第三章 室内空气污染控制的通风空调技术.ppt

室内污染控制与洁净技术 第三章室内空气污染控制的通风空调技术 自然通风控制技术 3 1 机械通风控制技术 3 2 通风控制室内污染物的效果分析 3 3 换气效率与通风效率对室内空气质量的影响 3 4 特殊建筑 空间 环境中空气污染控制技术 3 5 第三章室内空气污染控制的通风空调技术 3 5 概述 室内空气污染物可以用通风空调的方式加以控制 使污染物在室内的浓度低于卫生要求的标准 通风空调的任务就是要向室内提供冷量或热量 稀释并除去室内的污染物 以保证室内具有适宜舒适的条件和良好的空气品质 1 通风在控制室内空气污染物的工作中的作用 对工业建筑 主要是要消除室内的余热余湿 粉尘 有害气体 汽 体 对于民用建筑 主要是消除室内厨房的油烟和室内的余热余湿以及新装修的建筑内有害微元 对商业建筑以及高层建筑还有防火排烟等方面的问题 需要用通风方法解决 第三章室内空气污染控制的通风空调技术 2 空调的作用 空调有舒适性空调和工艺性空调之分 舒适性空调主要的控制目标是室内的温度 湿度 洁净度和室内空气流动的速度 工艺性空调 不仅要控制上述的 四度 此外 对工业污染物也有严格的控制 取决于工艺过程中的要求 工艺性空调的系统结构与设计方法上都有较大的不同 对室内压力梯度的控制有极其严格的控制要求 空调系统在设计上与通风系统有较大的不同 其空气处理过程也相应的复杂一些 第三章室内空气污染控制的通风空调技术 自然通风依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压使空气流动 以达到提供给室内新鲜空气和稀释室内气味和污染物 除去余热和余湿的目的 其特点是 简单易行 节约能源 有利于环境保护 3 1 1热压 风压作用下的自然通风自然通风按工作原理可以分为 热压作用下的自然通风 图3 1 风压作用下的自然通风 图3 2 热压风压共同作用下的自然通风 图3 3 图3 1热压作用下的自然通风 图3 2风压作用下的自然通风 风压 热压值 P作用在建筑物的窗孔或门洞上就会使空气产生流动 流过窗孔或门洞的阻力等于 P P 2 2 3 1 上式可以改写为 式中 P 窗孔两侧的压力差 Pa 空气流过窗孔时的流速 m s 空气的密度 kg m3 窗孔的局部阻力系 窗孔的流量系数 值的大小与窗孔的构造有关 一般小于1 通过窗孔的空气量 热压作用下的自然通风 热压作用下的自然通风是由于室内外存在温差和进排气口高度差造成的 从图3 1可见 只要室内温度tn大于室外温度tw 室外空气柱压力Pa大于室内空气柱压力Pa 同时开启窗孔a b 空气将从窗孔a流入 从窗孔b流出 直到窗孔a的进风量等于窗孔b的排风量时达到平衡 因此 影响热压通风的主要因素是 窗孔位置 两窗孔的高度差h和室内外的空气密度差 w n 热压值的大小 为了便于计算 给出余压定义 室内某一点的压力和室外同标高未受建筑或其它物体扰动的空气压力的差值称为该点的余压 当仅有热压作用时 由于窗孔外的空气未受室外风扰动的影响 故此时窗孔内外的压差即为该窗孔的余压 余压为正 则该窗孔排风 余压为负 该窗孔进风 余压沿车间高度的变化 如图3 4所示 图3 4余压沿车间高度的变化 P gh w n 从窗孔a进风到窗孔b出风 其压力值从负压到正压 那么其间必然存在一个压力为零的面 该面称为中和面 如果以中和面作为基准面 则窗孔a的余压为 窗孔b的余压为 式中 中和面上的余压 0 窗孔a b至中和面的距离 由式 3 6 可见 某一窗孔余压的绝对值与中和面至该窗孔的距离有关 中和面以上窗孔余压为正 中和面以下窗孔余压为负 2 风压作用下的自然通风 风压的定义 在自然环境中每一物体的表面承受的静压而被气流所改变时 这一气流就是风压 一般迎风面静压为正 被风面静压为负 如图3 2所示 当室外气流与建筑物相遇时 建筑物外围结构上某一点的风压值 Pa 可用下式表示 式中 K 空气动力系数 可正可负 室外空气流速 室外密度 3 风压 热压同时作用下的自然通风 建筑物受到风 热压同时作用时 外围护结构上各窗孔的内外压差就等于各孔的余压和室外风压之差的线性叠加 由于室外风速和风向是经常变化的 因此风压的作用不是一个可靠的因素 在一般工程设计中 特别是热车间的自然通风的设计计算中 往往只作定性分析而不作定量计算 然而 高层建筑的热负荷计算时需要考虑风压热压同时作用下的自然渗透风的影响 如图3 3所示 图3 3风压 热压作用下的自然通风 3 1 2自然通风量计算及其测量方法 1 自然通风的设计计算步骤在工业生产中往往用自然通风的方式消除车间内大量的余热 在对建筑物进行冬季热负荷计算时 也需要考虑自然渗透风的影响 A 计算方法的几点简化 通风过程是稳定的 影响自然通风的因素不随时间而变化 车间的空气温度取平均空气温度 式中 室内工作区温度 上部窗孔的排风温度 B 自然通风设计计算步骤如下 1 计算车间的全面换气量 式中 车间的总余热量 kJ s 车间上部的排风温度 车间的进风温度 一般取室外空气温度 空气比热 kJ kg 2 确定窗孔的位置 分配窗孔的进排风量 3 计算各窗孔的内外压差和窗孔面积 计算时 先假定中和面位置或某一窗孔的余压 然后计算其余各窗孔的余压 应当指出 最初假定的余压值不同 最后计算得出的各窗孔面积分配是不同的 以图3 4为例 在热压作用下 进排风窗孔的面积分别为 进风窗孔 排风窗孔 式中 窗孔a b的内外压差 Pa 窗孔a b 的流量 窗孔a b的流量系数 室外空气的密度 上部排风温度下的空气密度 室内平均温度下的空气密度 中和面至窗孔的距离 m 根据空气量平衡方程式 如果近似认为 上述的公式可简化为 或 可见 进排风窗孔面积之比随中和面位置的变化而变化 中和面向上移 则排风窗孔面积增大 进风窗孔面积减小 中和面向下移 则相反 在热车间都采用上部天窗进行排风 天窗的造价要比侧窗高 因此中和面位置不宜选得太高 2 车间排风温度的计算自然通风的排风温度可按下述三种方法计算 1 对某些特定的车间可按排风温度与夏季通风计算温度差的允许值确定 对大多数车间而言 要保证 应不超过10 12 2 对于厂房高度不大于15m 室内散热源比较均匀 而且散热量不大于116 时 可用温度梯度法计算排风温度 式中 温度梯度 m h 排风天窗中心距地面高度 m 3 按有效热量系数计算 式中 m 车间有效热量系数 其值与热源的集中程度和热源布置方式有关 可查阅通风空调设计手册 3 冬季冷风渗透量的计算A 对于六层或六层以下的建筑物 式中 L 根据冬季室外平均风速 朝主导风向的每一米缝隙渗入的空气量m3 h 由表3 2确定 门 窗缝隙计算长度 m 室外空气的密度 n 各朝向冷空气渗入量修正值 由表3 3确定 表3 2每一米门 窗缝隙渗入的空气量 m3 h 表3 3各地区各朝向冷空气渗入量修正值n B 对于超过六层的多层或高层建筑物可按下式计算 1 风压和热压的综合作用计算 式中 室外风压与室内热压之差 Pa c 风压系数 c 0 7 e 热压系数 对住宅 取e 0 2 对办公楼 旅馆等 取e 0 5 2 风压和热压综合作用下渗入空气量的计算 式中 L 每米门 窗缝隙的渗入空气量 与门窗种类和严密程度有关的常数 单层钢窗取 4 21 双层钢窗取 2 60 单层木窗取 5 00 双层木窗取 3 56 b 常数 取b 1 8 4 自然通风量的测量方法一 简易法 在通风口多点均布测量风速 用风速仪 取平均值 再乘以风口面积 求得风量 但测量的精度与风口形式有较大的关系 方法二 喷嘴测定法 测量装置如图3 5所示 图3 5风口进风量喷嘴测试装置图 单个喷嘴的流量计算公式为 式中 单个喷嘴的空气流量 喷嘴的喉部面积 根据标准喷嘴直径d求取面积 喷嘴两端的静压差 Pa 喷嘴喉部的空气密度 C 喷嘴流出系数 对标准喷嘴 如图3 6所示 空气的流出系数由下式确定 式中 喷嘴喉部雷诺数 喷嘴喉部速度 d 喷嘴喉部直径 mm 空气运动粘滞系数 该方法特点 测量精度高 无需标定 测试方便 局部机械通风 1 局部送风2 局部排风全面机械通风 1 全面送风2 全面排风 3 2 1局部送 排风控制及其应用当污染物集中于某处发生时 局部排风是最有效的治理污染物对环境危害的通风方式 污染物定点发生的情况在工业厂房中很多 如电镀槽 清理工件的喷砂和喷丸工艺 喷漆工艺 砂轮机 盐浴炉 卒火油槽等 图3 7为一局部机械排风系统的示意图 这系统由排风罩 风机 空气净化设备 风管和排风口组成 局部排风系统的划分应遵循如下原则 图3 7局部排风系统示意图 1 污染物性质相同或相似 工作时间相同且污染物散发点相距不远时 可合为一个系统 2 不同污染物相混可产生燃烧 爆炸或生成新的有毒污染物时 不应合为一个系统 应各自成独立系统 3 排除有燃烧 爆炸或腐蚀的污染物时 应当各自单独设立系统 并且系统应有防止燃烧 爆炸或腐蚀的措施 4 排除高温 高湿气体时 应单独设置系统 并有防止结露和有排除凝结水的措施 在一些大型车间中 尤其是有大量余热的高温车间 采用全面通风已无法保证室内所有地方都达到适宜的程度 只得采用局部送风的办法使车间中某些局部地区的环境达到比较适宜的程度 这是比较经济而又实惠的方法 图3 8为车间局部送风的示意图 空气送到工作点的风速一般根据作业的强度控制在1 5 6m s 送风宜从人的前侧上方吹向头 颈 胸部 必要时也可以从上向下垂直送风 送风射流送到人体其直径宜为lm 另外应避免将污染物吹向人体 图3 8系统式局部送风系统示意图 3 2 2全面通风控制全面通风可分为二种情形 一是稀释通风 针对工业有害物 用清洁空气稀释室内空气中的有害物浓度 同时不断把污染空气排至室外 使室内空气中有害物浓度不超过卫生标准规定的最高允许浓度 二是利用空调方式 针对室内温度 湿度 速度 洁净度的要求 对空气全面处理及换气从而达到 四度 的要求 1 稀释通风换气量的确定A 按浓度平衡方程确定 为了分析室内空气中有害物浓度与通风量之间的关系 假设 有害物在室内均匀散发 送风气流和室内空气的混合在瞬间完成 送排风气流是等温的 在体积为的房间内 有害物源每秒钟散发的有害物量为x 通风系统开动前室内空气中有害物浓度为y1 则通风稀释室内空气中的有害物 在任何一个微小的时间间隔内 室内得到的有害物量 即有害物源散发的有害物量和送风窃据带入的有害物量 与从室内排出的有害物量 排出空气带走的有害物量 之差应等于整个房间内增加 或减少 的有害物量 即浓度平衡方程可表示为 式中 L 全面通风量 y0 送风空气中有害物浓度 x 有害物散发量 y 在某一时刻室内空气中有害物浓度 Vf 房间体积 某一段无限小的时间间隔 s dy 在时间内房间内浓度的增量 上式反映了任何瞬间室内空气中有害物浓度y与全面通风量L之间的关系 如果在秒钟内 室内空气有害物浓度从y1变化到y2 则有下式 对公式 3 21 进行变换 即 当 1时 级数收敛 方程 3 23 可以用级数展开的近似方法求解 如近似地取级数的前两项 则 上式称为不稳定状态下的全面通风量计算式 当通风量L一定时 任意时刻室内的有害物浓度y2 若室内空气中初始的有害物浓度y1 0 上式可写成 当时 室内有害物浓度y2趋于稳定 其值为 由公式 3 25 或 3 26 可以画出室内有害物浓度y2随通风时间变化的曲线 见图3 9 图中的曲线1是 曲线2是 曲线3是y1 0 见插图3 9 图3 9室内有害物浓度曲线 从上述分析可以看出 室内有害物浓度按指数规律增加或减少 其增减速度取决于L Vf 当室内有害物浓度y2处于平衡状态时 所需的全面通风量为 为了保证有害物源附近工人呼吸带的有害物浓度控制在容许值以下 实际所需的全面通风量要比上式的计算值大得多 因此 需要引入一个安全系数K 即 K要考虑多方面的因素 一般通风房间 取K 3 10 B 消除余热所需风量 式中 G 全面通风风量 Q 室内余热量 C 空气的质量比热 其值为 tp 排出空气的温度 t0 进入空气的温度 C 消除余湿所需风量 式中 G 全面通风风量 kg s dp 排出空气的含湿量 干空气 W 余湿量 g s d0 进入空气的含湿量 干空气 D 按换气次数确定风量 当散入室内的有害物量无法计算时 全面通风量可按类似房间换气次数的经验数值进行计算 图3 10是机械式全面送风系统示意图 图3 10机械送风系统示意图1 百叶窗 2 保温阀 3 过滤器 4 旁通阀 5 空气加热器6 启动阀 7 通风机 8 通风管网 9 出风口 10 调节阀 11 送风室 L n Vf 式中 L 全面通风量 m3 h n 换气次数 即n L Vf 次 h Vf 通风房间体积 m3 说明 根据卫生标准规定 当室内有数种溶剂 如苯等 或数种刺激性气体 如s2o3等 在室内同时散放时 它们对人体的作用是叠加的 所以全面通风量应按各种污染允许浓度计算后求取总和为全面通风量 2 若是一般性有害物 如co2 余热 余湿等 则分别计算风量后取其最大值 2 风量平衡和热平衡的计算1 风量平衡 单位时间内进入室内的空气量应和同一时间内排出的空气量保持相等 这就是空气平衡和风量平衡 风量平衡的数学表达式为 式中 Gzj 自然进风量 kg s Gjj 机械进风量 kg s Gzp 自然排风量 kg s Gjp 机械排风量 kg s 在不设有自然通风的房间中 当机械进 排风量想等 Gjj Gjp 时 室内外压差为零 当机械进风量大于机械排风量 GJJ Gjp 时 室内处于正压状态 反之 室内处于负压状态 我们把渗入 出 房间的这部分空气量 称为无组织通风 在工程设计中 为了相邻房间不受污染 常有意识的利用无组织进风恶化无组织排风 让清洁度要求高的房间保持正压 产生有害物的房间保持负压 冬季房间内的无组织进风量不宜过大 否则会造成不良后果 2 热平衡 要使通风房间温度保持不变 必须使室内的总得热量等于总失热量 保持室内热量平衡 随房间的设备 产品及通风方式的不同 房间得热量 失热量差别较大 在使用机械通风 又使用再循环空气补偿部分车间热损失的车间中 热平衡方程式的形式为 式中 围护结构 材料吸热的总失热量 kW 生产设备 产品及采暖散热设备的总放热量 kW Lp 局部和全面排风风量 Ljj 机械进风量 Lzj 自然进风量 Lhx 再循环空气量 室内空气密度 窗外空气密度 tn 室内空气温度 tw 室外空气计算温度 在冬季 对于局部排风及稀释有害气体的全面通风 采用冬季采暖室外计算温度 对于消除余热 余湿及稀释低毒性有害物质的全面通风 用冬季通风室外计算温度 冬季通风室外计算温度是指历年最冷月平均温度的平均值 tjj 机械进风温度 ts 再循环送风温度 c 空气的质量比热 其值为1 01kJ kg 从上面的分析可以看出 通风房间的风量平衡 热平衡是自然界的客观规律 设计时不一定遵循上述规律 实际运行时 通风系统会在室内状态下达到新的平衡 但此时的室内参数已发生变化 达不到设计预期的要求 3 有害物质触发量的计算1 生产设备散热量的计算 一般散热设备散热量的计算方法 在传热学中已经介绍 在生产上 由于工艺设备种类繁多 结构复杂 完全用理论计算的方法确定设备散热量是很困难的 设计计算时可查阅有关文献 生产车间主要散热设备有下列几个方面 工业炉及其热设备的散热量 原材料 成品或半成品冷却的散热量 蒸汽接锤的散热量 燃料燃烧的散热量 电沪 电机的散热量 热水槽麦丽散热量 2 散湿量的计算 暴露水面或潮湿表面散发的水蒸汽量 材料或成品的散湿量 反应过程中散发的水蒸汽量 3 有害气体散发量的计算 燃料燃烧产生的有害气体 通过炉子的缝隙漏入室内的烟气 从生产设备或管道的不严密处 漏入室内的有害气体 容器中化学品自由表面的蒸发 物体麦丽涂漆时散入室内的溶剂蒸气 生产过程中化学反应产生的有害气体 如电解钥时产生的氟化氢 铸件浇注时产生的一氧化碳等 由于生产过程的复杂性 散湿量和有害气体散发量一般都是通过现场测定和调查研究 按经验数据确定 4 事故通风 在生产车间 当生产设备发生偶然事故或故障时会突然散发大量有害气体或有爆炸性的气体时 应设置事故排风系统 事故排风的风量应根据工艺设计所提供的资料通过计算确定 当工艺设计不能提供有关计算资料时 应按每小时不小子房间全部容积的8次换气量确 事故排风的室内排风口的设置 应设在有害气体或爆炸危险物质散发量可能最大的地点 事故排风不设进风系统补偿 而且一般不远行净化处理 事故排风的室外排放口设置 不应布置在人员经常停留或经常通行的地点 而且应高于20m范围内最高建筑物的屋面3m以上 建筑火灾烟气是造成人员伤亡的主要原因 在烧死的人中多数也因CO中毒晕倒后被烧死的 烟气不仅造成人员伤亡 也给消防员扑救带来困难 因此 火灾发生时应当及时对烟气进行控制 并在建筑物内创造无烟 或烟气含量极低 的水平和垂直的疏散或临时避难和消防人员及时到达火灾区扑救 我国在防火规范上有 建筑设计防火规范 GBJ1 6 87 和 高层民用建筑设计防火规范 GB50045 95简称 高规 对于建筑火灾烟气的通风方法 技术要求 控制手段 在上述规范中都有详细的叙述 在工程设计时 特别应该注意的是强制性条款的执行 3 2 3置换通风控制 1 置换通风原理与特性 a 通风原理 如图3 11所示置换通风是将新鲜空气直接送入工作区 并在地板上形成一层较薄的由新鲜空气扩散所形成的空气湖 室内热源产生向上的对流气流 与较凉的新鲜空气随对流气流向室内上部流动 从而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 由送风口送入室内新鲜空气的温度通常低于室内工作区的温度 较凉的空气由于密度大而下沉到地表面 较凉的新鲜空气扩散到整个室内地面并形成空气湖 热源引起的热对流气流使室内产生垂直的温度梯度 图3 11置换通风的流态 与稀释通风相比 置换通风是以浮力控制为动力平推出室内污染物 具有较高的空气品质和热舒适性 具有较高的通风效率 室内有着截然不同的温度场 速度场和浓度场 2 置换通风房间室内温度 速度与浓度的分布由于热源引起的上升气流使热气流浮向房间的顶部 因此房间在垂直方向上形成温度梯度 如图3 12a中曲线D所示 该图中的水平虚线表示离地面1 1m的高度 该高度表示人坐姿时呼吸带高度 室内垂直温度梯度形成了脚寒头暖的局面 这种现象有悖于人体的舒适性规律 因此应控制离地面0 1m 脚踝高度 至1 1m之间的温差不能超过人体所容许的程度 b 特性 图3 12置换通风的温度 速度和相对浓度分布曲线D表示置换通风曲线M表示稀释通风相对浓度以房间平均浓度为基准 图3 12a中曲线M表示稀释通风时的温度曲线 其出口温度较低 出口空气与周围空气充分混合后温度迅速提高并在垂直方向上保持几乎相等的温度 即温度梯度极小 图3 12b中的曲线D表示置换通风室内速度分布 可见置换通风出口风速约为0 25m s 而在1 1m处的风速仅为0 08m s 而且在距地板0 5m以上的高度其风速均低于0 08m s 稀释通风的速度分布如曲线M所示 该种方法室内风速均高于置换通风 图3 12c中的曲线D表示置换通风室内浓度分布 图中呈现浓度梯度的趋势与温度分布相似 即上部浓度高 下部浓度低 在1 1m以下的工作区其浓度远低于上部的浓度 当通风量相同时 稀释通风室内浓度分布如曲线M所示 由图可见 在1 1m以下工作区 置换通风方式明显优于稀释通风 关于热源引起的上升气流流量如表3 4所列 表3 4热源引起的上升气流流量 3 置换通风房间的热力分层 在置换通风中 新鲜空气qs以极低的流速从通风器流出 通常送风温度低于室温2 4 送风的密度大于室内空气的密度 在重力作用下 送风下沉到地面形成空气湖 空气湖中的新鲜空气受热源上升气流的卷吸作用 后续新风的推动作用及排风口的抽吸作用而缓慢上升 形成向上单向流动 如图3 13所示 因此在顶部形成一个热浊空气层 由连续性原理 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为零 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 即上部的紊流混合区和下部的单向流动清洁区 只要保证分层高度 地面到界面的高度 在人员工作区以上 就可以保证工作区优良的空气品质 图3 13置换通风的热力分层 4 置换通风的设计1 置换通风的设计应符合下列条件 污染源与热源共存时 房间高度不小于2 4m 冷负荷小于120W m2的建筑物 2 置换通风的设计参数应符合下列条件 坐着时 头部与足部温差 thf 2 站着时 头部与足部温差 thf 3 吹风风险不满意率的值不大于15 热舒适不满意率的值不大于15 置换通风房间内的温度梯度小于2 m 3 置换通风器的选型 其面风速应符合下列条件 对工业建筑 取面风速v 0 5m s 对高级办公室 取面风速v 0 2m s 一般根据送风量和面风速v 0 2 0 5m s确定置换通风器的数量 4 置换通风器的布置应符合下列条件 置换通风器附近不应有大的障碍物 置换通风器宜靠外墙或外窗 圆柱形置换通风器可布置在房间中部 冷负荷高时 宜布置多个置换通风器 置换通风器布置应与室内空间协调 置换通风房间内工作区的温度梯度 tn是影响人体舒适的重要因素 在设计时应根据实际情况确定 可参考表3 5和3 6所示 表3 5室内温度tn及工作区温度梯度 表3 6欧洲及国际标准中的舒适性指标 5 置换通风房间内的温度梯度 以高度为3m的办公室为例 当室内采用置换通风时室内的温度梯度由三部分组成 即出风后地表层的温升 t0 1 t0 1 ts 工作区温度梯度 tn t1 1 t0 1 室内上部温升 tp tp t1 1 室内送排风温差 t tp ts 工作区温差 ts k t c t K为地面区温升系数 C为停留区温升系数 置换通风房间内的上述温度梯度如图3 14所示 图3 14房间垂直温度梯度 6 送风温度的确定 送风温度由下式确定 式中 c 停留区温升系数 k 地面区温升系数 也可分别见表3 7和表3 8所示 表3 7温升系数C值 表3 8温升系数K值 7 新风量的确定 按室内人员确定新风量 式中 n 室内人员数 q 每个人所需新风量 q可按房间需要确定 当室内空气品质要求较高时 室内空气品质要求中等时 室内空气品质要求低时 根据室内有害物发生量确定新风量 式中 G 室内有害物发生量 cp 排风的有害物浓度 cs 送风的有害物浓度 8 送风量的确定根据置换通风热力分层理论 界面上的烟羽流量qp与送风流量qs相等 即 表3 4列出了分层高度分别为Z1 1 1m以及Z2 1 8m时的烟羽流量 9 送排风温差的确定在置换通风的房间内 在满足热舒适性要求条件下 送排风温差随着顶棚高度的增高而变大 表3 9列出了送排风温差与房间高度的关系 表3 9送排风温差与房间高度的关系 10 置换通风末端装置的选择与布置置换通风的出口风速低 送风温差小的特点导致置换通风系统的送风量大 其末端装置体积相对来说也较大 置换通风末端装置通常有圆柱型 半圆柱型 1 4圆柱型 扁平型4种 如图3 15 3 18所示 图3 19是在工业厂房中应用的实例 落地式置换通风末端装置在会议厅的应用如图3 20所示 架空式置换通风器在办公室的应用如图3 21所示 图3 15圆柱型置换通风器图3 16半圆柱型置换通风器 图3 17扁平型置换通风器图3 18圆柱型置换通风器 图3 19落地式置换通风在工业厂房的应用 图3 20通风在上海某会议厅的应用 图3 21架空式通风器在办公室的应用 3 3 1通风标准与卫生标准 通风技术的主要目的是保证良好室内空气品质 制定保证室内环境的要求条件时 首先考虑的是人们的健康和安全 在产品方面 欧洲有一些可参考的标准 如 ASHRAEStandard55人居热环境条件标准于1966年颁布 此后 根据人们对热舒适的最新认识 平均每10年修订一次 ASHRAEStandard55最初是为中央空调制定的 并在实践中被广泛采用 现在由于通风技术的多元化 作为人居热舒适标准 还应该考虑心理适应性 行为适应性和生理热适应性 提高人员的满意度 同时还要考虑节约能源 为了保护工人 居民的安全和健康 必须使工业企业的设计符合卫生要求 我国在总结职业病防治工作经验 开展生产环境和工人健康状况卫生学调查的基础上 并结合我国技术和经济发展的实际 制定并颁布了 工业企业设计卫生标准 TJ36一79 工业企业设计卫生标准 GBZ1 2002 等 新标准GBZ1 2002比旧标准更科学 更全面 更趋于合理 这是工业通风设计和验收的重要依据 对各工业企业车间空气中有害物的最高容许浓度 空气的温度 相对湿度和流速 以及居住区大气中有害物质的最高容许浓度等都作了规定 3 3 2通风控制室内污染物的效果分析方法 1 网络法网络法是利用伯努利方程和流体网络原理 把每个房间看成网络中的一个节点 把通风口视为局部阻力 再利用专用软件 如NavIAQ软件 进行分析计算 其优点是方法简便快捷 特别使用于实际工程计算 缺点是准确性差 仅对较大的风速有效 2 CFD 计算流体力学 ComputationalFluidDynamics 方法利用连续性方程 动量方程 湍能方程 能量方程 组分方程等控制方程对空气流动进行分析 然后利用计算软件进行计算机模拟 得出可视化的直观效果图 其缺点是计算复杂 计算量大 费用高 3 网络法与CFD相结合两者结合可对复杂建筑进行求解 用网络法计算各个房间之间的换气量 用CFD方法求解房间内部的温度分布 两者结合计算快速 分析翔实 4 实验方法 利用热线风速仪等设备直接测量风速 利用所测数据进行分析 这种方法要求响应时间短 需同时测量各个方向 依据质量守恒定律 利用色谱分析仪或红外分析仪测量投向室内的示踪气体SF6或CH4不同时刻不同地点的浓度 从而了解室内通风效果 概述 由于室内的人是停留在工作区内的 工作区的高度一般为2m 而坐姿的工作人员其呼吸带距地面的高度为1 1m 因此 应用卫生学观点评价通风效果 即以接近地面的工作区的空气品质的优劣来衡量 从该基本要求出发引申出的评价方法有换气效率和通风效率 3 4 1换气效率 换气效率 利用工作区某点空气被更新的有效性作为气流分布的评价指标 该方法用示踪气体 如SF6 R12 CH4等 来标识室内空气 已知标识后的初始浓度为c0 通风房间内新鲜空气的送入使示踪气体的浓度随之下降 由此可测得室内示踪气体浓度随通风时间而衰减的变化规律 室内示踪气体浓度衰减曲线 如图3 23所示 图3 23示踪气体浓度衰减曲线 1 空气的平均年龄 T 定义空气龄为曲线下面积与初始浓度之比 可见 对室内某点而言 其空气龄越短 意味着空气滞留在室内的时间越短 即被更新的有效性越好 2 换气效率 假定理想的送风方式为 活塞流 送入室内的新鲜空气量为L0 房间体积为V 则该房间换气的名义时间常数为 式中 C0 初始浓度 瞬间浓度 空气龄 考虑工作区高度约为房间高度的1 2 则房间内空气可能的最短空气龄为 0 2 并以此作为换气效果优劣的比较基础 由此可得出换气效率的定义式为 换气效率 是最短的空气龄与平均空气龄之比 图3 24为4种主要通风方式的换气效率 图3 244种主要通风方式的换气效率 3 4 2通风效率 气流分布方式能量利用的有效性 可用通风效率 来表示 式中 tp 排风温度 tn 工作区温度 t0 送风温度 cp 排风浓度 cn 工作区浓度 c0 送风浓度 分析 当tp tn时 1 tp tn时 1 tp tn时 1 说明送排风具有短路现象 特殊建筑环境的内容涉及的范围广泛 本节仅对 地下车库通风 城市轨道交通通风与空调 高原列车 大客车通风及空调等进行介绍 3 5 1地下车库通风与排烟 近年来 全国各大城市高层建筑与超高层建筑迅速兴建 城市交通中小汽车飞快增长 因此 高层建筑地下车库应运而生 为了防止和减少火灾危害 在地下停车库加强防火排烟设计具有较重要的意义 1 地下车库通风计算地下汽车库通风的目的是消除或稀释有害气体 使其达到允许浓度 同时还要满足当地法规的规定 一般汽车排烟中CO含量最高可达4 丙烯醛含量最高可达0 1 汽车排烟量可分别采用容积法和重量法来进行计算 并互相校核 取其中一个较大数值 或者取算术平均值 1 容积法 按空气消耗量计算 对不增压的四冲程发动机式中 L1 一台汽车每小时的排气量 Vs 一台汽车的气缸总排量 n 汽车额定转速 转 分 对增压式四冲程发动机 2 重量法按空气与燃料消耗量之和算 式中 qe 汽车每小时燃料消耗率 kg KW h 一般取qe 0 33 Ne 汽车的额定功率 KW 过量空气系数 低速采用1 6 2 0 高速采用1 2 1 7 增压采用1 8 2 2 L0 燃烧一公斤燃料理论需要空气量 采用14 5kg kg 经过整理得 G 8 11 Ne kg h 3 每台汽车烟气CO的排量一般常用重量法计算 地下汽车库CO发生总量 式中 Q1 车库的CO总发生量 te 停车库内汽车平均停车时间 一般为2分钟 m 停车库容纳车辆数 辆 汽车出入频率 一小时内进出车辆数与停车台位数之比 q 每辆汽车CO排量 4 汽车库排风量计算式中 L 排风量 Q1 有害气体发生量 c1 室内允许有害气体浓度 按规范CO允许最大浓度为30c0 室外有害气体浓度 一般在工程设计中可以取c0 0 2 地下停车库通风系统设计1 地下车库排风系统单独布置2 地下车库送风设计对于地下车库 进行机械排风时应按规定时间应向室内补风 当停车库设在地下一层时 可以利用车库进出车道进行补风 但目前一般都没设机械送风 因为机械送风系统的设置不仅增大了投资 而且送风机和送风管道要占用建筑空间 有时由于车库梁底比较低 布置送风管很困难 4 诱导式通风在地下车库中的应用诱导式通风原理 是利用高速喷出的少量气流来诱导及搅拌周围的大量空气 带动车库内空气的流通 稀释 再流通 对特殊环境或空间能发挥较常规通风系统更佳的效果 1 诱导式通风系统诱导式通风系统由送风机 适当布置的多台诱导风机机组和排风风机组成 如图3 43所示 3 机械排风兼排烟系统目前这种机械排风兼作排烟系统方案设计比较多 它是用同一台风机和同一个管道系统 平时作排风用 火灾时作排烟用 这不仅节省了投资 还节省了建筑空间 但往往排风量与排烟量相差很远 此时 只有采取缩小防烟分区面积的方法 来减小防烟分区的排烟量 使最大的一个防烟分区的排烟量与排风系统的排风量相等或相近 才可能使排风系统兼作排烟系统 2 诱导式通风的优势 地下车库同时安装有送风机 排风机和诱导风机 由于三者的同时作用 地下停车场内形成了有组织的空气气流 可使地下停车场内的CO在较短时间内被迅速稀释 并排出停车场 大大改善了地下停车场内的通风效果 具有较高的通风换气效率 其处理尖峰负荷的能力远远优于常规系统 不需庞大的风管便可带动大量空气 通风系统的规划及施工建造更优化 从系统设置来讲 降低了出投资费用 诱导通风系统代替常规通风系统的送风管 排风管 各种风口阀门和为克服这些阻力的压头 从而大大减少了电耗 诱导通风系统结构简单 基本无需维护 且施工费用低且周期短 由于使用小量的高速空气 带动空间内其他的大量空气 设备运转成本极低 地下室高度可降低300 1000mm 从而减少建筑结构成本等 图3 25地下车库诱导通风示意图 1 概况城市轨道交通的内部空气环境 尤其是其地下线路的内部空气环境 对于乘客和工作人员的健康具有至关重要的影响 城市地下交通空气环境的特点 是一个相对封闭的空间 与外界的空气交换只能通过车站的出入口和有限的隧道风井来进行 地下建筑一般具有冬暖夏凉 地铁线路内部有显著的内热源和污染源 仅靠空气的自然流动和扩散 难以得到有效的排除污染物 因此 城市轨道交通通风空调系统的重要职责就是为人员提供良好的周围空气环境 满足人员及设备的舒洁性和安全要求 3 5 2城市轨道交通通风空调系统 2 国内城市轨道交通通风空调系统的现状国内城市轨道交通通风空调系统技术是在北京地铁一 二期工程和上海地铁1号线的基础上逐步发展起来的 具体可以归纳为以下三种方式 通风系统方式 含活塞通风和机械通风 以北京地铁1号线和环线以及天津地铁为代表 空气调节 车站不设屏蔽门 以上海地铁2号线 广州地铁l号线 南京地铁1号线等为代表 空气调节 车站设置屏蔽门 以上海地铁1号线 广州地铁2号线 深圳地铁1号线等为代表 这些系统具有的特性是 系统设置构成复杂 控制运行不便 占用面积和空间巨大 地下机房面积一般在1200 2500 左右 占到地下车站总而积的12 30 系统运行能耗巨大 地铁的电力能源消耗主要在地铁列车的牵引用电和通风空调系统用电两个方面 通风空调系统的耗能已经达到了地铁总能耗的约50 左右 3 城市轨道交通通风空调系统发展 1 城市轨道交通通风空调多功能设备集成系统直接针对传统系统中区间隧道通风系统和车站通风系调系统部分进行有机整合 通过设备 风道等的共用 将区间间隧道事故通风系统与车站公共区通风空调系统合二为一 将各种工况下的需求统一处理 构造成一种形式简单 功能齐全 节约机房占地 造价低廉的新型通风空调系统 集成系统具有以下的特点 完全满足城市轨道交通地下线路所需的功能 完全达到轨道交通内部空气环境在各种工况下所需达到的各项标准 节省机房的士建面积 降低地下车站的土建规模 从而降低工程建设的投资 采用了风机变频调速技术 实现系统的变风量运行 运行时可节省大量的运行能耗 运行费用要明显低于传统系统 系统设备最少 设备投资最低 运行维护最容易 2 空气 水空调系统空气 水空调系统在国内外已广泛应用于宾馆 饭店 公寓 医院和办公楼等建筑物中 但在地下空间应用还不是很广泛 尤其是在城市轨道交通的地下车站原有工程实践中还没有使用的先例 主要原因在于地下车站对于新风补给和处理有严格的要求 同时对于防水的重视程度极高 空气 水空调系统中的主要设备风机盘管的凝结水处理 以及给水和回水的设置都为结构防水带来了很多的不变 在广州地铁2号线路的通风空调系统设置中改变了传统做法 其基本做法是 将风机盘管布置在车站的非有效利用空间内 空调冷冻水直接送入盘管 新风则通过专用风管送入车站 2 地铁客车空调系统设计参数的确定1 车体的传热负荷计算车体的传热主要是通过车体钢结构及其隔热壁上的构件进行传导 传导热由与行车速度 构成车辆的各种材料的导热系数有关的传热系数 即K值 及车内外温差 车辆内外几何表面积决定 由于地铁车门窗较多 隔热壁薄及结构特殊 国内尚无地铁客车整车K值试验数据 而采用计算的方法很难获得可靠的K值 日本对用于运行在隧道内的近郊车和通勤车做过详细的K值试验和研究 根据日本资料介绍其近郊车中的普通钢车为3 14W K 2 7kcal h 不锈钢车为2 91W K 2 5kcal h 通勤车中的普通钢车为3 02W K 2 6kcal h 铝车为3 13W K 2 7kcal h 不锈钢车为3 25W K 2 8kcal h 我国目前生产的地铁年主要是钢车 结构与日本通勤车很相近 建议K值按3W K 2 温湿度指标由于南北方的温湿度差异有所不同 因此在地铁车辆空调系统中的温湿度指标应按南北方规定 建议北方以北京为参考 外界温度 洞内 取32 相对湿度取6O 车内温度取26 相对湿度不大于65 南方以上海为代表 外界温度 洞内 取35 相对湿度取65 车内温度取27 相对湿度以不大于70 为宜 根据国外在19 32 的铁路客车上所做的试验可知 温度为25 5 时 不满意的乘客为5 其中2 5 的认为太热 另外的2 5 的乘客认为太冷 可以认为已经达到了设计要求 3 舒适性指标除温湿度指标外 舒适性还包括 舒适性 f 新风 CO2含量 含尘量 微风速 和噪声等 由于地铁车空间小 载客量大 又是在隧道内运行 运行中产生负压 使新鲜空气吸入比较困难 其CO2的含量比地面要高 所以 不能照搬地上铁路客车的设计条件 但由于地铁客车作为城市内的交通工具 具有运行区间短 短途乘客多 从始发站到终点站很少超过1h 适当提高CO2含量容积比应该是允许的 建议新风量取20m3 h 人 CO2含量容积比取0 15 0 2 建议风速 0 3m s 含尘量是地铁客车空调设计中的一项卫生指标 地上铁路客车规定空气含尘量为1mg m3 地铁在隧道内运行 运行中因电刷 闸瓦制动产生的粉末及隧道内灰尘 必然会通过各种渠道进入车内 所以 对于地铁客车含尘量的要求应与地面铁路客车有所区别 建议其值 1 5mg m3为宜 对于地铁客车上设备的噪声要求比地面铁路客车严格 为了降低噪声 空调机组通风机应选用低噪声 多叶片离心式风机 冷凝风机应选用低转速 大流量 低噪声的轴流风机 另外 要加强车体的隔音 减振及门窗的密封 还要注意空调机组与车体连接处的减振及降低排风口处的噪声 4 机组选型由于隧道和线路的原因 地铁车体高度和长度受到限制 宜采用车顶单元式机组 或超薄型空调机组 主机最好选用效率高 体积小的涡旋式制冷压缩机 机组的优点 结构紧凑 单位体积制冷量 单位重量制冷量及单位功率制冷量都比分装式高 车体结构有关的设计问题 新风量 排风口 排水方式 送风道等 新风吸入量与风机选择有直接关系 要在不改变空间安装尺寸的前提下 尽量提高风机的通风量 车辆空调排风系统的任务 一是要解决废气排出 二是要保证车内正压不能过高 所以 有效的排风直接影响系统的工作 排风效果与排风口的大小 布置有直接关系 地铁车排风口设在车门下部或侧墙下部 对于排风是有利的 这主要是考虑解决排风阻力问题 排水方式 排水主要指蒸发器的冷凝水的排放 因受限界的制约 空调机组一般仅能采用埋入式 因此蒸发器处的冷凝水或者落入冷凝器处的水 只能从车内机组安装座以下部位 向车端或安装的排水管排出车外 5 地铁列车空调中几个问题空调设备的选型及其系统的安装受到窄小的隧道限界的限制 地铁供电方式为直流高压供电 750V 1500V 必须转变成为与空调设备相适应的电源系统 车辆在隧道内运行的活塞效应 前后车及各车之间气流分布的不同以及客室内外压差的变化 给空调系统正常运行带来的困难等 3 地铁通风与排烟设计1 排烟风量的计算一般地铁站厅层 站台层公共区各划为一个防火分区 公共区的面积大多数为2000 3000m2 最大为4500m2左右 排烟系统每个站均分成左右两个系统 以挡烟垂壁分开 假如一个排烟系统各负责2250m2的排烟任务 按规范第12 4 13条规定 防烟分区建筑面积不宜超过750m2 也就是说在2250m2内又需分成3个防烟分区 又根据规范第12 4 15条规定 排烟设备应按同时排除二个防烟分区的烟量配置 则每个系统的排烟量为 Q 750 2 60 90000m3 h 25m3 s式中 60 单位防火建筑面积的风量m3 h 2 排烟系统的设置 1 设1台双速风机 回风和排烟共用一套系统双速风机对地铁来说是一种比较节能 运营管理较简单的型式 平时根据排风的需要采用低转速方式运行 一旦发生火灾时 为了满足排烟所需的风量要求 此时将风机调至高转速下运行 图3 26给出了回风和排烟共用一套系统时 风机不同转速运行的特性曲线 这种方式在地铁车站内较适宜 2 设l台变频调速风机地铁空调负荷受室外温度 客流量影响 实际情况是一年中相差很大 一个季节也相差大 就是每天也相差大 客流量变化大 每个季节客流量也相差大 如果整个系统均为定风量控制势必造成能源的极大浪费 为使整个系统成为变风量系统 回 排风机改成1台变频调速风机 这样既便于调节 也便于回 排风和排烟共用一套系统的节能运行 1 风机转速n1时特性曲线2 风机转速n2时特性曲线A 排风时风道特性曲线B 排烟时风道特性曲线 平时排风时风机的工作点风量 风压 火灾排烟时风机的工作点风量 风压 图3 26回风和排烟共用一套系统的特性曲线 3 5 3地上列车空调与地铁客车空调简介 铁路 硬座车 空调与地铁空调在整体布置上类似 每节车的车顶两端安装两个单元机组 车厢顶部沿纵向布置送风管道 由两端向中间送风 两者的空调机组在整体结构上也类似 都为 两厢式 即冷凝厢和蒸发厢 但内部结构有较大的差别 图3 27 图3 28为两者的机组示意图 图3 27铁路列车空调机组 KLD29P 示意图图3 28地铁列车空调机组示意图 铁路列车空调机组和地铁列车空调机组的主要区别 1 前者为两台压缩机 两条循环回路 可以分别控制 独立工作 2 前者送风方式为 平送底回 式 水平送风 底部回风 车厢内设有专门的回风口和回风道 清洁较为方便 机组底部新风口有 手动 可调挡板 可调节新风输入量 后者送风方式为 平送平回 式 车厢内不设专门回风口和回风道 从部分座位下孔板回风 经车体隔板汇集到机组回风口 清洁较为困难 新 回风口均设有活动挡板 可自动调节新 回风量 由气阀推动 3 节流方式前者为毛细管 后者为膨胀阀节流 另外 前者设采暖装置 空气预热器 车厢装有电加热器 后者则没有 这是因为冬季地面空气温度低于地铁空间的温度 两机组的参数对比值分别见表3 10和表3 11所示 表3 10两机组的主要参数注 指强 弱风量 表3 11两机组主要设备额定值注 电机4 6极 单位为MPa 4 铁路空调空气预热器容量为9kW 制冷剂使用R22 4 5kg 系统 地铁空调设有紧急通风状态 由通风机完成 其通风量为2 1000m3 h 输入功率为2 0 3kW 电源为110VAC 3 38Hz 制冷剂使用Rl34a 15kg 机组 5 控制系统比较 铁路空调控制系统设计较为简单 它的控制面板上有三个旋钮开关 可以分别操作通风 强风 弱风 制冷 全冷 半冷 制暖 全暖 半暖 自 手动等状态 另外 面板上有一个温度控制器可以设定车厢需达到的温度范围 地铁空调控制系统 HFG 设计原理复杂 但操作简便 整个控制面板只有一个旋钮开关 可以轻松调定 试验 关 自动 27 25 等状态 面板上还有两组各20个输入 输出指示灯及信号插口 可以清楚看到机组各部件的运行状况 也可以通过信号插口连接微机 读出机组运行情况或故障代码等 另外 系统还设有紧急通风回路 在主电路处于失电状态时 紧急通风工作 由蓄电池供电 保证车厢内的临时供风 铁路空调每个 单元 机组或每个循环回路之间不互相影响 能够单独工作 地铁空调 单元 机组之间则互相联系 互相影响 3 5 4高原铁路客车空调 1 高原地区气候环境青藏铁路经过青藏高原 沿线气候属大陆性气候 格尔木附近地区 和大陆性过渡气候 拉萨附近地区 青藏高原平均海拔高度在4000m以上 其中 藏北高原平均海拔高度在5000m以上 青藏铁路经过的最高处唐古拉山口海拔高达5072m 沿线的气候环境有两低一变的特点 即气温低 气压低和气候多变 如考虑夏天北京至拉萨的列车 沿线的气候和环境将由夏季变到冬季 由平原变到雪线以上的高原 青藏高原年平均气温在0 以下 除格尔木和拉萨以外 年平均气温为 2 6 极端最高气温为25 最低气温为 45 7月份的平均气温在12 以下 最低为 2 气候恶劣的藏北高原大部分地区 1月份的平均气温在 20 以下 海拔高度4500m以上的地区盛夏时最高气温也低于