基本原理：稀释与置换在线视频

其实无论自然通风还是机械通风

对室内热污染和质污染控制的基本原理

都是稀释与置换

最终依然是清除

把污染移到室外

引入清洁空气来替代

我们如果把房间抽象为一个空间

就有着两种典型的理想气流分布形式

第一种是充分混合流

流入的新鲜空气以极快的速度

瞬间与室内各处的陈旧空气充分混合

空间内各处参数都是完全均匀一致的

与排出空气的参数是相同的

这种充分混合流

就可以用集总参数法来描述室内的状况

第二种是理想活塞流

在理想情况下

送入的空气完全占有原来位置上的空气

二者之间不发生质量和能量交换

排出的空气参数就是被替换掉的空气参数

它的流线都是平行的

没有任何回流

就像下面这组图表示的一样

在实际生活中

这两种理想情况都不可能发生

真的房间通风形式要比这两种都复杂得多

或者说是介于这二者之间

比如像下面这种样子的气流分布

虽然在实际生活中

这两种理想情况都不可能发生

但是有多种通风形式是非常接近

这两种理想气流形式的

我们首先看活塞流

例如这样的穿堂风

就很接近理想的活塞流了

还有这种下送上排的置换通风形式

机械送风的流向

和室内引起的热压自然对流的方向是一致的

也比较接近理想的活塞流

在生活中常见的这样的气流组织

就很接近充分混合流了

让送进空间内的气流产生大量的漩涡

不断卷吸周围的空气与其混合

就能够尽可能地接近充分混合流

实际上

不同的气流组织形式的目标是不同的

逼近充分混合流的混合通风

采用的是稀释法

目标是追求均匀的室内环境

用送入室内的清洁空气来稀释被污染的空气

把整个空间的污染物浓度

都控制在标准阈值以下

或者把整个空间的温湿度

都控制到标准要求的范围内

但在这个混合的过程中

清洁的空气实际上是被污染了

降低了清洁空气的利用效率

对于混合通风的模式

丹麦技术大学的Fanger教授

对此有这样的评论

混合通风环境中的人呼吸到的空气

可以比作干净的饮用水加入到了

有很多人的游泳池内

然后再被人喝到嘴里

所以他问这样还能喝吗

而置换通风或者个体送风

则是相当于人们直接喝到清洁的水

逼近活塞流的置换通风采用的是置换法

新鲜气流先送入人员逗留的工作区

替换掉被污染的空气

保证工作区的卫生要求

这种方式能够最有效地利用清洁空气

但其他区域的污染物浓度有可能是超标的

这种方法的出发点

就是利用送入室内的清洁空气

最有效地保证人员呼吸区

或者工作区的环境要求

而不需要管无关的区域

置换通风也有两种基本形式

一是利用室内热源来作为空气流动的动力

送风口以极低的速度

也就是低于0.25m/s的速度

将新鲜的冷空气送入到房间

冷空气因为密度大而沉积在房间的底部

形成了一个凉空气湖

人员 设备等室内热源会加热周围的空气

形成热边界层

边界层内空气受热向上流动

同时在周边形成负压区

吸引冷气流流过来

冷空气被加热上升形成热羽流

把热量和污染物带到房间顶部而被排出

这种方式

多用于为人员舒适性服务的民用建筑

第二种置换通风方式

是机械驱动的大风量平行流

风机以大风量从顶部或者侧面送风

形成竖直方向或水平方向的活塞流

达到有效置换室内被污染空气的目的

这种做法需要有大风量的送风设备系统

一般用于特殊工艺过程

比如洁净室

尽管混合通风存在很多问题

但目前在工程应用中

被应用得最广泛的就是混合通风的模式

主要还是为了保证

整个房间的温湿度和污染物浓度

符合标准要求

因为人们并不总是能够事先了解

哪个区域有人

哪个区域没有人

出于保险的目的才有这样的做法

这里展示的是几种常见的

用于送冷风的混合通风的气流分布模式

因为还会受到

室内热源诱发自然对流的影响

这些不同模式混合的充分程度

也各有所不同

由于混合通风的出发点

就是稀释污染物和多余的产热产湿

那我们就来看看应该如何用数学表达式来

描述稀释过程

根据质量守恒定律

我们可以写出这样一个稀释方程

式中的V是空间的容积

室内污染物浓度是C

m是室内污染物的散发速率

Q是送入室内空气的流量

Cs是送入室内空气中的污染物浓度

这里表达的是室内污染物总量

对时间的变化率

等于单位时间送入室内的污染物的总量

加上室内污染物的散发速率

减去单位时间内排出室外的污染物总量

如果Cs足够低

能够抵消掉室内污染物的产生速率

那么室内污染物的浓度就是随时间递减的了

否则就是递增的

当初始条件是室内浓度等于C0的时候

方程的解呈以下这种形式

当时间τ趋于无穷

方程就有稳定解

两个指数函数项都变成了0

稳定解就呈现这样的形式

稳定的室内浓度C无穷

等于送风浓度加上污染物发生率除以送风量

我们如果想求出能够把污染物浓度

稀释到满足标准要求所需要的送风量

就可以通过这个公式求出来了

从这个公式中我们可以看到

送风中的污染物浓度Cs越低

分母就越大

所需要的送风量就越少

如果我们不打算求最后稳定状态下

需求的通风量

而是希望在τ时刻室内浓度Cτ

达到某个要求的浓度Cx

这时候所需要的通风量Q应该怎么求呢

如果我们把exp指数函数

在零附近的泰劳展开式仅取两项

那么当(Q/V)τ这一项远远小于1的时候

这个指数函数就趋近于1+(Q/V)τ了

这时 我们把前面方程的解稍作变形

就可以得到这样一个形式

我们再把式中的Q提出来

搬到等号的左边

这样就可以得到非稳态状态下的

全面稀释所需换气量的计算式了

从这个计算式里我们可以看到

如果室内的初始浓度就等于目标值Cx

那么括号里最后这一项就等于0

这个换气量与时间无关

相当于是一个稳态值

如果室内的初始浓度高于目标值Cx

那么所需要的通风量就偏大

而且要求的时间τ越短

所需要的通风量也就越大

所以说 这个非稳态过程

就是消除室内的浓度初始值的影响的过程

如果室内有多个风口

而且每个风口的送风浓度都不一样

针对全面稀释过程

可以把它们都等效为一个单一的风口

这个风口的风量等于所有风口的风量之和

送风浓度是各风口的送风浓度的加权平均

其中fi是各风口的风量分配比例系数

把非稳定状态下的

全面稀释所需换气量计算公式中的送风浓度

换成这个等效浓度

那么所需要的总换气量

就可以用这样一个公式来求得了

除了上述的稀释和置换法以外

还有一种局部保障法

应该是提供更好微环境的方法

包括局部送风和局部排风两种

它们的出发点是就地排除污染

为特定对象提供隔绝污染的优质微环境

局部送风是为了把洁净的新鲜空气

直接送入呼吸区

同时为人员提供个性化热环境调节的手段

局部排风

则是把工作区产生的污染立刻排除

避免它扩散而侵害到工作人员

局部个体送风需要同背景的环境控制相结合

在有个体送风的条件下

背景温度达到30℃依然能够保证

办公室内人员的舒适性要求

而且每一个人还有一定的独立调节的能力

为了保证冷射流能够有效的到达人员的呼吸区

送风温差应该不高于6℃

实验证明

这种个体送风方式与集中混合通风方式相比

总的新风量是减少了

但是能够到达人员呼吸区的新风量

两者却相差不大

而且呼吸区的污染物浓度

也比混合通风方式的低

因此不仅能够降低能耗

而且还能提供更高的室内环境质量