碰撞射流通风房间室内粒子浓度分布特征的研究

发布时间：2020-07-24 12:49

【摘要】：通风方式对空调通风房间室内热环境、污染物的分布特性和能耗都有直接影响。因此,选择合理的通风方式在空调系统设计中显得尤其重要。在已有的通风方式中,置换通风虽然同时实现了节能和良好空气品质的目标,但不能用于热风供暖;而混合通风虽可以兼顾供冷与供热的需求,但送风能量的利用率较低。由于碰撞射流通风在原理上同时具有混合通风和置换通风的优点,因而成为一种潜在的替代传统通风方式的新型空调通风策略。关于碰撞射流通风房间热环境和空气品质的已有研究成果相对较少,特别是这种通风房间内的已沉积粒子的再悬浮机理,以及悬浮粒子的扩散和分布特征等问题的结果还很少见到。此外,由于碰撞射流通风系统送风速度相对较高,气流以较大的动量垂直撞击地面,这不但造成碰撞射流送风气流引起地面已沉积粒子再悬浮的风险较大,也使得其气流形态与其他通风方式明显不同。因此,作为传统通风方式潜在的替代通风策略,有必要了解和分析碰撞射流通风相对于其他空调通风方式的优势与劣势。本文同时对碰撞射流、地板送风、置换通风和混合通风这4种空调通风方式对应的室内热环境和空气品质进行了对比研究,并详细研究了碰撞射流通风房间已沉积粒子的再悬浮规律,探讨了避免沉积粒子再悬浮的途径。采用数值模拟和实测相结合的方法,对碰撞射流及其他3种常用通风方式房间的温度场和流速场进行了研究。结果表明,夏季碰撞射流通风房间虽然送风冷气流以较大动量直接进入人员活动区域,但仅在人体足部产生较大的吹风感,其他位置室内气流速度均小于0.3 m/s,可完全满足室内人员热舒适要求。碰撞射流通风房间的室内温度分布与置换通风房间类似,沿空间高度方向存在明显的温度梯度,具有较高的能量利用率,相对于混合通风,可获得较好的节能效果。为了解碰撞射流送风气流是否引起地面已沉积粒子再悬浮,以及对室内粒子浓度分布的影响,通过连续实测碰撞射流房间内不同送风条件下的室内气溶胶粒子浓度水平,分析了送风气流对地面已沉积粒子再悬浮特性的影响。结果发现,尽管碰撞射流房间地面已沉积粒子再悬浮的风险高于置换通风和混合通风房间,但可以通过控制送风速度的方法来避免粒子的再悬浮对空气品质的影响。为此,本文给出了送风口靠墙的碰撞射流房间不同送风口高度下避免各粒径段粒子再悬浮的临界送风速度uc。这一临界送风速度uc主要随送风口高度h的增加和粒子粒径dp的减小而增加。当送风口高度为0.6和0.3 m时,为避免发生粒子再悬浮,送风速度us应分别控制在2.6和2.2 m/s以内;当送风口高度大于0.9 m时,粒子再悬浮的风险可以忽略,送风速度只需控制在人体热舒适要求达到的常规范围内即可。另外值得注意的是,由于再悬浮风险随着粒子尺度的减小而下降,且大粒子向上扩散的能力有限,即使碰撞射流系统出现了短时间内送风速度过大的异常现象,送风气流引起了粒子再悬浮,其再悬浮量在大多数情况下也不会超过一个人行走引起的再悬浮量,并且很难上浮到人体呼吸高度处,对室内空气品质恶化的风险较小。人员在室内的行走和其他行为都可能会引起粒子再悬浮效应。为比较碰撞射流与其他通风方式房间已悬浮粒子的空间和时间分布特征,本文采用实验和数值模拟的方法研究了夏季供冷工况时碰撞射流房间人员行走产生的悬浮粒子的空间和时间分布的稳态特征和动态变化特征,分析了典型使用功能空间中,不同粒径悬浮粒子对室内呼吸高度及其他重要位置处粒子浓度的影响。结果表明,与置换通风房间相似,碰撞射流房间室内人员行走区域、人体周围和外墙内表面周围粒子浓度较高;室内坐姿人员周围的粒子浓度明显受到人员空间位置的影响,距离送风口越远,粒子浓度越高。与混合通风房间相比,碰撞射流房间人体站姿和坐姿时呼吸区粒子平均质量浓度更低。此外,各通风方式房间的已悬浮粒子分布的动态模拟研究结果表明,由于混合通风房间气流形态仅受到送风气流惯性的影响,而碰撞射流通风的气流形态受到送风惯性力和浮力的共同作用,因此,前者人体周围粒子浓度浓度峰值只出现一次,而后者人体周围有两次浓度峰值出现,其中近地面处由惯性力引起的浓度峰值远高于其他通风方式的相应水平。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU834
【图文】：

碰撞射流,送风口

[8]。图1-1 碰撞射流送风口的布置Fig. 1-1 Layout of air supply outlet in impinging jet ventilation system夏季供冷工况时，碰撞射流通风与置换通风类似，沿地面扩散开的冷空气在地面形成“空气湖”，并在热浮力的作用下沿房间高度方向形成热力分层，因而具有空气品质好和节能的优点。冬季供热工况时，由于碰撞射流通风的送风动量较高，热风与室内空气自房间下部区域开始充分混合，从而克服了置换通风用于供热工况时热空气容易直接上浮到房间上部空间的缺陷。同时热风自下而上地与室内空气混合，克服了混合通风方式难以将热气流从上方输送到下部人员活动空间的缺点。因此，理论上碰撞射流通风兼具混合通风和置换通风的优势，可以作为传统通风方式潜在的替代品。由于碰撞射流通风的上述特征和潜在的优点，国外已有碰撞射流通风成功应用于不同建筑的案例

示意图,室内气流,碰撞射流,形态

(a) 混合通风 (b) 置换通风 (c) 碰撞射流通风图 1-2 室内气流形态示意图Fig. 1-2 Air flow patterns in the region close to the floor虽然碰撞射流通风同时具有混合通风和置换通风的优点，但再悬浮粒子对人

测试仪器,流速表,测杆,实验仪器

(a) 测试仪器的平面布置 (b) 测杆的立面图 (c) 实测系统局部图图 2-2 测试仪器布置Fig. 2-2 Layout of test instruments(4) 实验仪器试验采用美国 TSI 公司生产的 TSI-9535 型风量流速表测量风

【参考文献】