置換通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計計算參數(shù)控制及應(yīng)用

摘 要

摘要：介紹了置換通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理，對設(shè)計計算參數(shù)的控制進(jìn)行了探討。對置換通風(fēng)+供冷輻射吊頇的實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：置換通風(fēng)系統(tǒng)；設(shè)計計算參數(shù)；供冷輻射吊頇C(jī)ontr
摘要：介紹了置換通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理，對設(shè)計計算參數(shù)的控制進(jìn)行了探討。對置換通風(fēng)+供冷輻射吊頇的實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：置換通風(fēng)系統(tǒng)；設(shè)計計算參數(shù)；供冷輻射吊頇
Control and Application of Design and Calculation Parameters for Displacement Ventilation System
CHANG Ru，YU Qidong
Abstract：The working principle of displacement ventilation system is introduced，and the control of the design and calculation parameters is discussed.The practical engineering application of displacement ventilation and cooling radiant ceiling is analyzed.
Key words：displacement ventilation system；design and calculation parameters； cooling radiant ceiling
1 置換通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理
置換通風(fēng)是將新鮮空氣以低速直接送入房間，并在地面附近形成一層薄薄的空氣湖。當(dāng)送風(fēng)遇到室內(nèi)熱源(人員與設(shè)備等)時被加熱形成上升的煙羽，上升煙羽不斷卷吸周圍空氣并流向房間頂部，最終通過設(shè)置在房間頂部的排風(fēng)口排出[1～2])。若煙羽流量在近房間頂部處大于送風(fēng)量，根據(jù)連續(xù)性原理，將有一部分熱濁氣流下降返回，因此在頂部形成一個熱濁空氣層。根據(jù)連續(xù)性原理，在某一界面上煙羽流量等于送風(fēng)量，在該界面上返回空氣量為零。這個界面將室內(nèi)空氣在流態(tài)上分為兩個區(qū)域：上部湍流混合區(qū)，下部層流清潔區(qū)(即工作區(qū))。置換通風(fēng)的工作原理見圖1。
 

    由于置換通風(fēng)是低速送風(fēng)，送風(fēng)動量較小，因此不易對室內(nèi)主導(dǎo)氣流產(chǎn)生明顯影響，而且置換通風(fēng)的通風(fēng)效率較高，空氣齡短，使得工作區(qū)的空氣品質(zhì)得到改善[3]。但熱源引起的上升氣流易使工作區(qū)產(chǎn)生垂直溫度梯度，若不能很好地控制，將造成工作區(qū)內(nèi)人員的不舒適。本文主要探討制冷工況。
2 置換通風(fēng)適用條件
   ① 適用冷源
   置換通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)溫度高于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)。采用冷水機(jī)組作為冷源，可通過控制流經(jīng)換熱盤管的冷水流量，控制送風(fēng)溫度，穩(wěn)定性好。因此，置換通風(fēng)系統(tǒng)一般采用冷水機(jī)組作為冷源。
   ② 適用場所
   置換通風(fēng)的核心技術(shù)是利用工作區(qū)的熱源加熱送風(fēng)氣流，使其利用自然作用力卷吸工作區(qū)內(nèi)污染物及余熱，并從上部排出。因此，置換通風(fēng)適用于高度大于3m的空間，如廠房、影院、體育館等。
3 設(shè)計計算參數(shù)的控制
   ① 溫度
   在分析置換通風(fēng)房間溫度控制時，設(shè)定室內(nèi)溫度在垂直方向上具有線性變化規(guī)律。距地面0.1m處是人體腳踝的位置，腳踝是人體暴露于空氣中的敏感部位，因此該高度的空氣溫度t0.1不應(yīng)引起人體的不適。從舒適度出發(fā)，設(shè)計人員往往關(guān)心的是人員頭部與腳踝之間的溫差。采用置換通風(fēng)時，室內(nèi)溫度變化由3部分組成：
   a. 送風(fēng)后地面的溫升
   送風(fēng)后地面溫升△t0.1的計算式為：
    △t0.1=t0.1-ts
式中△t0.1——送風(fēng)后地面的溫升，℃
    t0.1——距地面0.1m處的空氣溫度，℃
    ts——送風(fēng)溫度，℃
   b. 距地面0.1m至界面高度溫升
   距地面0.1 m至界面高度溫升△tn的計算式為：
    △tn=th-t0.1
式中△tn——距地面0.1m至界面高度溫升，℃
    th——界面高度矗處的空氣溫度，℃
    對于人員以坐姿為主的場所，h取1.1m，則有：
    △tn=t1.1-t0.1
式中t1.1——距地面1.1m處的空氣溫度，℃
    對于人員以站姿為主的場所，h取1.8m，則有：
    △tn=t1.8-t0.1
式中t1.8——距地面1.8m處的空氣溫度，℃
    c. 上部湍流混合區(qū)溫升
   上部湍流混合區(qū)溫升△te的計算式為：
    △te=te-th
式中△te——上部湍流混合區(qū)溫升，℃
    te——排風(fēng)溫度，℃
    由以上分析得出置換通風(fēng)房間內(nèi)溫度分布，見圖2。圖中ht為房間高度，單位為m。由圖2可知，3個溫度變化區(qū)域具有明顯的差異性：從地面至0.1m高度溫度變化最顯著，0.1m高度至界面高度次之，溫度變化最小的是上部湍流混合區(qū)。

不同標(biāo)準(zhǔn)推薦的△tn、t0.1見表1。結(jié)合表1數(shù)據(jù)及工程應(yīng)用，確定置換通風(fēng)房間的溫度控制參數(shù)：th-t0.1≤3℃；冬季：t0.1≥19℃，夏季：t0.1≥21℃。
表1 不同標(biāo)準(zhǔn)推薦的△tn、t0.1
標(biāo)準(zhǔn)編號
SIA V382/1
IS0 7730
ASHRAE 5529
GB 50019
t1.1-t0.1
≤2℃
≤3℃
 
 
t1.8-t0.1
—
—
≤3℃
≤3℃
t0.1
冬季19℃，夏季22℃
19～26℃
18～29℃
—
注：SIA為瑞士工程師和建筑師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，IS0為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)，ASHRAE為美國供暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)，GB為中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)。
   ② 送風(fēng)速度
   在置換通風(fēng)系統(tǒng)中，送風(fēng)量對界面高度的變化影響很大。界面高度隨著送風(fēng)量的增加而增高，這對形成潔凈的工作區(qū)有利。但隨著送風(fēng)量的增大，送風(fēng)速度增大到一定程度后，將會使送風(fēng)動量過大，甚至破壞工作區(qū)層流流態(tài)。另外，送風(fēng)速度偏大易使人體感受到不舒適的吹風(fēng)感。置換通風(fēng)工程通常將送風(fēng)速度控制在0.13～0.17m/s。
    ③ 送風(fēng)量
送風(fēng)量q的計算式為[4]：
 
式中q——送風(fēng)量，m3/h
    a、b、c——系數(shù)，分別取0.295、0.132、0.185
    Φ0——室內(nèi)人員、電氣設(shè)備發(fā)熱量，W
   Φ1——室內(nèi)照明發(fā)熱量，W
   Φe——太陽輻射得熱量，W
    ρ——空氣密度，kg/m3
    cp——空氣比定壓熱容，kJ/(kg·K)
    這種送風(fēng)量的計算方法基于一定的設(shè)定，即設(shè)定沿高度方向工作區(qū)內(nèi)溫度是線性變化的，并認(rèn)為僅有部分室內(nèi)熱負(fù)荷影響工作區(qū)的溫度梯度。這種計算方法通過CFD數(shù)值模擬，在工程中有一定的實(shí)用性[4]。
4 置換通風(fēng)+供冷輻射吊項(xiàng)的工程應(yīng)用
    以天津地區(qū)某電子廠房核心部件加工車間為例，該車間位于廠房內(nèi)區(qū)，由于工藝特殊要求，車間需常年供冷，車間內(nèi)部無明顯濕源且工作人員較少。另外，工藝要求對室內(nèi)相對濕度控制偏低，車間區(qū)域的劃分及室內(nèi)空氣控制參數(shù)見表2。建筑特點(diǎn)：熱源發(fā)熱量大，冷負(fù)荷指標(biāo)425W/m2；熱源分布點(diǎn)較少；車間內(nèi)部沒有明顯濕源，且工作人員較少，濕負(fù)荷明顯小于其他類型建筑；由于車間內(nèi)部設(shè)備與人員稀疏，因此不像辦公或商場建筑存在明顯的氣流遮擋問題。
表2 車間區(qū)域的劃分及室內(nèi)空氣控制參數(shù)
區(qū)域劃分
建筑面積/m
高度/m
溫度/℃
相對濕度/%
切割區(qū)
60
3.4
23±1
45±5
扣件加工區(qū)
61
放大器加工區(qū)
79
    根據(jù)車間熱源分布特點(diǎn)與室內(nèi)空氣的控制要求，采用置換通風(fēng)+供冷輻射吊頂。置換通風(fēng)裝置保證衛(wèi)生要求的通風(fēng)量和消除濕負(fù)荷，供冷輻射吊頂解決車間內(nèi)顯熱負(fù)荷，削弱垂直溫度梯度對人員造成的不適。但這種解決方案存在的最大問題就是供冷輻射吊頂易凝露[5]，因此工程中通常提高供冷輻射吊頂表面溫度使其高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)。具體方案為只在熱源點(diǎn)附近設(shè)置送風(fēng)口，在熱源上方安裝供冷輻射吊頂，其他區(qū)域不設(shè)置送風(fēng)口、供冷輻射吊頂，這對于減少送風(fēng)量及降低供冷輻射吊頂布置率非常有利，實(shí)際工程中該車間的供冷輻射吊頂布置率只有30%左右。由實(shí)際應(yīng)用可知，針對熱源產(chǎn)熱量大，分布點(diǎn)少，濕負(fù)荷小，以消除顯熱負(fù)荷為主的廠房，采用置換通風(fēng)+供冷輻射吊頂是合理的，可以克服工作區(qū)溫度梯度控制不當(dāng)造成的人員感覺不適的情況，減小送風(fēng)量，降低風(fēng)管、風(fēng)口的造價，節(jié)省通風(fēng)管道占用的空間，降低風(fēng)機(jī)能耗。
5 結(jié)論
    ① 優(yōu)化設(shè)計計算參數(shù)是置換通風(fēng)工程設(shè)計的關(guān)鍵，特別是針對不同的生產(chǎn)工藝，應(yīng)充分分析熱源與溫度場的特點(diǎn)，選擇更加合理的控制方案。
    ② 針對熱源分布點(diǎn)少、發(fā)熱量大的廠房，置換通風(fēng)+供冷輻射吊頂是一種值得推薦的方案，也有利于對置換通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計計算參數(shù)的優(yōu)化控制。
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(本文作者：常茹 于齊東 天津城市建設(shè)學(xué)院 天津 300384)