置换通风在中国的应用

1．引言

　　近年来，一种新的通风方式--置换通风在我国日益受到设计人员和业主的关注。这种送风方式与传统的混合通风方式相比较，可使室内工作区得到较高的空气品质、较高的热舒适性并具有较高的通风效率。1978年德国柏林的一家铸造车间首次采用了置换通风系统，从这以后，置换通风系统逐渐在工业建筑、民用建筑及公共建筑中得到了广泛的应用。特别是在北欧斯堪的纳维亚国家，现在大约50％的工业通风系统采用了置换通风系统，大约25％的办公室通风系统采用了置换通风系统。在中国，也有一些工程开始采用置换通风系统，并取得了一些令人满意的结果。

2．置换通风的原理与特点

　　置换通风以低速在房间下部送风，气流以类似层流的活塞流的状态缓慢向上移动，到达一定高度受热源和顶板的影响，发生紊流现象，产生紊流区。气流产生热力分层现象，出现两个区域：下部单向流动区和上部混合区。空气温度场和浓度场在这两个区域有非常明显的不同特性，下部单向流动区存在一明显垂直温度梯度和浓度梯度，而上部紊流混合区温度场和浓度场则比较均匀，接近排风的温度和污染物浓度。因此，从理论上讲，只要保证分层高度在工作区以上，首先由于送风速度极小且送风紊流度低，即可保证在工作区大部分区域风速低于0.15m／s，不产生吹风感；其次，新鲜清洁空气直接送入工作区，先经过人体，这样就可以保证人体处于一个相对清洁的空气环境中，从而有效地提高了工作区的空气品质。这种通风形式不再完全受送风的动量控制而主要受热源的热浮升力作用，热污染源形成的烟羽因密度低于周围空气而上升。烟羽沿程不断卷吸周围空气并流向顶部。如果烟羽流量在近顶棚处大于送风量，根据连续性原理，必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，在任一个标高平面上的上升气流流量Qp等于送风量Qs与回返气流流量Qr之和。因此必将在某一个平面上烟羽流量Qp正好等于送风量Qs，在该平面上回返空气量等于零。在稳定状态时，这个界面将室内空气在流态上分成两个区域，即上部紊流混合区和下部单向流动清洁区。置换通风热力分层情况如图1所示。

空调节能和室内空气品质是当前暖通空调界面临的两大课题，而置换通风能在一定程度上较好地解决这两个问题。

(1)为了在工作区获得同样的温度，置换通风系统所要求的送风温度高于混合通风，这就为利用低品位能源以及在一年中更长时间地利用自然通风冷却提供了可能性，以达到节能的效果。根据有关资料统计，置换通风与混合通风相比，可以节约20％一50％的制冷耗费。

(2)置换通风可以对工作区的C02等污染物进行更为有效的控制。它的通风效能系数大于混合通风，这样就能达到改善室内空气品质的目的。

3．置换通风系统设计要点

(1)室内温度tn及工作区温度梯度的确定

　　置换通风房间内工作区的温度梯度tn是造成人体不舒适的重要因素。离地面0.1m的高度是人体脚踝的位置，脚踝是人体暴露于空气中的敏感部位。该处的空气温度t0.1不应引起人体的不舒适。房间工作区的温度tn往往取决于离地面1 .1m高度处的温度(对坐姿人员如办公、会议、讲课、观剧等)。

表1 室内温度tn及工作区温度梯度

　　上述数据的取值根据工作人员的劳动状态确定。由于置换通风在我国尚属起步阶段，现有的通风空调设计手册及暖通设计规范尚未作出规定。现推荐欧洲及国际标准中有关数据，如表2所列。

(2)送风温度的确定

送风温度由下式确定：
ts＝t1.1+Δtn((1-k)/c-1) (1)
式中：
ts--送风温度，tp--排风温度； c--停留区温升系数，
c=Δtn/Δt=(t1.1-t0.1)/(tp-ts)，k--地面区温升系数， k=Δt0.1/Δt=(t0.1-ts)/(tp-ts)。
停留区温升系数c也可根据房间用途确定。表3列出各种房间的c值。
表3 各种房间停留区的温升系数

(3)送风量的确定

根据置换通风热力分层理论，界面上的烟羽流量与送风流量相等。
Qs＝Qp m3／h (2)
当热源的数量与发热量已知，可用下式求得烟羽流量：
Qp＝(3Bπ^2)^1/3 *(6/5)^4/3*Z^5/2
式中：B＝gβQs／ρ.Cρ
Qs--热源热量；
β--温度膨胀系数；
α--烟羽对流卷吸系数(由实验确定)；
ρ--空气密度；
Cρ--空气定压质量比热；
Zs--分层高度。
　　通常在民用建筑中的办公室、教室等工作人员处于坐姿状态，工业建筑中的工作人员处于站姿状态。坐姿时的分层高度Zl＝1.1m，站姿时的分层高度Z2＝1.8m。

(4)送排风温差的确定

　　当室内发热量已知，送风量已确定的情况下，送排风温差是可以计算得到的。在置换通风的房间内，在满足热舒适性要求条件下，送排风温差随著顶棚高度的增高而变大。欧洲国家根据多年的经验确定了送排风温差与房间高度的关系，如下表所列

表4 送排风温差与房间高度的关系

4．置换通风的末端送风装置

(1)第一代置换通风末端送风装置

　　第一代置换通风末端装置主要考虑将新鲜空气以非常平稳而均匀的状态送入室内。实际应用中是在送风分布器的出口处装过滤网，并在送风器内设置一例置的锥形布袋，这样就保证了送风的均匀性。送风分布器具有一定的开孔度和孔距，面罩上的开孔布置均匀。由于置换通风的出口风速低，送风温差小的特点导致置换通风系统的送风量大，它的末端装置体积相对来说也较大。第一代置换通风末端装置通常有圆柱型、半圆柱型、1/4圆柱型、扁平型及平壁型等5种。在民用建筑中置换通风末端装置一般均为落地安装。当某地高级办公大楼采用夹层地板时，置换通风末端装置可安装在地面上。在工业厂房中由于地面上有机械设备及产品零件的运输，置换通风末端装置可架空布置。落地安装是使用得最广泛的一种形式。1/4圆柱型可布置在墙角内，易与建筑配合。半圆柱型及扁平型用于靠墙安装。圆柱型用于大风量的场合并可布置在房间的中央。同济大学与上海泰山通风空调设备有限公司已经研制开发出了第一代置换通风末端装置，并在一些工程上得到了一定的应用。

(2)第二代末端送风装置

　　第二代末端送风装置主要是在不影响舒适性并保证室内空气品质高于混合通风系统的基础上提高了系统的冷却能力。室内的湿负荷和新风负荷及小部分冷负荷主要由置换通风系统承担，室内大部分冷负荷由冷却吊顶通过冷辐射来承担。这样就大大减少了末端装置的设置数量。而且冷吊顶对消减室内垂直温度梯度具有明显作用。置换通风与冷却吊顶结合的精确设计、施工和管理可以创造出一个既无吹风感又清洁舒适的室内空气环境，并具有显著的节能效果。因此，不少人称它为"健康空调"、"未来空调"，相信在未来的暖通空调的发展中，会有其一席之地的。

(3)第三代末端送风装置

　　第三代末端送风装置是利用诱导的原理，在该末端装置中设有特殊的空气喷射器，将大量的室内空气与一次气流混合从而提高了送风的冷却能力。喷射器的安装位置可以在送风末端装置内也可在送风管道内。室内空气与一次空气的大量掺混，可能会带来换气效率的下降，但只要将空气的混合限制在人员活动区域，其通风效率、换气指数还是要比传统的混合通风方式高。第三代送风装置正处于研制、开发应用阶段。

5．置换通风在工程中的实际应用

(1)上海松江Tiger Park公司的塑料制袋生产厂

　　该厂主要生产车间由挤出吹塑、印刷复合、分切制袋和包装四部分组成。厂房主跨宽25.6m，高度为7.80m(挤压吹塑工段宽约18m)，除包装部分外其它三个工段均采用置换风的空调通风方式。为了不影响车间的有效使用面积，置换通风器均设在两侧墙离地约2.20m处，而空调设备就设在车间内的平台上，空调回风直接回到空调设备的回风口处(不接回风)，在吹塑工段顶部另设有排风机。将热量及污浊空气外排。由于该项目为外方概念设计，工艺备有关情况不祥，但分切制袋工段的冷负荷指标仅为86W／m²，单位风量指标为20～25m3/m². h，从这些指标来看，比混合式空调通风方式指标低约30％一40％左右。

(2)南京爱立信通讯有限公司江宁厂房

　　南京爱立信通讯有限公司是由瑞典爱立信公司与南京熊猫电子集团合资建立的。按照瑞典厂房的标准，其主要厂房的空调通风系统采用了置换通风系统。该厂房占地50亩，包1#建筑(办公区域)、2#建筑与3#建筑(生产厂房)两者的建筑面积均为2069 m^2(空调面积778m^2)，吊顶高度3.4m。2#建筑与3#建筑生产厂房采用落地风口送风的置换通风方式。系统的送风管沿两边侧墙布置，通过送风立管连通到每个末端送风口，回风管布置在吊顶内，位于房间的中轴线上，排风通过屋顶风机排至室外。每个车间内布置落地式半圆柱风口29个，回风口(1000×300)15个，排风口(Φ320) 18个。每个风口的送风量为1931m3／h，冷负荷指标为233w／m²，热负荷指标为90w／m²。该系统投入使用近三年来，业主已经感觉到此系统所提供的良好的空气品质及较高的通风效率，在节能方面也取得了令人满意的效果。

(3)其它工程

　　在上海轻工业设计研究院所设计的几个大型造纸厂(如常熟亚太纸业公司、金红叶纸厂) 造纸车间的补风均使用了置换通风的末端装置，有的结合土建侧墙设置，有的设置在车间一定的高度上从而可不占据车间的生产面积。

　　对于一些有热源的高大厂房，因为车间跨度大，采用自然进风屋顶排风的方式，往往通风效果欠佳，如果采用置换通风，则将提高整个车间的通风效果。

　　不久前竣工的上海大剧院观众厅座椅下送风系统是置换通风系统在公共建筑中一个典型应用。为对该系统的可行性进行论证，曾经在同济大学气流显示实验室内建立了该系统1:1的单座椅下送风系统的实型模型，并进行了系列试验。而实际投入使用后的情况也是令人满意的。

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