置换通风系统设计计算参数控制及应用_工程实践

摘要

摘要：介绍了置换通风系统的工作原理，对设计计算参数的控制进行了探讨。对置换通风+供冷辐射吊顸的实际工程应用进行了分析。关键词：置换通风系统；设计计算参数；供冷辐射吊顸Contr

摘要：介绍了置换通风系统的工作原理，对设计计算参数的控制进行了探讨。对置换通风+供冷辐射吊顸的实际工程应用进行了分析。

关键词：置换通风系统；设计计算参数；供冷辐射吊顸

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 置换通风系统的工作原理

置换通风是将新鲜空气以低速直接送入房间，并在地面附近形成一层薄薄的空气湖。当送风遇到室内热源(人员与设备等)时被加热形成上升的烟羽，上升烟羽不断卷吸周围空气并流向房间顶部，最终通过设置在房间顶部的排风口排出^[1～2])。若烟羽流量在近房间顶部处大于送风量，根据连续性原理，将有一部分热浊气流下降返回，因此在顶部形成一个热浊空气层。根据连续性原理，在某一界面上烟羽流量等于送风量，在该界面上返回空气量为零。这个界面将室内空气在流态上分为两个区域：上部湍流混合区，下部层流清洁区(即工作区)。置换通风的工作原理见图1。

由于置换通风是低速送风，送风动量较小，因此不易对室内主导气流产生明显影响，而且置换通风的通风效率较高，空气龄短，使得工作区的空气品质得到改善^[3]。但热源引起的上升气流易使工作区产生垂直温度梯度，若不能很好地控制，将造成工作区内人员的不舒适。本文主要探讨制冷工况。

2 置换通风适用条件

① 适用冷源

置换通风系统送风温度高于传统空调系统。采用冷水机组作为冷源，可通过控制流经换热盘管的冷水流量，控制送风温度，稳定性好。因此，置换通风系统一般采用冷水机组作为冷源。

② 适用场所

置换通风的核心技术是利用工作区的热源加热送风气流，使其利用自然作用力卷吸工作区内污染物及余热，并从上部排出。因此，置换通风适用于高度大于3m的空间，如厂房、影院、体育馆等。

3 设计计算参数的控制

① 温度

在分析置换通风房间温度控制时，设定室内温度在垂直方向上具有线性变化规律。距地面0.1m处是人体脚踝的位置，脚踝是人体暴露于空气中的敏感部位，因此该高度的空气温度t_0.1不应引起人体的不适。从舒适度出发，设计人员往往关心的是人员头部与脚踝之间的温差。采用置换通风时，室内温度变化由3部分组成：

a. 送风后地面的温升

送风后地面温升△t_0.1的计算式为：

△t_0.1=t_0.1-t_s

式中△t_0.1——送风后地面的温升，℃

t_0.1——距地面0.1m处的空气温度，℃

t_s——送风温度，℃

b. 距地面0.1m至界面高度温升

距地面0.1 m至界面高度温升△t_n的计算式为：

△t_n=t_h-t_0.1

式中△t_n——距地面0.1m至界面高度温升，℃

t_h——界面高度矗处的空气温度，℃

对于人员以坐姿为主的场所，h取1.1m，则有：

△t_n=t_1.1-t_0.1

式中t_1.1——距地面1.1m处的空气温度，℃

对于人员以站姿为主的场所，h取1.8m，则有：

△t_n=t_1.8-t_0.1

式中t_1.8——距地面1.8m处的空气温度，℃

c. 上部湍流混合区温升

上部湍流混合区温升△t_e的计算式为：

△t_e=t_e-t_h

式中△t_e——上部湍流混合区温升，℃

t_e——排风温度，℃

由以上分析得出置换通风房间内温度分布，见图2。图中h_t为房间高度，单位为m。由图2可知，3个温度变化区域具有明显的差异性：从地面至0.1m高度温度变化最显著，0.1m高度至界面高度次之，温度变化最小的是上部湍流混合区。

不同标准推荐的△t_n、t_0.1见表1。结合表1数据及工程应用，确定置换通风房间的温度控制参数：t_h-t_0.1≤3℃；冬季：t_0.1≥19℃，夏季：t_0.1≥21℃。

表1 不同标准推荐的△t_n、t_0.1

标准编号	SIA V382/1	IS0 7730	ASHRAE 5529	GB 50019
t_1.1-t_0.1	≤2℃	≤3℃
t_1.8-t_0.1	—	—	≤3℃	≤3℃
t_0.1	冬季19℃，夏季22℃	19～26℃	18～29℃	—
注：SIA为瑞士工程师和建筑师协会标准，IS0为国际标准化组织标准，ASHRAE为美国供暖制冷空调工程师学会标准，GB为中华人民共和国国家标准。

② 送风速度

在置换通风系统中，送风量对界面高度的变化影响很大。界面高度随着送风量的增加而增高，这对形成洁净的工作区有利。但随着送风量的增大，送风速度增大到一定程度后，将会使送风动量过大，甚至破坏工作区层流流态。另外，送风速度偏大易使人体感受到不舒适的吹风感。置换通风工程通常将送风速度控制在0.13～0.17m/s。

③ 送风量

送风量q的计算式为^[4]：

式中q——送风量，m³/h

a、b、c——系数，分别取0.295、0.132、0.185

Φ₀——室内人员、电气设备发热量，W

Φ₁——室内照明发热量，W

Φ_e——太阳辐射得热量，W

ρ——空气密度，kg/m³

c_p——空气比定压热容，kJ/(kg·K)

这种送风量的计算方法基于一定的设定，即设定沿高度方向工作区内温度是线性变化的，并认为仅有部分室内热负荷影响工作区的温度梯度。这种计算方法通过CFD数值模拟，在工程中有一定的实用性^[4]。

4 置换通风+供冷辐射吊项的工程应用

以天津地区某电子厂房核心部件加工车间为例，该车间位于厂房内区，由于工艺特殊要求，车间需常年供冷，车间内部无明显湿源且工作人员较少。另外，工艺要求对室内相对湿度控制偏低，车间区域的划分及室内空气控制参数见表2。建筑特点：热源发热量大，冷负荷指标425W/m²；热源分布点较少；车间内部没有明显湿源，且工作人员较少，湿负荷明显小于其他类型建筑；由于车间内部设备与人员稀疏，因此不像办公或商场建筑存在明显的气流遮挡问题。

表2 车间区域的划分及室内空气控制参数

区域划分	建筑面积/m	高度/m	温度/℃	相对湿度/%
切割区	60	3.4	23±1	45±5
扣件加工区	61
放大器加工区	79

根据车间热源分布特点与室内空气的控制要求，采用置换通风+供冷辐射吊顶。置换通风装置保证卫生要求的通风量和消除湿负荷，供冷辐射吊顶解决车间内显热负荷，削弱垂直温度梯度对人员造成的不适。但这种解决方案存在的最大问题就是供冷辐射吊顶易凝露^[5]，因此工程中通常提高供冷辐射吊顶表面温度使其高于室内空气露点。具体方案为只在热源点附近设置送风口，在热源上方安装供冷辐射吊顶，其他区域不设置送风口、供冷辐射吊顶，这对于减少送风量及降低供冷辐射吊顶布置率非常有利，实际工程中该车间的供冷辐射吊顶布置率只有30%左右。由实际应用可知，针对热源产热量大，分布点少，湿负荷小，以消除显热负荷为主的厂房，采用置换通风+供冷辐射吊顶是合理的，可以克服工作区温度梯度控制不当造成的人员感觉不适的情况，减小送风量，降低风管、风口的造价，节省通风管道占用的空间，降低风机能耗。

5 结论

① 优化设计计算参数是置换通风工程设计的关键，特别是针对不同的生产工艺，应充分分析热源与温度场的特点，选择更加合理的控制方案。

② 针对热源分布点少、发热量大的厂房，置换通风+供冷辐射吊顶是一种值得推荐的方案，也有利于对置换通风系统设计计算参数的优化控制。

参考文献：

[1] 李龙宁，李强民.置换通风的原理和应用[J].通风除尘，1996(1)：27-31.

[2] 王洪成，李汛.地板辐射与置换通风组合空调系统的模拟[J].煤气与热力，2006，26(11)：60-63.

[3] 王庆莉，龙惟定.地板送风与置换通风的差异[J].建筑热能通风空调，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] 邓仁杰，张立志，尹清华.冷吊顶系统的研究进展[J].建筑热能通风空调，2004，23(5)：18-23.

(本文作者：常茹于齐东天津城市建设学院天津 300384)