建筑環(huán)境學-第6章-室內空氣環(huán)境營造的理論基礎

第六章

室內空氣環(huán)境營造的理論基礎1第一節(jié)室內空氣環(huán)境營造方法概述一、室內空氣環(huán)境的基本要求1.滿足室內人員對新鮮空氣的需要2.保證室內人員的熱舒適3.保證室內污染物濃度不超標

2二、常見的營造方法自然通風利用自然的手段（熱壓、風壓等）來促使空氣流動而進行的通風換氣方式特點不消耗動力或消耗很少的動力，節(jié)能可以用充足的新鮮空氣保證室內的空氣品質受建筑設計和氣候條件限制，難以控制機械通風利用機械手段（風機、風扇等）產(chǎn)生壓力差來實現(xiàn)空氣流動的方式特點可控制性強?？赏ㄟ^調整風口、風量等控制室內氣流分布需要消耗能源初投資和運行費都比較高3第二節(jié)自然通風基本原理：只要建筑開口兩側存在壓力差P，就會有空氣流過開口。流過的風速為：驅動力壓差熱壓：溫差引起的空氣密度差導致建筑開口內外的壓差風壓：室外繞流引起建筑周圍壓力分布的不同形成開口處的壓差自然通風的分類熱壓通風風壓通風風壓和熱壓的聯(lián)合作用下的自然通風4一、熱壓通風hwnba5二、余壓的概念余壓：室內某一點的壓力和室外同標高未受擾動的空氣壓力的差值。中和面：余壓為零以中和面作為基準面，窗孔a,b的余壓？6余壓7多層建筑的熱壓引起的自然通風余壓8三、風壓作用下的自然通風Pf往往采用CFD或風洞模型實驗的方法求取K值。風壓系數(shù)9風壓作用下的自然通風10風洞模型實驗11四、風壓和熱壓的聯(lián)合作用下的自然通風12請畫出迎風面和背風面在風壓和熱壓共同作用下的壓力分布圖。1314五、常見的自然通風的形式中庭通風風井通風單面通風穿堂風Crossventilation1516英國諾丁漢稅務中心17邁克爾·霍普金斯設汁的英國國內稅務中心位于諾丁漢市的傳統(tǒng)街區(qū)。由于建筑本身民院落式布局(共7個組團)，高度僅為3-4層，加上受緊湊的城市格局的影響，建筑周邊的風速較小，不能很好地滿足自然通風的需求?；羝战鹚乖诳刂平ㄖM深(13.6m)以利于自然采光、通風的基礎上，設計了一組頂部可以升降的圓柱形玻璃通風塔，并兼作建筑的入口和樓梯間。玻璃通風塔可最大限度地吸收太陽的能量，提高塔內空氣溫度，從而進一步加強煙囪效應，帶動各樓層的空氣循環(huán)，實現(xiàn)自然通風。該建筑實現(xiàn)了城市密集環(huán)境中的完全被動式降溫。冬季時可將塔頂降下封閉排氣口，這樣通風塔便成為一個玻璃暖房，節(jié)省采暖能耗。18機械通風氣流組織形式混合通風追求均勻的室內環(huán)境混合后的空氣可能已被污染置換通風保證人員呼吸區(qū)的環(huán)境要求下送風，新鮮氣流先送入工作區(qū)個性化送風滿足不同個體的特殊性要求工位送風，獨立可調19第三節(jié)機械通風的氣流

組織形式三種典型的送風形式混合通風置換通風個性化送風20混合通風的氣流形式上送上回上送下回下送下回側送上下回21第四節(jié)局域保障法局域保障法：采用局部送排風方式保證局部環(huán)境達到要求空氣參數(shù)的方法。適用于面積較大、工作人員較少且位置相對固定的場合。人員能夠調節(jié)送風參數(shù)節(jié)能空氣品質好22局部送風地板局部送風系統(tǒng)、工作臺或隔板局部送風、頂部局部送風局部排除密閉罩、柜式排風罩、外部吸氣罩、接受式排風罩、吹吸式排風罩23總新風量滿足要求，是否意味著IAQ一定滿足要求？向室內引入的新風是否都進入了呼吸區(qū)？室內空氣更新的快慢如何？室內污染物被轉移出去的速度如何？室內空氣參數(shù)分布是否滿足要求？氣流組織包含的內容風速分布（風速場或流場）溫度分布（溫度場）濕度分布（濕度場）污染物濃度分布（污染物濃度場，IAQ）第五節(jié)室內氣流分布的描述參數(shù)24氣流分布(氣流組織)評價的方法通風氣流組織評價的三類參數(shù)描述送風有效性的參數(shù)，主要反映送風能否有效到達考察區(qū)域以及到達該區(qū)域的空氣新鮮程度，如：空氣齡、換氣效率、送風可及性描述污染物排除有效性的參數(shù)，主要反映污染物到達考察區(qū)域的程度以及到達該區(qū)域所需要的時間，如：污染物含量和排空時間、排污效率與余熱排除效率、污染物年齡、污染源可及性與熱舒適關系密切的有關參數(shù)，如：不均勻系數(shù)

、空氣擴散性能指標(ADPI)

如果室內空氣充分混合，那么就可以用一個集總的參數(shù)對房間的通風效果進行總體評價25兩種典型的理想氣流分布均勻混合：氣流充分混合，各處參數(shù)完全一樣活塞流動實際情況都不是均勻混合和活塞流動，而要復雜得多理想的氣流分布形式26全面通風的基本微分方程式（均勻混合時的稀釋方程）QCSd+Md-QCd=VdC

在通風量Q一定、室內初始濃度為C1的時候，求C2與通風時間的關系：穩(wěn)定狀態(tài)的關系式：或MQ，CsCVC27活塞流動時的室內參數(shù)由源強度和房間名義時間常數(shù)(換氣次數(shù)的倒數(shù))確定房間的溫度、濕度和污染物濃度在經(jīng)過源之前等于送風參數(shù)經(jīng)過源之后等于均勻混合后的參數(shù)28室內氣流分布的描述參數(shù)－－空氣齡與其他空氣齡Airage最早于20世紀80年代由Sandberg提出?？諝恺g是指送風到達房間某點的時間。某點的空氣齡越小，說明該點的空氣越新鮮，空氣品質就越好。如果某點的空氣年齡為的空氣微團在某點空氣中所占的比例分布即概率分布f()，有累計分布函數(shù)則某點的平均空氣齡為PP29與空氣齡相關的兩個參數(shù)殘余時間(Residuallifetime)空氣從當前位置到離開房間的時間rl駐留時間(Residencetime)空氣離開房間時空氣齡r30幾處典型的空氣齡房間平均空氣齡等于房間各點空氣齡的體平均典型流型的空氣齡活塞流：p

＝e/2r=e=n

均勻混合流：p

＝e非完全混合流：入口空氣年齡最年輕，出口空氣年齡最老。PPCee31換氣效率理論上最短的換氣時間是多少？“理想活塞流”的換氣效率最高，房間的平均空氣齡最小換氣效率的定義實際通風條件下房間平均空氣齡與活塞流的平均空氣齡的比值倒數(shù)為換氣效率（<1），反映了新鮮空氣置換原有空氣的快慢與活塞通風下置換快慢的比較32空間各點的換氣效率的定義空間各點的換氣效率小于等于1，反映了新鮮空氣替換原有空氣的有效程度換氣效率33常見送回風形式的換氣效率34一個對比的概念

排污效率：涉及污染源的位置排污效率充分混合流＝1活塞流如果污染源在出口呢？污染源在入口呢？余熱排除效率用得熱代替污染物，溫度代替污染物濃度PCe,teCs,ts局部排污效率平均排污效率35送風可及性(清華，2003)

AccessibilityofSupplyAir:ASA

傳統(tǒng)的氣流組織評價指標，如空氣齡和換氣效率，均反映的是穩(wěn)態(tài)情況需要反映送風在任意時刻到達室內各點的能力，考慮有限時間內送風的有效性定義在流場不變的條件下，假設某一送風口的空氣含有濃度為Cs,i的指示劑氣體，房間內部無源，則該送風口在歷時T后對空間位置i的可及性為36不同時刻的送風可及性發(fā)展情況（深色區(qū)域內ASA大于0.5）37可及性的物理意義

可及性是流場自身的特性，與送風有無指示劑無關可及性反映了在經(jīng)歷了一定時間后，各風口送風到達空間各點的相對程度單一風口經(jīng)過足夠長時間后，空間各點的可及性均為1多個風口經(jīng)過足夠長時間后，在空間各點的可及性和為138不均勻系數(shù)反映氣流溫度場和速度場的不均勻程度。t均方根偏差溫度不均勻系數(shù)速度不均勻系數(shù)39空氣擴散性能指標ADPI

(AirDiffusionPerformanceIndex)定義滿足規(guī)定風速和溫度要求的測點數(shù)與總測點數(shù)之比有效溫差ET=(t-tn)-7.66(Vi-0.15)

ADPI的值越大，說明感到舒適的人群比例越大。在一般情況下，應使ADPI≥80％40第六節(jié)氣流組織的測量與計算方法示蹤氣體實驗法半經(jīng)驗射流公式法數(shù)值求解法(CFD方法)411.示蹤氣體試驗法是研究建筑物空氣分布與滲透特性的重要手段示蹤氣體的目的是準確標識室內空氣流動特性，必須具有如下特點能夠完全跟隨空氣流動具有可測性具有穩(wěn)定性，一般情況下不發(fā)生物理或化學反應無毒性常見的示蹤氣體包括甲烷、SF6、二氧化碳等。42示蹤氣體的常見釋放方法脈沖法（pulsemethod）在釋放點釋放少量的示蹤氣體，記錄測量點處示蹤氣體濃度隨時間的變化過程。上升法（step-upmethod）在釋放點連續(xù)釋放固定強度源的示蹤氣體，記錄測量點處示蹤氣體濃度隨時間的變化過程。下降法（或衰減法）(step-downordecaymethod)房間中示蹤氣體的濃度達到平衡狀態(tài)后，停止釋放示蹤氣體，記錄測量點處示蹤氣體濃度隨時間的變化過程。43脈沖法測空氣齡在通風房間的送風口釋放少量示蹤氣體，記錄被測點的濃度變化過程概率分布函數(shù)空氣齡公式釋放的示蹤氣體的質量送風量44上升法測空氣齡在房間送風口處恒定釋放示蹤氣體，記錄被測點的濃度隨時間變化情況累計分布函數(shù)與概率分布函數(shù)之間的關系為累積分布函數(shù)空氣齡公式示蹤氣體的釋放速率送風量45下降法（衰減法）測空氣齡待房間內各點濃度穩(wěn)定后，停止示蹤氣體加入，測量被測點的濃度變化過程累積分布函數(shù)空氣齡公式46房間平均空氣齡的測量方法脈沖法上升法下降法47平均空氣齡公式怎么來的？

以下降法為例證明基本公式邊界條件則有48平均空氣齡公式怎么來的？

以下降法為例證明(2)492.半經(jīng)驗射流公式法內容和來源采用射流公式對空調送風口射流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進行預測基于某些標準或理想條件理論分析或試驗缺陷不能用于分析復雜空間，應用受制約只能給出室內的一些集總參數(shù)性的信息折衷的方法：區(qū)域模型區(qū)域內集總參數(shù)區(qū)域間考慮存在熱質交換 503.數(shù)值求解法計算流體力學方法的引入CFD方法特點：依據(jù)室內空氣流動的數(shù)學物理模型，在計算機上做虛擬實驗原理：對連續(xù)方程、動量方程、能量方程和組分方程進行離散數(shù)值求解優(yōu)點成本低、速度快應用范圍廣，提供信息全面缺點：可靠性問題人們對湍流的機理尚無清楚認識，缺乏完整的湍流理論，需要依賴半經(jīng)驗的方法邊界條件需要簡化：送風口入流、壁面邊界條件、室內熱源分布等51不同氣流分布預測方法的特點比較52常用的氣流分布計算CFD軟件PHOENICS 英國1981年推出的商業(yè)軟件，針對暖通空調的FLAIRE，可以求解PMV和空氣齡FLUENT美國，1983年。Airpack具有風口模型、新零方程湍流模型等，并且可以求解PMV、PD和空氣齡STACH－3清華大學90年代開發(fā)，有各種針對暖通空調應用的模型和功能53