置換通風系統設計計算參數控制及應用

摘 要

摘要：介紹了置換通風系統的工作原理，對設計計算參數的控制進行了探討。對置換通風+供冷輻射吊頇的實際工程應用進行了分析。關鍵詞：置換通風系統；設計計算參數；供冷輻射吊頇Contr
摘要：介紹了置換通風系統的工作原理，對設計計算參數的控制進行了探討。對置換通風+供冷輻射吊頇的實際工程應用進行了分析。
關鍵詞：置換通風系統；設計計算參數；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 置換通風系統的工作原理
置換通風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。當送風遇到室內熱源(人員與設備等)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，最終通過設置在房間頂部的排風口排出[1～2])。若煙羽流量在近房間頂部處大于送風量，根據連續性原理，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。根據連續性原理，在某一界面上煙羽流量等于送風量，在該界面上返回空氣量為零。這個界面將室內空氣在流態上分為兩個區域：上部湍流混合區，下部層流清潔區(即工作區)。置換通風的工作原理見圖1。
 

    由于置換通風是低速送風，送風動量較小，因此不易對室內主導氣流產生明顯影響，而且置換通風的通風效率較高，空氣齡短，使得工作區的空氣品質得到改善[3]。但熱源引起的上升氣流易使工作區產生垂直溫度梯度，若不能很好地控制，將造成工作區內人員的不舒適。本文主要探討制冷工況。
2 置換通風適用條件
   ① 適用冷源
   置換通風系統送風溫度高于傳統空調系統。采用冷水機組作為冷源，可通過控制流經換熱盤管的冷水流量，控制送風溫度，穩定性好。因此，置換通風系統一般采用冷水機組作為冷源。
   ② 適用場所
   置換通風的核心技術是利用工作區的熱源加熱送風氣流，使其利用自然作用力卷吸工作區內污染物及余熱，并從上部排出。因此，置換通風適用于高度大于3m的空間，如廠房、影院、體育館等。
3 設計計算參數的控制
   ① 溫度
   在分析置換通風房間溫度控制時，設定室內溫度在垂直方向上具有線性變化規律。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不應引起人體的不適。從舒適度出發，設計人員往往關心的是人員頭部與腳踝之間的溫差。采用置換通風時，室內溫度變化由3部分組成：
   a. 送風后地面的溫升
   送風后地面溫升△t0.1的計算式為：
    △t0.1=t0.1-ts
式中△t0.1——送風后地面的溫升，℃
    t0.1——距地面0.1m處的空氣溫度，℃
    ts——送風溫度，℃
   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. 上部湍流混合區溫升
   上部湍流混合區溫升△te的計算式為：
    △te=te-th
式中△te——上部湍流混合區溫升，℃
    te——排風溫度，℃
    由以上分析得出置換通風房間內溫度分布，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。

不同標準推薦的△tn、t0.1見表1。結合表1數據及工程應用，確定置換通風房間的溫度控制參數：th-t0.1≤3℃；冬季：t0.1≥19℃，夏季：t0.1≥21℃。
表1 不同標準推薦的△tn、t0.1
標準編號
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會標準，IS0為國際標準化組織標準，ASHRAE為美國供暖制冷空調工程師學會標準，GB為中華人民共和國國家標準。
   ② 送風速度
   在置換通風系統中，送風量對界面高度的變化影響很大。界面高度隨著送風量的增加而增高，這對形成潔凈的工作區有利。但隨著送風量的增大，送風速度增大到一定程度后，將會使送風動量過大，甚至破壞工作區層流流態。另外，送風速度偏大易使人體感受到不舒適的吹風感。置換通風工程通常將送風速度控制在0.13～0.17m/s。
    ③ 送風量
送風量q的計算式為[4]：
 
式中q——送風量，m3/h
    a、b、c——系數，分別取0.295、0.132、0.185
    Φ0——室內人員、電氣設備發熱量，W
   Φ1——室內照明發熱量，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)
    這種送風量的計算方法基于一定的設定，即設定沿高度方向工作區內溫度是線性變化的，并認為僅有部分室內熱負荷影響工作區的溫度梯度。這種計算方法通過CFD數值模擬，在工程中有一定的實用性[4]。
4 置換通風+供冷輻射吊項的工程應用
    以天津地區某電子廠房核心部件加工車間為例，該車間位于廠房內區，由于工藝特殊要求，車間需常年供冷，車間內部無明顯濕源且工作人員較少。另外，工藝要求對室內相對濕度控制偏低，車間區域的劃分及室內空氣控制參數見表2。建筑特點：熱源發熱量大，冷負荷指標425W/m2；熱源分布點較少；車間內部沒有明顯濕源，且工作人員較少，濕負荷明顯小于其他類型建筑；由于車間內部設備與人員稀疏，因此不像辦公或商場建筑存在明顯的氣流遮擋問題。
表2 車間區域的劃分及室內空氣控制參數
區域劃分
建筑面積/m
高度/m
溫度/℃
相對濕度/%
切割區
60
3.4
23±1
45±5
扣件加工區
61
放大器加工區
79
    根據車間熱源分布特點與室內空氣的控制要求，采用置換通風+供冷輻射吊頂。置換通風裝置保證衛生要求的通風量和消除濕負荷，供冷輻射吊頂解決車間內顯熱負荷，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空氣露點。具體方案為只在熱源點附近設置送風口，在熱源上方安裝供冷輻射吊頂，其他區域不設置送風口、供冷輻射吊頂，這對于減少送風量及降低供冷輻射吊頂布置率非常有利，實際工程中該車間的供冷輻射吊頂布置率只有30%左右。由實際應用可知，針對熱源產熱量大，分布點少，濕負荷小，以消除顯熱負荷為主的廠房，采用置換通風+供冷輻射吊頂是合理的，可以克服工作區溫度梯度控制不當造成的人員感覺不適的情況，減小送風量，降低風管、風口的造價，節省通風管道占用的空間，降低風機能耗。
5 結論
    ① 優化設計計算參數是置換通風工程設計的關鍵，特別是針對不同的生產工藝，應充分分析熱源與溫度場的特點，選擇更加合理的控制方案。
    ② 針對熱源分布點少、發熱量大的廠房，置換通風+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系統設計計算參數的優化控制。
參考文獻：
[1] 李龍寧，李強民.置換通風的原理和應用[J].通風除塵，1996(1)：27-31.
[2] 王洪成，李汛.地板輻射與置換通風組合空調系統的模擬[J].煤氣與熱力，2006，26(11)：60-63.
[3] 王慶莉，龍惟定.地板送風與置換通風的差異[J].建筑熱能通風空調，2004，23(5)：10-13.
[4] YUAN Xiaoxiong，CHEN Qingyang，CHCKSMAN L R.Models for prediction of temperature difference and ventilation effectiveness with displacement ventilation[J].ASHRAE Transactions，1999，105(1)：353-367.
[5] 鄧仁杰，張立志，尹清華.冷吊頂系統的研究進展[J].建筑熱能通風空調，2004，23(5)：18-23.
 
(本文作者：常茹 于齊東 天津城市建設學院 天津 300384)