空气对流在民宅中的应用.doc

本科毕业论文(设计)题目： 空气对流在民宅中的应用 学院： 物电学院 班级： 10级物理2班 姓名： 王 岩 指导教师： 徐永丽 职称： 讲师 完成日期： 2014 年 5 月 15 日摘要：空气对流是由于空气受热不均，受热的空气膨胀上升，而受冷的空气下沉而形成的。人类将空气对流的特点应用在很多方面。在民宅中，人们选择适当的位置安装暖气片，主要是因为冷空气下降，热空气上升的原因，所以空气之间会产生对流是，这样能加强空气对流从而将热量散发到房间里每个位置；还有民宅中烟囱的设置也是利用空气对流的特点，烟囱就是要帮助气体对流，当热空气顺着烟囱向上传递时，新鲜的冷空气可以不断补充，让炉内的燃烧效果更好；烟囱效应在建筑上的应用也很广泛。关键词：空气对流；热量；烟囱；烟囱效应；目录1.空气对流原理及应用11.1空气对流原理11.2空气对流演示实验11.2.1空气对流演示器1（1）制作方法11.3空气对流在民宅中的应用21.3.1在暖气片上的应用2（1）暖气片安在什么地方好？21.3.2空气对流在烟囱上的应用32.烟囱效应42.1烟囱效应原理42.2烟囱效应在建筑中的应用42.4防护措施82.5文丘里效应8 空气对流在民宅中的应用Air convection in the application of the residence1.空气对流原理及应用1.1空气对流原理 空气对流是由于空气受热不均，受热的空气膨胀上升，而受冷的空气下沉而形成的. 受热的空气膨胀上升，而受冷的空气下沉，是一种冷热不均引起的大气运动。大气层中近地面空气的对流运动最为明显，所以我们把近地面11公里高度的大气层叫做对流层。室内的空气对流循环系统垂直温度梯度（或对应此地区与周边地区温度差异）越大，大气对流越明显。在同一高度空气再发生水平运动。1.2空气对流演示实验1.2.1空气对流演示器（1）制作方法 如图11.10-4，将一搪瓷碗扣在石棉网上。用一张扇形透明塑料胶片粘成一个漏斗将其小口用强力胶粘在碗底的外面，封死。再将一长度与漏斗形胶片筒的高度差不多，直径约为碗底直径一半的玻璃管，用铁丝扎成的一个三角形管架竖直地架在漏斗形胶片筒中。（2）使用方法点燃石棉网下的酒精灯，对搪瓷碗加热，热空气密度较小，将沿着玻璃管上升，漏斗上面密度较大的冷空气向下流动过来补充。为了显示空气的对流现象，将一片鹅绒放入漏斗中，鹅绒将随着冷空气流向漏斗底部，然后又随着加热后的空气沿玻璃管上升，离开管口后又随着漏斗上部的冷空气向漏斗底飘落，如此循环不已，生动有趣。1.3空气对流在民宅中的应用1.3.1在暖气片上的应用 暖气片安在什么地方好？有暖气设备的屋子里，冬天仍然是温暖如春。这是暖气片的功劳。暖气片，就是用铸铁制成的散热片。它在不大的范围里装有层层迭迭的片状管道，因此扩大了跟空气的接触面积，管道里的蒸气送来的热量，大部分从这儿散发出来。 空气是热的不良导体，是很不容易传热的，为什么暖气片却能把整个房间里的空气烘暖呢？ 气体是会流动的，并且是热胀冷缩的。靠近暖气片的空气首先受热，体积膨胀，密度减小，变得轻了便往上升；其他部分的冷空气就流到暖气片的周围，来填补上升空气空出来的位置，它受热后体积膨胀，密度减小，接着也往上升；先前上升的空气渐渐变冷，密度又增大了，便往下流。这样，房间里的空气便开始上下“对流”起来。在对流的过程中，整个房间里的空气都热起来，室内也就暖和了。因为热量是暖气片上散发出来的，所以安装的位置要选好。如果你仔细观察一下，就会发现，暖气片大都安装在窗台下面。这有两个好处：第一，由于暖气片接近地面，能使室内的全部空气发生对流，所以保持了室温的均衡；第二，一旦冷空气从窗户缝里钻进来，暖气片就把它加热，起到了防冷的作用。 人们选择适当的位置安装暖气片，是为了空气更好地对流。其实，这个问题在很多地方都必须考虑，比方说，锅灶上的烟囱、仓库的天窗与地窗，究竟安在哪里好，都是有讲究的。1.3.2空气对流在烟囱上的应用民宅中安的烟囱也是利用空气对流的一个好例子。烟囱最初的应用形式就是筒状的物体，安装在厨房或锅炉房等进行燃料燃烧的地方，利用热空气上升的原理，从上部出风口排出热烟气，外面的新鲜冷空气从入口被卷入，造成空气加强对流，增加了燃料燃烧所需要的氧气，使燃料更加充分地燃烧，增强了火势。在锅楼房等这些地方，烟囱起到了拔火拔烟，排走烟气，改善燃烧条件的作用。“烟囱越高,排烟能力越好”“越高空气压强越小”这两句话都没错，但烟囱越高排烟能力越好绝不是因为越高空气压强越小造成的，如果真的是这原因造成的，别说烟囱里的空气会自己往上流，就是地面的空气也，全都往上跑了，下面给解释原因。 在大气中的任何物体（包括空气本身）都会受到来自于空气的浮力，但空气为什么还能保持平衡（不考虑吹风现象）而不上浮呢？那是因为空气不但受到了上升的浮，同时还受到了自身的重力作用，通常情况下空气向上的浮力与自身向下的重力是相等的，所以就保持了平衡。 但是烟囱里所排出的烟子，是温度很高的热空气，温度越高它就越澎涨，单位体积所受的重力也就变小了，由于浮力没变，而热空气的重力变小了，所以烟子就上浮了，往上冲，当上冲一段时间温度变冷后烟子就水平扩散了，如果你在无风的时候（最好是清晨和傍晚）站在农村的山上，看山沟里农户们的烟火，就能看到这一现象，非常壮观。 烟囱为什么要做很高呢，因为烟囱越高烟囱的热空气就越多，它所受到的总浮力就越大，浮力产生的压强就越大，排烟能力就越强。那是不是把烟囱不做高而是把它做大也行呢？当然不行，如果你只把烟囱做大而不做高，烟子所受到浮力同样会变大，而且与增大的截面积成比例，但是压强=压力/受力面积，压力、面积都成比例的变大了，压强实际上就没变，烟囱低部的吸力就不会变大，这道理与抽水泵的扬程只与水管的垂直高度有关，而与水平距离无关一会事。 另外，烟囱做成锥形只是因为建筑上的需要，对排烟能力没帮助。烟囱也并非做得越高越好，烟囱有个最佳高度，得根据你的排烟量和烟囱口径来定，当排烟量和口径一定时，烟囱超过了一定的高度后，再做高就毫无意义了。 烟囱的高度对排烟能力是有影响，不过关键不是这个，关键是烟囱要做成圆锥形的上小下大。这样才能使烟囱内的气压远远大于烟囱外的气压， 这样烟囱的排烟能力才越好。烟囱修高了,能够成较好的温度梯度,空气的热膨胀上升效果更好。2.烟囱效应2.1烟囱效应原理烟囱效应(Stack effect)是指户内空气沿著有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强对流的现象。最常见的烟囱效应是火炉、锅炉运作时，产生的热空气随著烟囱向上昇，在烟囱的顶部离开。因为烟囱中的热空气散溢而造成的气流(Draft)，将户外的空气抽入填补，令火炉的火更猛烈。2.2烟囱效应在建筑中的应用 建筑通风(Building ventilation)是指建筑物内部与外部的空气交换、混合的过程与现象，为影响室内空气品质的最主要因素.通风可依其驱动力来源区分为自然通风(Natural ventilation)与机械通风(Mechanical ventilation)。自然通风是依靠建筑物内外的气压差异或温度差异所造成的空气流动; 机械通风又称为强制通风(Forced ventilation)，利用通风机械（风扇、送风机、抽风机）所产生的动力促使室内外的空气交换和流动。机械通风适用于自然通风量不足或室内会产生有害或可燃气体，其优点为风量稳定，且可随需要来控制通风量，但缺点为消耗能量.在建筑设计中，利用热压差实现自然通风就是利用的“烟囱效应”原理。它是利用热空气上升的原理，在建筑上部设排风口可将污浊的热空气从室内排出,而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入。热压作用与进、出风口的高差和室内外的温差有关,室内外温差和进、出风口的高差越大,则热压作用越明显。在建筑设计中，可利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔如楼梯间、中庭、拔风井等满足进排风口的高差要求，并在顶部设置可以控制的开口，将建筑各层的热空气排出,达到自然通风的目的。与风压式自然通风不同，热压式自然通风更能适应常变的外部风环境和不良的外部风环境。烟囱效应不仅实现了自然通风，它在双层玻璃幕墙中的使用，还有效的阻挡了热量的传递，降低建筑墙体的传热系数，达到了节约建筑能耗的作用. 建筑中的很多空间都存在烟囱效应，如中庭、楼梯间、竖向排风管道等，当室外温度比室内高时，这些具有烟囱特征的建筑空间或构件中存在空气从底部向高处流动的现象即为烟囱效应。这种现象与进出风口面积、进出口风高度差、室内外温差、空气底部和顶部的密度差、通风路径状况等因素有关。 热压作用下的自然通风量 N 可用以下公式计算：公式中分别为进风口和排风口面积。（单位），分别为室内温度，H为进排风口高度差。从公式可以看出，在室内外温差一定的情况下，热压通风量取决于进出风口面积 和排风口高度差的大小。 根据高中数学公式 可推导出，即当进、排风口面积的时候 可取得最大值 1/2，而当 或 有一个值确定时，只有取两者面积相等时通风量可取得最大值，即出风口与进风口面积之比越接近 1 通风量越大。不同高差在不同温度条件下产生的垂直方向的空气压力差不相同，高差越大、温度越高的情况下压力差越大，能产生的烟囱效应也越强，室外环境温度较低时则可能产生反方向的空气压力差，从而发生逆向的烟囱效应，空气从底部排出，将外空气从烟囱顶吸入建筑。 表2.1-1 烟囱效应作用引起的压强差 资料来源：张建涛, 王丁丁.当代建筑运用“烟囱效应”原理的设计表达.郑州大学学报工学。 烟囱效应亦可以是逆向的。当户内的温度较户外为低(例如夏天使用空调时)，气流可以在烟囱内向下流动，将户-外-空气从烟囱抽入室内。 烟囱效应的犟度与烟囱的高度，户内及户外温度差距，和户内外空气流通的程度有关。 当火势在建筑物内部形成时，内部空气因受热而密度变低，烟流因浮力效应向上流动，而在高层建筑中，有楼梯间电梯竖井及管路间等垂直通路，正好提供烟流垂直流动的管道，烟层于是向上蓄积，理想上烟层会到达楼顶后再以水平的方向漫延到楼层内部，而夹在起火层及烟层蓄积层间的楼层是不会有烟流漫延到楼层内部，一直要到烟层下降到该面的楼层，才会有烟流漫延。实际情形下，烟层是否会在楼顶蓄积要视楼层高度、外界温度、火场温度等决定，譬如说大楼为30层的建筑，由于上述条件的交互影响，烟层有可能到达不了楼顶，可能在楼层第20层开始蓄积，并向水平漫延，此时20层已上的楼层不会感受到有烟流的存在。 实验2.2烟囱符号及示意图 实验2.3烟囱符号及示意图2.3烟囱效应的危害在高楼大厦的环境内，烟囱效应可以是令火灾猛烈加剧的原因。在低层发生的火灾造成的热空气，因为密度较低，经电梯槽或走火通道内得以往上流动，使高热气体不断在通道的顶部积聚，结果是使火势透过这种空气的对流在大厦的顶层制造另一个火场。不单使扑救变得更困难，更会危及前往天台逃生的人员的生命安全。在烟囱效应的作用下，室内有组织的自然通风、排烟排气得以实现，但其负面影响也是多方面的：首先，风沙通过低层部分各种孔洞、缝隙吹入室内，消耗热量并污染室内；其次，风通过电梯井由底层厅门人口被抽到顶层的过程中，导致梯门不能正常关闭；第三，当发生火灾时，随着室内空气温度的急剧升高，体积迅速增大，烟囱效应更加明显，此时，各种竖井成为拔火拔烟的垂直通道，是火灾垂直蔓延的主要途径，从而助长火势扩大灾情。有资料显示，烟气在竖向管井内的垂直扩散速度为3-4ms，意味着高度为100m的高层建筑，烟火由底层直接窜至顶层只需30s左右。如果燃烧条件具备，整个大楼顷刻问便可能形成一片火海。2.4防护措施 为有效减弱烟囱效应产生的负面影响，可采取以下一些措施1.在冬季，空气主要是通过各种外门从底层流入室内，最直接的方法是将建筑通向外界的所有门，尽可能地设置成两道门、旋转门、加装门斗或在外门内侧设置空气幕等，这对于大厅门尤为必要，对于那些次要通道连同地下停车场的外门口等，在冬季也要装门，至少应增挂厚门帘。在冬季，电梯井顶部的通风孔应适当向小调整或关闭。2.对于已采暖的建筑物，尽量不使低层部分的室内温度高于高层部分。3.当火灾发生时，不仅在任何季节通过各类竖井产生烟囱效应，而且还可能在小范围内通过穿越楼板的空调管道，甚至是一些不引人注意的孔隙产生烟囱效应。对此，高层民用建筑设计防火规范（GB50045-1995）有以下明确规定（1）当围护结构采用幕墙形式时，“与每层楼板、隔墙处的缝隙，应采用不燃烧材料严密填实”。（2）“建筑高度不超过100m的高层建筑，其电缆井、管道井应每隔23层在楼板处用相当于楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔；建筑高度超过100m的高层建筑，应在每层楼板处用相当于楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔”。因施工缺陷、桥架和管道根部形成的各种孔隙，必须用不燃烧材料填塞密实。（3）“楼梯间和前室的门均为乙级防火门”，并“应具有自行关闭的功能”；各种竖向管井“井壁上的检查门应采用丙级防火门”：“电缆井、管道井与房间、走道等相连通的孔洞，其空隙应采用不燃烧材料填塞密实”：“垂直风管与每层水平风管交接处的水平管段上应设防火阀”：“厨房、浴室、厕所等的垂直排风管道，应采取防止回流的措施或在支管上设置防火阀”，以确保火灾时与走道及房间的分隔，防止各楼层之间通过竖井交叉蔓延。 2.5文丘里效应 文丘里效应指当风吹过阻挡物时，在阻挡物的背风面上方端口附近气压相对较低，从而产生吸附作用并导致室内空气流动。 在一个流体系统，比如气流、水流中，流速越快，流体产生的压力就越小，这就是丹尼尔伯努利 1738 年发现的“伯努利定律”。伯努利通过实验得出：理想流体在做稳定流动时，流速大的地方压强小，流速小的地方压强大(但并非反比关系)，对于管流处任意一点： （公式 2.2） 以上即为伯努利方程，当流体水平流动时，或高度差影响不明显时（如气体的流动），伯努利方程可表达为： （公式 2.3） p 为该点压强， 为气体密度，v 为该点流速，g 为重力加速度，即气体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意一点的压力势能、动能之和保持不变。 从伯努利定律可以得知文丘里效应形成的原因：当风吹向建筑时，由于建筑的阻挡，大部分风只能从建筑物上方通过，此时建筑背风面下方区域的风速要小的多，而风速越高的地方压强越小，造成建筑背面区域上方压强小于下方压强，这时空气从压强较大处向压强较小处运动，出现下方空气向上流动的现象，这就形成了文丘里效应。 图2.5隆利卡大楼通风示意图，风从建筑一端进入从顶部风塔排出，利用文丘里效应增强了热压通风效果。Abstract: air convection is due to the uneven air is heated, the heated air inflation to rise, and form cold ai