无风道诱导风机通风空调系统设计计算方法教材

1、无风道诱导风机通风空调系统设计计算方法摘要 无风道诱导风机空调系统是一种新型的空调系统， 本文 介绍了其基本工作原理和组成。提出了可供工程设计的气流 组织计算方法 ，提供了计算所需要的，以实验为基础获得的 实验数据。给出了具体的设计步骤和计算例题。对多股平行 非等温射流、贴附射流对射流特性的 影响 进行了讨论。关键词 诱导风机 空调系统 气流组织 设计方法1 引言无风道诱导风机已经广泛 应用 于国内地下停车场，至仿已有近万中诱导风机使用在国内几百个地下停车场内，为改善地下停车场的空气品质，降低地下停车场通风系统的一次投资和运转费用起到了一定的作用。实际上，这种通风空调系统在国外，除了用于地下停

2、车场的通风换气以外，在高大空间空调系统中也得到了广泛的应用，尤其是在日本应用工程很多，其中些典型应用实例引人注目。2001 的在广州国际会展中心的空调设计中，日本佐藤设 计事务所在大面积的展览会场中，采用了无风道诱导风机空 调系统，这是这种系统第一次在国内空调工程中应用，因此引起了国内空调界极大的兴趣，也引发了对这种系统在空调 工程中可行性的激烈争论。由于在广州国际会展中心的空调设计中，日方只提供了设计方案，而未提供设计所必需的计算资料，因此给国内设计人员的设计造成了很大的困难，同进也增加了这种能风空调系统神秘的色彩。为解决无风道诱导通风系统在空调工程应用过程中所缺少的设计计算资料， 笔者从

3、2001 年中期开始，对这种系统进行了深入的 研究 ，通过对其主要部件的改造，性能的测试，以及设计计算方法的研究，尤其是通过实际工程的实践，基本上掌握了这种系统工程空调工程的设计计算方法，为今后在国内空调工程中推广和应用这种先进系统提供一实用的设计 参考 资料。2 工作原理及系统的组成由文献 1的分析 可以知道，当空气由直径为 D0的喷品， 以送风速度 V0 向往一个不受周围界面表面限制的空间扩散 时，由于射流边界与周围介质间的紊流动量交换，周围空气 不断被卷入，沿射程方向，射流不断扩大，射流流量不断增 加，射流轴心速度则逐渐衰减。如图 1 所示，无风道诱导风 机空调系统的空调机组送出的空气不

4、是像传统的空调系统那 样，通过送风风道将经过处理的空气送到需要的地方，而是 通过喷嘴直接送入空调空间，而诱导风机机组被置于射流主 气流的流道中，当射流轴心速度下降时，利用诱导风机，使 主气流获得新的动力，将处理过的空气送到指定的位置，通 过改变诱导风机机组的送风口角度和方向，还可以调整冷、 热气流的落差，防止了冷风过早进入工作区，导致人体不舒 适，也解决了热风难以下送的难题，同时还可以使主气流转 向，避免了送风死区的出现，减少了区域温差。图 1 无风 道诱导风机空调系统示意图目前 可利用的诱导风机机组有两种形式，一种形式为：诱导风机机组有三个送风口，且送风口的位置有5 个方向可以安装，回风口置

5、于机组后部和两侧上部，这种被称为 TOPVENT? 2 的诱导风机为瑞典 ABB 公司在日本的控股公 司富列克特（ Flkt ）公司的专利产品 2。另一种形式为：诱导 风机采用上下角度分别可以调节 30的平面送风口， 由于单机 风口的宽度可以达到 1800mm，因此可能形成很宽的平面射 流，回风口可以设在机组后部，或者下部，这一产品已由笔 者研制成功，并获得 中国 专 利。3 设计计算方法采用诱导风机替代传统的风道用于空调系统，其风险性 远远大于常规有道空调系统，可能出现的 问题 是：由空调 机组送出的冷（热）风未能达到诱导风机处，就下落，结果 在空调房间内出现明显的区域温差；冷气流中途下落，

6、导 致明显的 吹风感 ，引起人体不舒适；送风不送到所有需 要空调的区域，形成气流停滞区；气流噪声问题；热风 下送总是。上述这些问题，归纳起来，在设计过程中需要解 决的实际上就是：气流组织计算问题；气流组织形式问 题。下面分别说明。3 1 气流组织计算3 1 1 基本计算公式虽然最近十年， CFD 技术在气流组织设计中已得到一定的应用，但是由于影响因素繁多，其准确性沿无法替代以实验为基础的计算方法。国内外空调工程设计中采用的主要还是以实验为基础的计算方法。如图 1 所示，无风道诱导风机 空调系统，实际上是多股喷口射流的叠加。气流组织计算的 目的就是确定：轴心速度衰减 规律 ；轴心轨迹，即射流 落

7、差；轴心温度衰减规律。目前国际上使用的射流计算公 式的形式基本相同 3 5，主要区别在于通过实验得到经验系数不尽相同。轴心速度衰减公式：1)式中 V 0-出风口平均风速， m/s；V x- 射程 X 处轴心速度， m/s；K1-轴心速度常数，无因次；A 0-出风口有效面积， m2。X- 射程， m。非等温射流轴心轨迹，即射流落差计算公式：2)式中 Y- 射流轴心偏离水平轴之距离， m；a0-射流出口轴线与水平轴之夹角；y-系数，与风口形式和尺寸有关， y=0.47 0.06，无因次；K2-轴心温度常数，无因次；Ar 0-阿基米德数。 轴心温度衰减规律：（3 式中 TO- 出风口送风温度，；TX

8、-射程 X 处轴心温度，； TR-回风温度，； 诱导风机用于空调系统与用于通风系统时，最大的区别 就是前者是非等温送风，而后者是等温送风，对于非等温射 流，其射程、轴心轨迹、轴心速度衰减、轴心温度衰减都将 受到阿基米德准数的影响 3 。虽然气流组织已经是一个很老的 课题，但是目前可供工程设计使用的较准确的计算公式并不 完善，例如非等温送风的轴心速度衰减就缺乏可靠的计算公 式，因此对于非等温送风，目前国外仍然采用式（ 2）进行计 算3。同时，采用什么样的公式进行计算尚存在较大的分歧。3 12 轴心速度常数和轴心温度常数在式（ 1）（ 3）中，轴心速度常数 K 1和轴心温度常数 K2 对计算结果影

9、响很大。 K 1国亦称风口特性系数、送风口常 数。国内在进行射流轴心速度衰减计算时，同时采用另一个 与风口有关的经验系数， 被称不紊流系数 a6，a 和 K1之间存 在以下换算关系： a=0.42/ K1。轴心速度常数是一个与风口形式和具体结构有关的实验参数， 它表示轴心动能损失 3 ，对于 一种形式的风口，轴心速度常数历来被看成常数，但是最近 研究发现轴心速度常数并非常数，它还与送风口风速有关3，7。K1、a和 K 2虽然都是由试验确定的参数，使用简单，但是 国内在计算过程中也存在一些问题：式（ 1）有两种形式， 当式（1）中的采用 DO 替代时，公式中常数应除去；不同的风口采用相同的轴心速

10、度常数，目前通用的 速度衰减和射流轴心轨迹计算公式，已将喷口的轴心速度常 数和轴心温度常数具体数值写入公式中，因此采用其他风口 （如矩形风口，条缝风口，旋流风口等），仍采用这些计算 公式，将导致明显误差；轴心速度常数取值过大，部分厂 家，为了商业利益，任意提高风口射程（即轴心速度常数）， 最近在国内会展类建筑的空调设计中这已是司空见惯的事。 虽然各类手册和教科书都登载有轴心速度常数和轴心温度常 数表，但是表中风口形式过于笼统，因此准确性较差，对于 一种形式、 尺寸一定的风口， 一般最好通过实验来确定。 表 1 是目前常用的轴心速度常数和轴心温度常数。常用风口的轴心速度和轴心温度常数 表 1风口

11、形式K1K2V O=2 5m/sV O=1050m/s圆形和方形喷口5.06.2矩形喷口，长宽比4034.15.3条缝喷口 3格栅风口，净面积 大于 40%34.15.0穿孔板，净面积3%5%32.73.3穿孔板，净面积10%50%33.54.3喷口 36.36.54.95.1格栅风口 31.81.7为了确保无风道诱导风机通风空调系统的可靠性，笔者委托国家空调设备质量监督检验中心对 TOPVENT? 2 型诱导风机机组和空调机组用 DVN 球型喷口性能进行了检测， 图2为诱导风机用球型喷口的轴心速度常数 K1和图 3是 DVN球型喷口的轴心速度常数 K1 的测试结果。由图 2 和图 3 可以看

12、出： K1 并非一个常数；虽然诱 导风机上的三个喷口形式、尺寸完全相同，但是由于安装部位和出风角度不同， K 1不同；射程超过 6m 之后，诱导风机喷口 K 1基本不变； 对于 DVN 球型喷口， 出口速度增加，射程增加， K1 减少。图 2 诱导风机机组球型喷口轴心速度常数 K1图 3 DVN型球型喷口轴心速度常数 K13 13 贴附射流的影响诱导风机一般都是挂在天花下部，因此除了将喷嘴置于 诱导风机的底部下送外，射流一般都会贴附在天花上，形成 贴附射流，通常是将贴附射流视而不见为自由射流的一半， 风口断面面积加倍， 因此轴心常数等于自由射流的 ，即表 1 最大值 6.2 变成 8.77。对

13、于贴附射流， 人们最关心的是非等温射流的贴附长度， 即射流分离距离，对于非等温附射流，式（ 4）是目前使用最4）广泛的一种计算公式 8 ：式中 x s-射流分离距离， m； P-风口静压降， Pa。31 4 多股平行射流的影响由于无风道诱导风机空调系统一般都是采用多台空调机 组和多台诱导风机并列，因此实际上都为多股平行非等温射流，由式（ 5）可以看出 1 ，多股平行射流的速度衰减慢于单股射流，射流射程加长。5）其中 l- 喷口之间的间距， m比较式（ 1）和式（ 5）可以看出，多股平行射流与单股射流的区别在于前者多了一项图 4 表示了 4 种不同喷口间距下，相同的射程时，两种射流轴心速 度的差

14、异，由图可知， 当喷口之间的间距超过了 2m时，两种 射流的差异已经非常小。3 1 5 设计计算方法利用式（ 1）式（ 4）和实验所得喷口轴心速度常数 K1即可进行无风道诱导风机空调系统设计计算。设计步骤如下 所述：根据送风量和空气分布器标准（ JG/T-1999）规定：风 口全压损失应不超过 100Pa 的原则，选择喷口的规格和数量； 利用式（ 4）计算喷嘴送风长度（轴心速度为 0.5m/s）； 根据射流的出风夹角为 22的规律 3绘制送风射流分布图； 考虑到非等温射流的影响， 第一排诱导风机设置在 0.8 倍喷嘴 送风长度 xs之处，第一排诱导风机的数量按 3m 间距布置， 诱导风机必须在

15、送风气流范围内；利用式（ 3）计算末端轴 心温度 Tx；计算第一排诱导风机的送风长度（轴心速度为 0.5m/s）； 第二排诱导风机设置在 0.8 倍诱导风机喷嘴送 风长度 xs之处； 第二排诱导风机的数量仍按 3m 间距布置， 数量同第一排；第三排以后的诱导风机数量和间距同前； 分别计算射流末端轴心温度。设计实例：空调机组风量 5000m3/h ，选择 3 个 DVN400 球型喷口（喉口直径 398mm），间距 2m，喉口风速度 4m/s， 出风速度 12.1m/s时，全压损失 95.4Pa，静压损失 85.8 Pa， 送风温度 10，室内温度 26，轴心速度为 0.5m/s 时送风距 离为

16、 17m，第一排诱导风机布置在 13m 处，每排 4 台，第一 排处轴心温度为 25，第二排诱导风机布置在离第一排诱导 风机 6m处，每排 4 台。诱导风机共 6排，排间距 6m，台间 距 3m，总射程 50m 。最后一排轴心温度已经接近室温。以上 计算结果与 CFD 模拟结果大致一致， 主要区别是轴心温度的 升高 CFD 模拟结果明显低于上述计算，原因可能是，由于是 多股水平射流送风，除了最外侧的，射流边界卷吸的主要是 送风射流，并非是像单股射流那样卷吸的是室内空气，因此 轴心温度升高速度明显低于用单股射流公式计算的结果，这 是无风道诱导通风系统用于空调系统中的一个新发现。3 2 气流组织形

17、式 由于无风道诱导风机空调系统是利用空气气流来分布处理 过的空气，因此气流组织形式，即空调机组和诱导风机的位置， 以及布置方式对整个空调系统的使用效果 影响 甚大。 空调机组一般沿墙布置，可以是单侧送风、双侧对送，对角 线对送。空调机组，即送风口的高度和角度应该通过 计算 确定， 以保证在设计的射程内，射流能到达第一排诱导风机所处的位 置，宜采用贴附送风。空调机组之间的距离，应考虑到气流的覆 盖面，由于射流的出风平角一般为 22，因此应该通过作图的 方 法，尽可能减少气流无法覆盖的区域的面积。 为了解决冷风过早 的进入工作区， 同时解决热风难以下送的难题， 空调机组应该采 用送风角度可以电支调

18、节的喷口， DVN 球型喷口可以用手动和 电动方式和上和向下调节 30，合理的送风角度应由计算确定。第一排诱导风机的离空调机组的距离，诱导风机之间的距 离，应由计算确定。 诱导风机排间距的确定与空调机组之间的距 离的原则相同。当空调系统总射程较远，空间较大，射流离地面 较高时，宜采用 TOPVENT? 2 形式诱导风机机组， 可以在诱导 风机的前部布置两个喷口， 在诱导风机的下部布置一个喷口， 使 得在形成向前的主气流的同时， 在诱导风机的下部形成一股垂直 向下的空调送风气流， 以便减少室内的区域温差， 这点对冬季需 要送热风的建筑尤为重要。 对于层高不高的大面积空间， 宜采用 平面送风形式的诱导风机， 由于这种诱导风机的出风