置換通風(fēng)置換通風(fēng)一置換通風(fēng)的原理基本方式和適用范圍1原理與基本方式

置換通風(fēng)置換通風(fēng)置換通風(fēng)起源于北歐，2007年文獻(xiàn)報(bào)道該系統(tǒng)在北歐國(guó)家已占據(jù)了50%的通風(fēng)市場(chǎng)，如新建的辦公樓中就有50%～70%采用了置換通風(fēng)系統(tǒng)。1978年德國(guó)柏林的一家鑄造車間首先使用了置換通風(fēng)裝置，與傳統(tǒng)的混合通風(fēng)空調(diào)方式相比，在我國(guó)其普及度還有很大差距。（一）置換通風(fēng)的原理、基本方式和適用范圍1．原理與基本方式圖2-1-4置換通風(fēng)的流態(tài)v=0.25m/sv=0.1m/s經(jīng)過(guò)熱濕處理后的新鮮空氣，通過(guò)空氣分布器低風(fēng)速(0.25m/s)、小溫差(2~4℃)直接送人活動(dòng)區(qū)下部，冷空氣沿著地面擴(kuò)散，從而形成一較薄的空氣層（湖）。室內(nèi)人員及設(shè)備等內(nèi)熱源在浮力的作用下，形成向上的對(duì)流氣流。新鮮空氣隨對(duì)流氣流向室內(nèi)上部區(qū)域流動(dòng)形成室內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)氣流；熱濁的污染空氣則由設(shè)置于房間頂部的排風(fēng)口排出。見(jiàn)圖2-1-4。

活塞流置換通風(fēng)置換通風(fēng)屬于下送風(fēng)的一種，氣流從位于側(cè)墻下部的送風(fēng)口水平低速送入室內(nèi)，在浮升力的作用下上升至工作區(qū)，吸收人員和熱設(shè)備負(fù)荷形成上升的熱氣流（即熱煙羽，簡(jiǎn)稱羽流或煙羽）。煙羽沿程不斷卷吸周圍空氣并流向房間頂部。如果煙羽流量在近頂棚處大于送風(fēng)量，根據(jù)連續(xù)性的原理，必將有一部分熱濁氣流下降返回。因此在頂部形成一個(gè)熱濁空氣層。根據(jù)連續(xù)性的原理，在任一個(gè)標(biāo)高平面上的上升氣流流量等于送風(fēng)量與回返氣流流量之和。因此必將在某一個(gè)平面上煙羽流量正好等于送風(fēng)量，在該平面上回返空氣量等于零。在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，這個(gè)界面將室內(nèi)空氣在流態(tài)上分成兩個(gè)區(qū)域，即上部紊流混合區(qū)和下部的單向流動(dòng)清潔區(qū)，圖2-1-5站立人員產(chǎn)生的上升氣流在置換通風(fēng)條件下，下部區(qū)域空氣涼爽而清潔，只要保證分層高度（地面到界面的高度）在人員工作區(qū)以上，就可以確保工作區(qū)優(yōu)良的空氣品質(zhì)，而上部區(qū)域可以超過(guò)工作區(qū)的允許濃度，該區(qū)域不屬于人員停留區(qū)而對(duì)人體無(wú)妨。見(jiàn)圖2-1-5。置換通風(fēng)置換通風(fēng)適合下列情形：（1）污染物質(zhì)比環(huán)境空氣溫度高或密度??；（2）供給空氣比建筑物環(huán)境空氣溫度低；（3）層高大的房間，例如房間層高大于3米。浮升力作為驅(qū)動(dòng)力的置換通風(fēng)在下列情形效率較低：（1）天花板的高度低于2.3米；（2）房間空氣擾動(dòng)（湍流）強(qiáng)烈；（3）污染物比環(huán)境空氣冷或密度大。圖2-1-5站立人員產(chǎn)生的上升氣流通過(guò)分析，我們得到如下結(jié)論：（1）置換通風(fēng)是一種高舒適性的空調(diào)系統(tǒng)。由于送風(fēng)速度低，紊流度低，不產(chǎn)生吹風(fēng)感，因此舒適性很高；新鮮空氣先經(jīng)過(guò)人員活動(dòng)區(qū)，污染物隨熱氣流上升后排出，所以能提供良好的空氣品質(zhì)。（2）置換通風(fēng)是一種節(jié)能的空調(diào)方式。只需在工作區(qū)保證設(shè)計(jì)參數(shù)，送風(fēng)溫度高，相對(duì)混合通風(fēng)，可以減少冷負(fù)荷，特別對(duì)于高大空間建筑物，此特點(diǎn)更明顯；可以方便的利用低品位能源、利用自然通風(fēng)供冷。置換通風(fēng)（3）熱力分層的產(chǎn)生，存在垂直方向的溫度梯度，需要在人員活動(dòng)區(qū)控制溫度梯度，一般應(yīng)保持在3℃以內(nèi)，溫差太大則降低了舒適性；同時(shí)要保證一定的送風(fēng)量，使熱力分層“分層高度”大于人員活動(dòng)區(qū)，保證人員處于清潔區(qū)。（4）置換通風(fēng)送風(fēng)溫度不能太低的限制，使得送風(fēng)量增大，輸運(yùn)空氣管路增大，輸運(yùn)動(dòng)力增加，不利于經(jīng)濟(jì)性?？梢蚤_發(fā)新型末端裝置來(lái)解決此問(wèn)題。新型末端裝置可以借鑒誘導(dǎo)通風(fēng)的原理，提高一次風(fēng)送風(fēng)溫差，在送至室內(nèi)之前，或在人員活動(dòng)區(qū)將一次風(fēng)與室內(nèi)空氣混合，提高送風(fēng)溫度；可以采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)，使得室內(nèi)空氣在人員活動(dòng)區(qū)迅速分布均勻，減少溫度梯度。（5）置換通風(fēng)的冷源一般考慮中央冷水機(jī)組。（6）從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，置換通風(fēng)更適用于大中型空調(diào)系統(tǒng)。（7）在層高大于3米時(shí)，置換通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)更明顯。置換通風(fēng)不適用于層高小于2.5米的房間。置換通風(fēng)2．特點(diǎn)與適用范圍在活動(dòng)區(qū)內(nèi)，置換通風(fēng)房間的污染物的濃度比混合通風(fēng)時(shí)低。稀釋污染物濃度所需的通風(fēng)量，在理論上每人為20L/s·p；置換通風(fēng)時(shí)，由于人們?cè)诤粑鼌^(qū)域里得到的是質(zhì)量最好的空氣，所以實(shí)際送風(fēng)量可大幅度減少。與傳統(tǒng)的混合通風(fēng)系統(tǒng)相比，置換通風(fēng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）在相同設(shè)計(jì)溫度下_，活動(dòng)區(qū)里所需的供冷量較少；（2）利用“免費(fèi)供冷”的周期比較長(zhǎng)久；（3）活動(dòng)區(qū)內(nèi)的空氣質(zhì)量更好。置換通風(fēng)的弱點(diǎn)是由于出口速度較小，安裝空氣分布器需占用較多墻面。置換通風(fēng)置換通風(fēng)系統(tǒng)特別適用于符合下列條件的建筑物：（1）室內(nèi)通風(fēng)以排除余熱為主，且單位面積的冷負(fù)荷q小于120W／m2；（2）污染物的溫度比周圍環(huán)境溫度高，密度比周圍空氣??；（3）送風(fēng)溫度比周圍環(huán)境的空氣溫度低；（4）地面至平頂?shù)母叨却笥?m的高大房間；（5）室內(nèi)氣流沒(méi)有強(qiáng)烈的擾動(dòng)；（6）對(duì)室內(nèi)溫濕度參數(shù)的控制精度無(wú)嚴(yán)格要求；（7）對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)有要求；（8）房間較小，但需要的送風(fēng)量很大。置換通風(fēng)系統(tǒng)，不僅意味著室內(nèi)能獲得更加優(yōu)良的空氣品質(zhì)，而且，可以減少空調(diào)冷負(fù)荷，延長(zhǎng)免費(fèi)供冷時(shí)段，節(jié)省空調(diào)能耗，降低運(yùn)行費(fèi)用，尤其在廠房通風(fēng)及高大公共建筑通風(fēng)值得大力推廣，當(dāng)然也可用在辦公室、會(huì)議室、計(jì)算機(jī)機(jī)房和劇院等等。置換通風(fēng)下列情況的建筑，可能采用混合通風(fēng)方式更合適些：（1）有害物以排除余熱為主，對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)沒(méi)有嚴(yán)格要求；（2）室內(nèi)平頂高度低于2.3m左右；（3）層高較低需要冷卻的房間，如辦公室，可考慮采用混合通風(fēng)和冷吊頂；（4）內(nèi)部氣流擾動(dòng)強(qiáng)烈的房間；（5）室內(nèi)的污染物比周圍環(huán)境空氣更寒冷／濃密。稀釋和擠壓的原理可以分別用來(lái)解釋混合通風(fēng)和置換通風(fēng)

置換通風(fēng)稀釋通風(fēng)（混合通風(fēng)）與置換通風(fēng)兩種通風(fēng)方式的比較置換通風(fēng)Fitzner（1996）給出了下列系統(tǒng)選擇的粗略原則，由圖2-1-6可知：（1）送風(fēng)量很大時(shí)可采用置換通風(fēng)，不過(guò)，由于風(fēng)量大時(shí)空氣分布器需要占用較多的安裝面積；這時(shí)，宜選擇安裝在地面上。（2）混合通風(fēng)廣泛地用于常規(guī)的通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)量直至15L/s·m2（～50m3／h·m2），冷負(fù)荷大約60W/m2或更多，見(jiàn)圖2-1-6圖2-1-6通風(fēng)系統(tǒng)與通風(fēng)量與冷負(fù)荷的關(guān)系（3）冷負(fù)荷大和送風(fēng)量小時(shí)，推薦采用平頂供冷（冷吊頂）與混合通風(fēng)相結(jié)合的方式。置換通風(fēng)3．置換通風(fēng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)為了滿足活動(dòng)區(qū)人員的熱舒適要求，保證室內(nèi)的空氣品質(zhì)，置換通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)滿足下列各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的要求：（1）坐著時(shí)，頭腳溫差：

℃；（2）站著時(shí)，頭腳溫差：

℃；（3）吹風(fēng)風(fēng)速不滿意率：PD≤15%；（4）熱舒適不滿意率：PPD≤15%；（5）置換通風(fēng)房間內(nèi)的溫度梯度：s<2℃／m。（二）置換通風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)

1．氣流分布

圖2-1-8對(duì)流形成的垂直氣流運(yùn)動(dòng)圖12-1-7與排出物有關(guān)的水平氣流運(yùn)動(dòng)置換通風(fēng)置換通風(fēng)的送風(fēng)速度通常為0.25m／s左右，送風(fēng)的動(dòng)量很低，所以，對(duì)室內(nèi)主導(dǎo)氣流無(wú)任何實(shí)際的影響。由于較冷的新鮮空氣沿地面形成空氣湖，而熱源引起的熱對(duì)流氣流將污染物和熱量帶到房間上部，因此，在下部區(qū)室內(nèi)產(chǎn)生垂直的溫度梯度和濃度梯度；在上部區(qū)溫度趨于一致且排風(fēng)溫度高于室內(nèi)活動(dòng)區(qū)溫度，排風(fēng)中的污染物濃度高于室內(nèi)活動(dòng)區(qū)的濃度。置換通風(fēng)的主導(dǎo)氣流由室內(nèi)熱源控制。置換通風(fēng)的目的是保持活動(dòng)區(qū)的溫度和濃度符合設(shè)計(jì)要求，而允許活動(dòng)區(qū)上方存在較高的溫度和濃度。與混合通風(fēng)相比，設(shè)計(jì)良好的置換通風(fēng)能更加有效地改善與提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。圖2-1-7與圖2-1-8分別給出了置換通風(fēng)的兩種典型的氣流分布型式。

置換通風(fēng)2．溫度分布由于置換通風(fēng)提供的新鮮空氣直接地送至活動(dòng)區(qū)，在地面處可能存在吹冷風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn)，此外，溫度分層可能造成不舒適，見(jiàn)圖2-1-9。為此，設(shè)計(jì)置換通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，必須對(duì)氣流的流型、溫度分布、對(duì)流流動(dòng)、濃度分布等進(jìn)行詳細(xì)研究，以便采取相應(yīng)的有效措施，做到揚(yáng)長(zhǎng)避短。

圖2-1-9置換通風(fēng)房間的溫度分層

圖中：θs——送風(fēng)溫度，℃θe——排風(fēng)溫度，℃θ——室內(nèi)離地面任意高度的溫度，℃置換通風(fēng)（三）置換通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口1．低速置換送風(fēng)口的氣流分布1）送冷風(fēng)送冷風(fēng)時(shí)，送風(fēng)溫度通常比室內(nèi)空氣溫度低1℃～8℃。這時(shí)，送風(fēng)空氣離開置換送風(fēng)口后，向地面下降，如同地毯一樣沿著地面伸展，如圖2-1-10所示。

圖2-1-10送冷風(fēng)時(shí)的流型2）等溫送風(fēng)當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度與室內(nèi)空氣溫度相同時(shí)，氣流將按照在空氣分布器表面處的起始流型水平地流人房間，如圖2-1-11所示。圖2-1-12送熱風(fēng)時(shí)的流型置換通風(fēng)3）送熱風(fēng)

當(dāng)送風(fēng)溫度高于周圍空氣溫度時(shí)，氣流將在活動(dòng)區(qū)里均勻地上升，不擴(kuò)散，如圖2-1-12所示。由此可以作出結(jié)論：只有當(dāng)送風(fēng)溫度比室內(nèi)空氣溫度低時(shí)，置換通風(fēng)才能有效地被應(yīng)用。圖2-1-12送熱風(fēng)時(shí)的流型置換通風(fēng)2．常規(guī)置換送風(fēng)口及主要數(shù)據(jù)（1）扁平型墻面置換送風(fēng)口這類置換送風(fēng)口可整體裝在墻內(nèi)，如圖2-1-13所示。其典型數(shù)據(jù)是：1）寬度（B）：通常為0.60m；2）高度（H）：0.20~1.20m；3）送風(fēng)量：直至70L/s；4）下部區(qū)最大送風(fēng)溫差為：4~6℃。圖2-1-13整體的扁平型置換送風(fēng)口置換通風(fēng)（2）半圓柱形置換送風(fēng)口這類置換送風(fēng)口都是靠墻安裝，氣流從中央呈放射狀向三面擴(kuò)散，如圖2-1-14所示。置換送風(fēng)口的典型數(shù)據(jù)是：1）直徑（B）：0.20~1.00m；2）高度（H）：0.60~1.80m；3）送風(fēng)量：300L/s（1000m3/h）；4）下部區(qū)最大送風(fēng)溫差為：3℃。圖2-1-14半圓柱形置換送風(fēng)口（3）圓柱形獨(dú)立式置換送風(fēng)口（圖2-1-15）圖2-1-15圓柱形獨(dú)立式置換送風(fēng)口置換通風(fēng)（4）1/4圓柱形（角形）置換送風(fēng)口（圖2-1-16）（5）地面送風(fēng)置換送風(fēng)口（圖2-1-17）圖2-1-17地面送風(fēng)置換送風(fēng)口圖2-1-161/4圓柱形（角形）置換送風(fēng)口送風(fēng)口標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（垂直旋流）：1）直徑：0.10~0.20m；2）送風(fēng)量：50L/s（180m3/h）；3）下部區(qū)送風(fēng)溫差為：3~6℃。置換通風(fēng)（四）置換通風(fēng)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定1．送風(fēng)溫度的確定由于置換通風(fēng)的送風(fēng)口處于工作區(qū)，送風(fēng)溫度必須控制在人體舒適范圍內(nèi)，如果送風(fēng)溫差設(shè)計(jì)偏小，則會(huì)造成送風(fēng)量偏大，送風(fēng)散流裝置的尺寸大小和數(shù)量增多，設(shè)備投資加大；如果送風(fēng)溫差過(guò)大，送風(fēng)溫度必然較低，人體頭部與腳面之間溫差偏大，使人產(chǎn)生冷感，降低人體熱舒適性。送風(fēng)溫度由下式確定：

（2-1-26）式中

——停留區(qū)溫升系數(shù)，

；——地表面空氣溫度，℃；

——工作區(qū)上部空氣溫度，℃；

——置換通風(fēng)送風(fēng)溫度，℃；

——置換通風(fēng)排風(fēng)溫度，℃；

——地面區(qū)溫升系數(shù)，

。

置換通風(fēng)停留區(qū)溫升系數(shù)

也可根據(jù)房間用途確定。表2-1-8為各種房間的

值。停留區(qū)的溫升系數(shù)地表面部分的冷負(fù)荷比例（%）房間用途0.160.250.330.40～2020～6060～10060～100天花板附近照明的場(chǎng)合：博物館、攝影棚、辦公室置換誘導(dǎo)場(chǎng)合高負(fù)荷辦公室、冷卻頂棚、會(huì)議室表2-1-8各種房間停留區(qū)的溫升系數(shù)地面區(qū)溫升系數(shù)

可根據(jù)房間的用途及單位面積送風(fēng)量確定。表2-1-9列出了各種房間的

值。表2-1-9各種房間地面區(qū)的溫升系數(shù)地面區(qū)溫升系數(shù)房間單位面積送風(fēng)量[m3/（m2·h）]房間用途及送風(fēng)情況0.50.330.205～1015～20＞25僅送最小新風(fēng)量使用誘導(dǎo)式置換通風(fēng)器的房間會(huì)議室置換通風(fēng)2．新風(fēng)量的確定（1）按室內(nèi)人員確定新風(fēng)量

（2-1-27）式中

——室內(nèi)人員數(shù)——每個(gè)人所需新風(fēng)量，q

可按房間需要確定，室內(nèi)空氣品質(zhì)要求高，q

=50m3/（h·人）；室內(nèi)空氣品質(zhì)要求中等，

q=36m3/（h·人）；室內(nèi)空氣品質(zhì)要求低，

q=25m3/（h·人）。（2）按室內(nèi)有害物發(fā)生量確定新風(fēng)量

（2-1-28）式中

——室內(nèi)有害物發(fā)生量，mg/s；——排風(fēng)的有害物濃度，mg/m3；——送風(fēng)的有害物濃度，mg/m3。置換通風(fēng)3．送風(fēng)量的確定根據(jù)置換通風(fēng)熱力分層理論，界面上的煙羽流量與送風(fēng)流量相等，即

當(dāng)熱源的數(shù)量與發(fā)熱量已知，可用下式求得煙羽流量

（2-1-29）式中

——熱源熱量，W；——溫度膨脹系數(shù)，m3/℃；——煙羽對(duì)流卷吸系數(shù)（由實(shí)驗(yàn)確定），1/m3；——分層高度，m；——空氣密度，kg/m3；

——重力加速度，m/s2；——空氣的定壓比熱，J/（kg·℃）。=置換通風(fēng)通常在民用建筑中的辦公室、教室等工作人員處于坐姿狀態(tài)，工業(yè)建筑中的工作人員處于站姿狀態(tài)。坐姿時(shí)的分層高度熱源形式有效能量折算（W）在離地面1.1m處的空氣流量（m3/h）在離地面1.8m處的空氣流量（m3/h）人員：坐或站輕度或中度勞動(dòng)100～12080～100180～210辦公設(shè)備：臺(tái)燈計(jì)算機(jī)/傳真機(jī)投影儀臺(tái)式復(fù)印機(jī)/打印機(jī)落地式復(fù)印機(jī)散熱器6030030040010004004010010012020040100200200250400100機(jī)器設(shè)備：約1m直徑，1m高約1m直徑，2m高約2m直徑，1m高約2m直徑，2m高20004000600080006008009001000Z1=1.1m,站姿時(shí)的分層高度

Z2=1.8m。對(duì)于常見(jiàn)的熱設(shè)備、辦公設(shè)備人員，分層高度分別為

Z1=1.1m以及

Z2=1.8m時(shí)的煙羽流量可查表2-1-10。表2-1-10熱源引起的上升氣流流量（煙羽流量）置換通風(fēng)

4．送排風(fēng)溫差的確定當(dāng)室內(nèi)發(fā)熱量已知，送風(fēng)量已確定時(shí)，送排風(fēng)溫差是可以計(jì)算得到的。在置換通風(fēng)的房間內(nèi)，滿足熱舒適性要求條件下，送排風(fēng)溫差隨著頂棚高度的增高而變大。歐洲國(guó)家根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)確定了送排風(fēng)溫差與房間高度的關(guān)系，如表2-1-11所示。房間高度/m送排風(fēng)溫差/℃＜33～66～9