置换通风的原理及应用

1、 能源学院工业通风作业（论文）论文题目：置换通风的原理及应用专 业：安全工程 班 级：安全1001班 小 组：混合宿舍、5124 电 话：153*3176置换通风的原理及应用郑克明（西安科技大学能源学院 陕西 西安 716500）摘要：本文介绍了置换通风的概念、基本原理、基本特征，并简要分析了置换通风的应用前景。关键词：置换通风 全面通风 空气湖 目录1 置换通风的发展背景22 置换通风的概念23 置换通风的原理34 置换通风的特性44.1 自然对流44.2 温度分布54.3 速度分布64.4 浓度分布74.5 热力分层84.6 置换通风与混和通风的对比95 置换通风的设计105.1 置换通风

2、设计时，应符合下列条件：105.2 置换通风的设计参数105.3 置换通风器的选型，其而风速应符合下列条件:105.4 置换通风器的布置，应符合下列条件:115.5 置换通风末端装置的选择与布置116 置换通风的应用126.1 落地式置换通风末端装置在上业厂房的应用126.2 落地式置换通风在会议厅的应用136.3 架空式置换通风器在办公室的应用137 置换通风的应用前景分析147.1置换通风末端产品的发展历史147.2我国置换通风末端产品的现状157.3新一代置换通风末端装置的研究158 结论169 参考文献1610参与工作小组成员171 置换通风的发展背景 随科技的发展，人们生活质量的提高

3、，能耗问题已经成为当今社会面临的重要问题之一。20世纪70年代爆发了席卷全球的能源危机，为节约能源，许多工厂采用间歇通风的方式来降低能耗。虽然这种方法减少了能源消耗，却使室内空气品质下降，工人长时间工作在空气污浊的环境中，会引发许多疾病，不仅对工人造成了人身伤害，也为企业带来了一定程度的经济损失。为了提高人员作业区的空气品质，在欧美国家率先提出了置换通风的理念并应用于实践。2 置换通风的概念 置换通风是将低温空气通过靠近地面的送风口送至室内，经室内热源（设备、人员等）加热后升温，依靠自然热浮力向上浮动，再经上方排风口将污浊空气排出的一种通风方式（见图1）。图1 置换通风3 置换通风的原理置换通

4、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空气湖1。空气湖是由较凉的新鲜空气扩散而成。室内的热源(人员及设备)产生向上的对流气流。新鲜空气随对流气流向室内上部流动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。送风口送入室内的新鲜空气温度通常低于室内上工作区的温度2-4。较凉的空气由于密度大而下沉到地表面。置换通风的送风速度约为0. 25 m/ s 左右。送风的动量很低以致对室内主导气流无任何实际的影响。较凉的新鲜空气犹如倒水般地扩散到整个室内地而并形成空气湖。空气湖中的新鲜空气受热源上升气流的卷吸作用、后面新风的推动作用及排风口的抽吸作用而缓慢上升，形成类似活

5、塞流的向上单向流向，因此室内热而污浊的空气被后续的新鲜空气抬升到房间顶部而排出。热源引起的热对流气流使室内产生垂直的温度梯度。在这种情况下，排风的空气温度高于室内上作温度。由此可见，置换通风的主导气流是由室内热源所控制。置换通风的气流流动如图2所示。图2 置换通风的气流流动4 置换通风的特性置换通风与传统混合通风因为通风空调方式的机理和目的不同，形成了两者之间特性的差异2。传统的混合通风是以稀释原理为基础的，而置换通风以浮力控制为动力。这两种通风方式在设计目标上存在着本质的差别。前者是以建筑空间为本而后者是以人为本。由此在通风动力源、通风技术措施、气流分布等方而及最终的通风效果上发生了一系列的

6、差别，也可以说置换通风以崭新的而貌出现在人们而前。其特性是主要与传统混合通风相比下而言，主要有以下几个方面的区别。4.1 自然对流 置换通风是以浮力作用为动力源而形成空气自然对流射流为主要特征的通风空调方式。当室内某物(如人和发热设备)的温度高于其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自然对流射流，并夹带热源周围空气一起升至室内顶部(见图3)。这时自然就形成了室内下部区域温度低和上顶部区域温度高的现象(见图4)。图3 置换通风状态下人体周围空气的自然对流图4 置换通风状态下室内空气的自然对流4.2 温

7、度分布 置换通风室内空气温度分布特征为:除靠近热源处外，在水平方向同一高度平面上空气温度无差别。在垂直方向室内温度基本上分为三个温升：地板面空气层温升段、工作区温升段和上顶部区温升段。根据试验研究置换通风室内温度分布与热源负荷无关，但与热源设置的高度有关2。 置换通风室内温度分布特点可见图5一图6图5室内仅人员时空气温度曲线图6室内热源设置高度不同时的空气温度曲线4.3 速度分布 置换通风室内空气的速度分布决定了室内人员会不会感到有吹风感，为了保障室内人员的舒适感，置换通风的送风速度很低，约为0.2m / s左。图7为当送风速度为0.2m / s时，置换通风室内工作区的空气流动速度分布。图7

8、置换通风工作区速度分布 由图7可见，当送风日出日风速为0.2m /s ,在距地面1.1m处的风速为0.08m / s，在距地面0. 1m处的风速为0.12m / s。整个工作区内的速度分布比较均匀。有资料表明，当送风速度极低，可保证在工作区的大部分区域风速低于O.15m/s ,使室内人员不会产生吹风感。4.4 浓度分布在理想情况下，热污染源散发出的污浊空气将随着周围空气的对流气流夹带入上部污染区域，在室内将形成明显的上、下两个浓度相差较大的区域(见图8)。当污染源是均布在室内地板上目温度较低（如地面水池)时，室内的污浊空气浓度分布将犹如温度分布一样。图9 置换通风热污染源污浊空气分布示意图4.

9、5 热力分层 置换通风根据浮力原理，借助室内空气的密度差形成室内空气由下而上的自然对流流动。现假定置换通风系统通风量为S，热源产生的自然对流射流量即烟羽流量为R。在热源周围自然对流射流形成的初期阶段，热烟羽流量卞要是由置换通风的送风量来补充自然对流射流形成的吸卷周围空气的流量，此时R<S,R是与高度成正比函数关系(见图10)随着热烟羽的不断上升，必有某高度h处，自然对流射流的吸卷周围空气的量与置换通风系统风量相等，即R=S。当热烟羽继续上升时，送风量己不能满足自然对流射流吸卷的空气量，并将有一部分空气回返予以补充，即R>S.随着空气在下部区域的不断送入以及顶棚处热污浊空气的不断排出

10、，使室内热烟羽状态予以稳定下来，形成以h高度处为分界的上、下两个区域。h高度以下为单向流动的清洁区，h高度以上为混和紊流的污浊区(见图11) 图10 点、线自然对流射流 图11 置换通风热力分层 在热力分层高度h处，详细地分析应该还有一个厚度为的过渡层，该层是由于对流紊流和热力扩散的平衡作用而形成的，该空气层极不稳定，易受各种外界因素而扰动。4.6 置换通风与混和通风的对比 两种通风方式的比较混合通风 置换通风目标全室温湿度均匀工作区舒适性动力流体动力控制浮力控制机理气流强烈掺混气流扩散浮力提升措施1大温差高风速小温差低风速措施2上送下回下侧送上回措施3风口紊流系数大送风紊流小措施4风口掺混性

11、好风口扩散性好流态回流区为紊流区送风区为层流区分布上下均匀温度/浓度分层效果1消除全室负荷消除工作区负荷效果2空气品质接近于回风空气品质接近于送风5 置换通风的设计5.1 置换通风设计时，应符合下列条件：污染源与热源共存时;房间高度不小于2. 4 rn;冷负荷小于120 W/(m*m)的建筑物。5.2 置换通风的设计参数坐着时，头部与足部温差t 2;站着时，头部与足部温差t3;吹风风险不满意率PD值不大于15%;热舒适不满意率PPD值不大于15%;置换通风房间内的温度梯度小于2 / m。5.3 置换通风器的选型，其而风速应符合下列条件: 工业建筑，面风速取0. 5 m/ s; 高级办公室，面风

12、速取0. 2 m/ s;一般根据送风量和面风速0. 2-0. 5 m/ s确定置换通风的数量。5.4 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是影响人体舒适的重要因素。离地而0. 1 m的高度是人体脚踝的位置，脚踝是人体暴露于空气中的敏感部位。该处的空气温度不应引起人体的不舒适。房间工作区的温度往往取决于离地而1.1m高度处的温度(对坐姿人员如办公、会议、讲课、观剧等)。5.5 置换通风末端装置的选择与布置 置换

13、通风末端装置通常有圆柱型、半圆柱型.1/ 4圆柱型、扁平型及壁型 5种。 在民用建筑中置换通风末端装置一般均为落地安装，如图12a所示。当某地高级办公大楼采用夹层地板时，置换通风末端装置可在地而上，见图12b。在工业厂房中由于地面上有机械设备及产品零件的运输，置换通风末端装置可架空布置，如图12c所示。图12 置换通风末端装置及排风口的布置a 落地安装 b 地平安装 c 架空安装6 置换通风的应用 置换通风在北欧已普遍采用。它最早是用在工业厂房用以解决室内的污染物控制问题。然后转向民用建筑，如办公室、会议厅、剧院等。6.1 落地式置换通风末端装置在上业厂房的应用（如图13）图13 落地式置换通

14、风在工业厂房的应用6.2 落地式置换通风在会议厅的应用 落地式置换通风末端装置在会议厅的应用如图14所示。从图中可见分层高度在坐姿人员头部以上。下部区为新鲜空气，上部区为污浊空气，排风口设置在房间上部。图14 置换通风在上海某会议厅的应用6.3 架空式置换通风器在办公室的应用（如图15） 架空式置换通风器的出风以低流速向下沉降并在地而形成空气湖，在热源的浮力作用下新鲜空气向上流动。热浊的污染空气在顶部并经排风口排出。7 置换通风的应用前景分析置换通风的应用是随着置换通风的概念被广泛接受和置换通风末端产品的大量开发、生产、应用而推广开来的。笔者认为置换通风在我国的广泛应用与以下两个方面有很大关系

15、，一是与置换通风末端产品的发展和新产品的开发有关，二是与人们对它的深入了解，特别是设计人员和业主的深入了解有关。7.1置换通风末端产品的发展历史最初的置换通风末端装置仅考虑让新鲜空气平稳、均匀的送入室内，送风速度低、温差小，故送风末端体积较大，相应的末端装置有圆柱型、半圆柱型、1/4圆柱型、扁平型及平壁型等几种。末端装置一般落地安装。随着空调技术的发展，根据新的建筑特点和功能开发了地板送风、座椅下送风的末端装置。其后开发了结合置换通风和冷却吊顶的末端送风装置，并得到应用.“置换通风末端装置+冷却吊顶”形式解决了脚冷头暖的不舒适感觉，置换通风末端用来保证卫生要求的通风量和消除湿负荷，冷却吊顶可以

16、消除垂直温度梯度对人的不适感觉，冷却吊顶的应用相对传统的空调系统有特殊意义，就是其采用了辐射换热技术，传统的混合通风，是以采用对流为主的传热方式，而冷却顶板辐射换热的比例大大提高.7.2我国置换通风末端产品的现状置换通风的应用与发展是与置换通风末端装置的发展紧密相联系的。置换通风目前在我国运用还不十分广泛，究其原因，笔者认为国内生产置换通风末端的厂家少，产品单一，研发能力不强是一重要原因。设计置换通风的工程可选择的设备少，妨碍了置换通风的广泛使用。目前全球经济一体化进程加快，中国即将加入世界贸易组织，关税下降，国内市场进一步开放，国外的末端产品逐渐进入中国市场，国内的研究开发也在进一步加强，这

17、就使得置换通风有更广阔的发展空间。7.3新一代置换通风末端装置的研究新一代末端装置要考虑的技术思路和问题是解决如下几个问题（1）在人员活动区域减少和消除热力分层对人的影响；（2）减少空气输送量以降低空调机组，风管、风口的初投资，节省通风管道占用的建筑面积，减少空气输送量以减少输运动力，从而减少风机耗能。因此，末端装置的设计思路围绕解决以上问题而展开。为解决置换通风送风量大，送风温差小的问题，可借鉴诱导通风的原理6，考虑提高一次风送风温差，在送至室内之前，或在人员活动区将一次风与室内空气混合，以提高送风温度。采用强化传热技术，使得室内空气在人员活动区迅速分布均匀，减少温度梯度。8 结论置换通风的原理简单，然而机理复杂。通过对置换通风的大致了解，以及借鉴学者对置换通风的研究数据，得出目前置换通风技术的应用在我国尚未成熟，需要做出进一步的研究。9 参考文献1 郑