置换通风系统做了大量的研究 8 。代表性的工 作有：英国的 bsria(building service researcand information association) 对部分置换通风系统进行了实地测试和计算机预测,并将两个结果的温度场和 速度场进行了比较，用于预测热舒适度；挪威的 sintef(the foundation for industrial and technical research at the norwegian institute technology) 对已有的置换通风系统进行了大量的实地测试，并对几种典型场所提出了置换 通风系统的设计原则；法国最大的企业之一法国电力(edf)出资支持法国第三 大国立实验室 let(laboratoired etude thermique)进行置换通风的全面的、系 统性的研究,建立了置换通风实验台，侧重于对置换通风系统的干扰因素如送风 量、热气流流量和热气流温度等对置换通风系统的影响进行了细致研究和系统 的计算机仿真，开发了仿真软件，为置换通风系统的合理设计提供依据。 在热源位置对温度场影响方面，文献9应用 cfd 方法研究后指出：热源所 处高度的变化，将对室内温度场产生较大的影响。随着热源所处高度的增加， 热力分层高度也随之提高，同时在热源上方产生较大的温度梯度。 置换通风系统热力分层高度的数值研究 4 在置换通风与冷却顶板相结合方面，文献10将该方式与传统混合通风作 了全面比较并得出结论：前者节能 37左右。 1.2.2 国内研究状况 国内对置换通风的研究起步较晚。但许多学者就置换通风系统中有关问题 分别做了相应的研究和讨论。如：同济大学建立气流实验室对置换通风气流特 性进行了实验研究，同时开展了置换通风空调系统的应用研究，并与企业合作 开发了具有国际先进水平的“置换通风装置系列产品” ，填补了国内空白。东华 大学则多次参与法国 let 实验室关于置换通风系统干扰因素的实验研究，例如： 东华大学的倪波教授对单一热源情况下的垂直方向温度梯度和三维温度场进行 了实验研究，并对不同围护结构和不同的外环境温度作了 4 个对比实验 8。华 中科技大学的张俊梅等应用 cfd 技术对置换通风系统的参数设计进行了研究 11 ，提出置换通风系统各项参数的确定方法，使得设计的系统既能保证室内较 高的空气品质，又能防止出现垂直温差过大及吹风感等现象。同济大学的李强 民，天津大学的朱能、刘珊等人把置换通风系统与冷却顶板结合起来 12 13 ，使 置换通风的理论研究和实际应用更向前推进了一步。随着计算流体力学的广泛 运用，国内相应开展了大量置换通风流场、温度场、浓度场和含湿量分布的数 值模拟研究，并取得了不少重要成果 14 17 。 1.3 本文拟采用的研究手段 置换通风在 20 多年的发展历程中，实验研究是研究置换通风特性的基本手 段。 随着 cfd/nht 技术的发展，数值研究的相对于实验研究有许多突出的优点： （1）相对研究成本低； （2）无干扰且安全； （3）能得到整个流场的详细信息； （4）可以直接计算实际大小的模型，不需要缩比模型，避免不必要的误差； （5） 缩短设计周期和降低设计费用。以文献8的实验为例，其实验装置是按房间尺 寸缩小比例的模型，且成本昂贵，其实验条件在国内很难达到，因此本论文将 采用数值研究的方法。 相对于传统的混合通风方式，节能和良好的空气品质是置换通风的两大突 出优点，而流场分布直接影响置换通风两优点的实现。事实上，影响置换通风 流场分布的因素很多，例如送风温度、送风速度、末端装置、太阳辐射等等， 有些影响因素之间还是耦合的，这些因素对于流场分布的影响，很多情况下只 南京航空航天大学硕士论文 5 能给出定性的分析，很难给以定量的说明。 热力分层高度是置换通风流场分布的标志，也是置换通风系统设计中的重 要参数，不同影响因素对流场的影响将通过热力分层的高低反映出来，事实上， 也只有掌握了分层高度随影响因素的变化关系，我们才可能设计自控线路，自 动调节送入室内气体的相关参数，使节能和高空气品质的同步实现。因此，本 论文主要工作将围绕建立热力分层高度与流场影响因素之间定量关系来开展， 重点导出热力分层高度与流场影响因素之间关联式。为此，本文将首先就不同 因素对热力分层高度的影响逐一进行定性分析，并在此基础上采用数据拟合的 方法来建立热力分层高度与其影响因素之间的关联公式。 1.4 本文所做的主要工作 从以上的介绍中，我们可以知道，对于置换通风而言，分层高度的确定是 一项十分有意义的工作。因此，本文通过数值模拟的方法研究置换通风房间的 热力分层特性，得出房间内的温度分布图和气流分布矢量图，在此基础上来研 究热力分层高度的特点。本文的研究工作主要包括以下几方面的内容： （1） 综述了国内外研究现状和研究背景。 （2） 介绍了置换通风的工作原理，并给出了它相对于混合通风的优良特 性以及置换通风的评价指标、末端装置等。 （3） 置换通风房间的温度场、速度场和气流分布的数值模拟与分析。 （4） 置换通风房间热力分层高度的数值计算。 （5） 置换通风热力分层高度的影响因素分析，包括送风温度、送风速度、 围护结构传热和热源分布等。 （6） 根据送风温度、送风速度等对热力分层高度影响的分析，拟合无量 纲热力分层高度的经验公式。 置换通风系统热力分层高度的数值研究 6 第二章 置换通风的特性 2.1 置换通风的工作原理 自1978年德国柏林的一家铸造车间首次采用了置换通风系统以来，置换通 风系统在工业建筑、民用建筑及公共建筑中逐渐得到广泛的应用。特别是在北 欧一些国家，现在大约有50%的工业通风系统、25%的办公室采用的是置换通风 系统 18 。在中国，也有一些工程开始应用置换通风技术。 图2.1 置换通风的工作原理 在置换通风系统中，新鲜的冷空气由房间底部以极低的速度送入（0.03 0.2/） ，送风温度与室温接近，送风温差仅为24，送入的新鲜空气因密 度大而像水一样弥漫在整个房间的底部，形成了“空气湖” 。当遇到热源时， 冷空气被加热，以自然对流的形式向上慢慢升起，污染物也同时被携带向房间 的上部移动，脱离人的停留区，最后将余热和污染物推向天花板，排风口被设 置在天花板或房间的顶部，直接将污浊的空气排出。这种通风形式不完全受送 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, 在顶部形成一个 热浊空气层。如果烟羽流量在近顶棚处大于送风量，必将有一部分热浊气流下 降返回。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，此标高即为热力分层高度。在稳定状态 南京航空航天大学硕士论文 7 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，如图2.1所示。 在这两个区域中，空气温度场和浓度场有着非常明显不同的特性，下部单 向流动区存在一明显垂直温度梯度和浓度梯度，而上部紊流混合区的温度场和 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，就可以保证人体处于一个相对清洁的空气环境中， 从而有效地提高工作区的空气品质，图2.2显示了站姿人员在置换通风房间处于 热力分层高度以下的情形。 图2.2 置换通风房间的站姿人员示意图 置换通风在舒适度方面的问题主要是吹风感和竖直温差。置换通风由地面 附近将低于室温的空气送入人体活动区，因此会产生垂直方向的温度梯度，使 人感觉头暖脚寒，这与人的头寒脚暖的舒适要求相悖。因此，iso7730规定要求： 1.1与0.1高处的温差必须小于3 19。需特别指出的是，0.1高度左右是 人的脚踝所在高度，而人的脚踝对冷风又较为敏感，因此，送风风速不宜超过 0.5/，以免使人产生吹冷风的感觉。 由于置换通风在我国尚属起步阶段，现有的通风空调设计手册及暖通设计 规范尚未作出相应的规定。欧洲及国际置换通风舒适性指标如下表2.1所示： 表2.1 欧洲及国际标准中的舒适性指标 舒适指标 din 1946/2 (1/1994) sia * v382/1 (1992) cibse * (1990) iso 7730 (1990) 1 . 01 . 1n ?t tt= 2 2 3 3 1 . 0 t 21 19 20 - 室内下部区域的温度梯度的大小与室内负荷和送风量有关，基本规律是： 置换通风系统热力分层高度的数值研究 8 随送风量的增加，室内温度梯度减小；随室内负荷量的增大，室内温度梯度变 大。在北欧的一些国家，由于地理位置上处于寒冷地区，围护结构严密，保温 性能良好，夏季空调冷负荷较少，能更多地利用户外空气的自然冷源以节省人 工制冷，这就为置换通风系统的使用提供了有利条件。 一般来讲，室内负荷一定时，垂直温度梯度随送风量的增加而减小，而与 送风温度关系不大，有实验表明 20 ，当送风温度提高到23时，室内温度分布 与送风温度为22时的室内温度分布趋势基本相同，只是整体温度值升高，室 内温度梯度基本保持不变。受房间内垂直温度梯度和送风速度的限制，置换通 风的制冷能力受到了一定的限制。当室内负荷较大时，必须使用单独的制冷设 备来消除部分室内负荷。常用的方法是将冷却吊顶与置换通风系统相结合，由 冷却吊顶负担大部分室内负荷，置换通风系统仅负担小部分负荷和提供有效的 通风，保证室内空气品质。冷却顶板主要是利用冷辐射进行传热 ,对流传热量 较小，可以不影响置换通风的流型,且冷辐射可以进一步削减垂直温度梯度,从 而可以提高舒适度。此外，地板供冷/置换通风系统也能较好的解决室内负荷较 大的情况 21。 2.2 置换通风的特性 置换通风与传统混合通风因通风空调方式的机理和目的不同，造成了两者 之间特性的差异。置换通风是依靠浮力作用产生上升气流为空气运动机理，其 目的是以人为主体，以解决室内人员工作区空气质量为主，来达到消除室内余 热和污浊空气的通风空调方式。传统混合通风是依靠惯性力作用产生室内空气 的稀释混合为空气运动机理，其目的是以建筑物室内空间为主休，整体消除室 内余热和污浊空气以满足整个室内的舒适性和空气品质要求的通风空调方式。 以下详细讨论置换通风的特性及其与混合通风的差别。 2.2.1 温度、速度及浓度的分布 2.2.1.1温度分布 置换通风室内空气温度分布特征为：除热源附近，水平方向同一高度平面 上空气几乎无差别，在垂直方向上室内温度基本上分为三个温升阶段地板面 空气层温升段、工作区温升段和上顶部区温升段。 南京航空航天大学硕士论文 9 图2.3 置换通风房间垂直温度梯度 如图2.3 18 所示，室内的温度梯度由3部分组成。即出风后地表层的温升 0.10.1s ttt=；工作区温升 1 . 01 . 1 tttn=；室内上部温升 1 . 1 ttt pp =。室内送排 风温差 sp ttt=，该值表示送风吸收室内全部的热量。工作区温升 tctkts+=，该值由地面区温升tk和停留区温升tc两部分组成，上部区温 升 p t表示房间顶部热量被顶部气流所吸收。 2.2.1.2速度、浓度的分布 图2.4a表示两种通风方式的温度分布曲线，图2.4b表示的是室内速度分布 曲线，图2.4c表示的是室内的浓度分布曲线 18。 由浓度分布曲线可以看出，随室内污染源的温度和散发污浊空气的密度不 同，室内浓度的分布也不同。室内污染源为人体时，污染源与热源为一体，即 称为热污染源，此时置换通风室内的污浊空气分布有赖于污染源所在的位置。 图2.4 置换通风速度、温度及浓度的分布 置换通风系统热力分层高度的数值研究 10 在理想状况下，热污染源发出的污浊空气将随着周围空气的对流夹带入上 部污染区域，室内将形成明显的上、下两个浓度相差较大的区域，如图2.5所示 56 。当污染源均布在室内地板面且温度较低时，室内的污浊空气浓度分布就犹 如温度分布一样。当上升的热烟较弱时，污浊空气将在室内较低的高度扩散开， 慢慢地间接由其热源产生的较强烈上升烟羽，夹带到顶部区域。 图2.5置换通风热污染源污浊空气分布 在室内污浊空气的浓度分布中，围护结构的负荷对分布影响较大。如图2.6 所示 56 ，当围护结构温度较低时，沉积在上部区域的热浊空气因为温度的降低 而密度增大，这将使污浊空气向下沉降，而不利于污浊空气的排放。当围护结 构温度较高时，污浊空气则因空气温度提高而密度减小，这将使污浊空气向上 升高，使顶棚处浓度增加，这有利于污浊空气的排放。 图2.6 污染源为非最高发热源时，置换通风室内污浊空气分布 2.2.2 自然对流 图 2.7 和图 2.8 表示了室内热源周围的自然对流现象 56 。置换通风是以浮 力作用为动力源而形成空气自然对流为主要特征的通风空调方式。当室内的人 或者发热设备的温度高于周围室内温度形成热源时，室内空气将沿着热源周围 进行自然对流换热，换热后的热源周围空气如烟羽状自然上升，从而使热源周 围空气形成自下而上的对流射流，并夹带着热源周围空气一起升至房间顶部。 这时自然对流形成了室内下部区域温度低而顶部区域温度高的现象。 南京航空航天大学硕士论文 11 图2.7 置换通风状态下人体周 围空气的自然对流 图2.8 置换通风状态下室内空气的自 然对流 文献22分别对点、线、水平面和垂直平面形式的热源，以及各类热源间 的相互影响形成的室内空气流动状况进行了深入的研究，并给出了具体的计算 自然对流流量的公式，而且还通过实验给出了各类热源的自然对流量，如图 2.9 和图 2.10 所示，图 2.11 给出了点、线热源自然对流射流的情况 56 。 图2.9 标准室温下物体的自然图对 流流量 图2.10标准室温下对流量sl /20时 人体上部的烟羽 2.2.3 热力分层 假定置换通风系统通送风量为 s q，热源产生的自然对流射流量即热烟羽流 量为 r q，在热源周围自然对流射流形成的初期阶段，热烟羽