CN109140733A - 一种均流节能型半圆送风口以及该送风口结构的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均流节能型半圆送风口以及该送风口结构的确定方法，所述送风口包括两斜边、两竖直边以及构成底边的水平边和曲线边，所述两斜边、两竖直边、水平边以及曲线边相互连接形成封闭的多边形结构，所述两斜边、两竖直边以及底边均关于中轴线对称，在所述送风口的出风区域内设置有多个挡板，所述挡板分布在送风口的中轴线及水平轴线上。本发明的送风口的送风区域比传统送风口要小，且能保证送风气流送到指定的区域并有效形成半圆形，减小了扩散到目标区域以外的风量，送风较为集中，降低能耗，同时气流分布更均匀，满足了人体舒适度要求。

Description

一种均流节能型半圆送风口以及该送风口结构的确定方法

技术领域

本发明属于通风空调技术领域，涉及一种通风空调的送风口，特别是一种可形成半圆形送风断面的均流节能型半圆送风口以及该送风口结构的确定方法。

背景技术

送风口是通风和空调系统的重要的组成部分。送风口的正确设计和选择一能满足人们的通风需求，二能提高人员的舒适度及空气的输送效率。常用的风口形式有单层活动百叶风口、双层活动百叶风口、孔板栅格风口、散流器、收缩喷口等。

送风气流从送风口中流出时一般形成紊流射流。射流从出风口以一定的速度流入空间介质内并发生扩散，如图1所示。由于射流边界与周围介质间存在动量交换，周围气流不断被卷入射流流体中，射流不断扩大，因而射流断面的速度从出流中心开始逐渐向周围衰减，并沿射程方向不断降低。结果，流量沿程增加，射流直径不断加大，各断面上的总动量保持不变。空调中常用的射流段为主体段，也即紊流充分发展的区段。

由多个相同的射流平行地在同一高度射出，所形成的气流叫多股平行射流。如图2所示，多股平行气流从风口出流后，在A点之前，每股射流单独发展，射流最大速度出现在射流的轴心上，汇合于A点之后，各股射流相互干扰，产生叠加，并汇成一片气流。风口各角就可看作是平行射流叠加后的效果。

在通风空调系统的设计中，设计人员按照相关规范、标准的要求把指定的送风风量送到某空间中，通常并不关心送风断面的形状以及送风的均匀性。这种无序的送风常常给人们造成困扰，如在夏季办公室中，由于送风口的选择及建筑空间内障碍物的遮挡，坐在送风口附近的工作人员被冷风吹得瑟瑟发抖，然而坐在办公室角落、冷空气覆盖不到的区域的工作人员却仍然感到闷热难耐。因此，有必要选择合理的送风口，形成所需的送风断面形状，有效覆盖通风区域内的活动人员，并尽量保证送风的均匀性。

现阶段的节能均流风口设计较为复杂。如专利“一种转角可调的出风口”(申请号：201710277785.0)，该专利通过马达和齿轮让使用者调节出风口转角，改变送风角度从而满足自己的舒适要求。又如专利“一种阻力非均匀分布式排风口”(申请号：201210037577.0)通过调节栓和连接杆之间的铰链接，调整横向导流叶片和纵向导流叶片进行自由转动，以改善气流组织。再如专利“一种住宅侧墙式孔板送风口”(申请号：201610284520.9)通过设置侧墙竖风道，风道内加设纵向隔板，使侧风道近似起到静压箱的作用。侧风道面向室内的一侧面板上均匀开设孔板送风口。

上述专利通过不同方式改善气流组织，但均未对目标区域的送风断面形状加以改善，且速度分布均匀有待进一步提高。普通的半圆形风口会随着气流的扩散而逐渐变形，并不能有效满足拱形建筑空间对半圆形送风断面的形状需求。有鉴于此，本发明对普通的半圆形风口进行改进，以期能提供能满足人们需求的半圆形送风断面。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能有效形成半圆形送风断面的送风口，解决现有的送风口气流扩散而变形为其他形状的问题，满足指定送风区域内的人员对送风断面形状的需求，且与现有送风口相比，送风口气流分布更均匀，所需送风量也更小，更节能的均流节能型半圆送风口以及该送风口结构的确定方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种均流节能型半圆送风口，其特征在于：所述送风口包括两斜边、两竖直边以及构成底边的水平边和曲线边，所述两斜边、两竖直边、水平边以及曲线边相互连接形成封闭的多边形结构，所述两斜边、两竖直边以及底边均关于中轴线对称，在所述送风口的出风区域内设置有多个挡板，所述挡板分布在送风口的中轴线及水平轴线上。

本发明所述的均流节能型半圆送风口，其所述多个挡板通过连接件固定设置在送风口的出风区域内，所述多个挡板均匀分布在送风口的中轴线及水平轴线上且关于中轴线对称。

一种如上述均流节能型半圆送风口结构的确定方法，其特征在于：

首先，从动量定理出发，经过计算得到圆形射流的轴线速度u_m计算公式为：

断面半径R计算公式为：

式中，r₀为射流喷口半径(m)；s为射流主体段任意截面到喷口的距离(m)；u₀为喷口出风速度(m/s)；α为送风口出风断面湍流系数；

其次，根据送风射流发展扩散规律确定风口各边的关系式，以风口底边的中点为原点O，以其水平边方向为x轴方向，以其垂线方向为z轴方向，建立平面直角坐标系XOZ；设所需送风半圆形高为H，则风口垂直总高度H’为(1.05±0.2)H，风口水平长度为2L＝2×(0.9±0.05)H，底边曲线部分宽为2a＝2×(0.2±0.05)×L，高为2b＝2×(0.3±0.05)×H；

在建立的平面直角坐标系中，送风口的右侧斜边满足如下关系式，左侧斜边与之关于风口中心轴线对称：

送风口底边的右半部分方程为：

6.25Hx²+2Hz²-2.5Hx-2.5Hz+0.7H＝0(0<x≤a,0≤z≤b) (4)

z＝0(a<x≤L) (5)

底边的左半部分与之关于风口中轴线对称；

送风口的竖直边为连接斜边与底边的垂直直线段，

最后，在送风口处设置圆形挡板，该挡板位于送风口的中轴线及水平轴线上，确定水平轴线的参考方程为H为目标送风区域的高度，风口中轴线方程为x＝0，

进一步，对挡板的形状及位置进行计算模拟，得到：

垂直中轴线上的圆形挡板的半径为挡板的个数为1±1个，圆形挡板圆心坐标参考值为其中B为风口底边距地面的安装高度，H为目标送风区间的高度；水平轴线上的挡板半径为挡板的个数为2±1个，圆形挡板圆心坐标参考值为挡板的位置关于风口中轴线对称。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的送风口的送风区域比传统送风口要小，且能保证送风气流送到指定的区域并有效形成半圆形，减小了扩散到目标区域以外的风量，送风较为集中，降低能耗。

(2)本发明的送风口的挡板减小了出风面积，当送风速度不变时送风风量随之减小，进而节省了冷量，节约了能源；此外，多个圆形挡板的合理布置使送风气流在指定断面风速分布更为均匀，满足了人体舒适度要求。

附图说明

图1是射流流动的示意图。

图2是多股平行射流叠加图。

图3是本发明的结构示意图。

图4是本发明的送风口各边的曲线方程及挡板所在的平面直角坐标系。

图5～图11是不同曲线、不同挡板位置的送风口在同一断面的送风效果对比图。

图12是本发明风口与普通半圆形风口的实施效果对比图，其中：

(a1)～(a5)分别为距离普通半圆形送风口0.3米、0.4米、0.5米、0.6米、0.7米处的送风速度截面分布图；

(b1)～(b5)分别为距离本发明送风口0.3米、0.4米、0.5米、0.6米、0.7米处的送风速度的截面分布图。

图13是本发明的送风口与传统送风口的送风均匀性对比图。

图14是本发明所提风口应用于普通办公空间的示意图。

图15是本发明所提风口应用于艺术造型的办公空间的示意图。

图16是本发明所提风口作为个性化送风的侧视图。

图17是本发明所提风口的送风效果图(考虑人员头部晃动)。

图18是本发明所提风口的送风效果图(考虑人员小范围活动)。

附图标记：1为斜边，2为竖直边，3为水平边，4为曲线边，5为挡板，6为连接件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3所示，一种均流节能型半圆送风口，所述送风口包括两斜边1、两竖直边2以及构成底边的水平边3和曲线边4，所述两斜边1、两竖直边2、水平边3以及曲线边4相互连接形成封闭的类五边形结构，所述两斜边1、两竖直边2以及底边均关于中轴线对称，在所述送风口的出风区域内设置有多个挡板5，所述挡板5分布在送风口的中轴线及水平轴线上。

其中，所述多个挡板5通过连接件6固定设置在送风口的出风区域内，所述多个挡板3均匀分布在送风口的中轴线及水平轴线上且关于中轴线对称。

一种上述均流节能型半圆送风口结构的确定方法，即确定风口各边的关系式、圆形挡板所在轴线的关系式及圆形挡板的大小、数量及位置的方法，具体为：

首先，从动量定理出发，经过计算得到圆形射流的轴线速度u_m计算公式为：

断面半径R计算公式为：

式中，r₀为射流喷口半径(m)；s为射流主体段任意截面到喷口的距离(m)；u₀为喷口出风速度(m/s)；α为送风口出风断面湍流系数；

其次，根据送风射流发展扩散规律确定风口各边的关系式。对以不同曲线方程作为边长、设有不同的圆形挡板的类五边形及其他形状风口进行模拟计算，观察气流从半圆形风口送出后的流型及扩散形状，寻找气流扩散规律，并不断调整与改进。以风口底边的中点为原点O，以其水平边方向为x轴方向，以其垂线方向为z轴方向，建立平面直角坐标系XOZ，如图4所示。

如图5至图11所示，依次为遵循不同曲线方程及设置不同挡板的风口在同一房间同一断面的送风效果对比图。房间的尺寸为10m×10m×5m(长×宽×高)，送风口安装于房间一侧的墙壁上，送风速度为0.5m/s。改变风口参数，观察比对是否能形成半圆形的送风断面。由于人能感知到的风速为0.2m/s以上，故速度流线图给出了房间同一位置处风速0.2～0.5m/s的送风断面。

纵观图5至图11发现，送风口宽高比对送风口的形状有一定的影响；斜边曲率过大，不利于送风气流与周围气流的掺混、扩散、发展为半圆形；合理的挡板位置促使送风断面的速度分布更加均匀，如果条件允许，设置导流板，送风效果尤佳。经过反复的调整与实验，最终确定由式(3)～式(6)所确定的送风口的送风效果最佳，既能在断面形成半圆形，又在高度上可以满足工作区人员的对新风量的需求，且气流分布较为均匀。

设所需送风半圆形高为H，则风口垂直总高度H’为(1.05±0.2)H，风口水平长度为2L＝2×(0.9±0.05)H，底边曲线部分宽为2a＝2×(0.2±0.05)×L，高为2b＝2×(0.3±0.05)×H；

在建立的平面直角坐标系中，送风口的右侧斜边满足如下关系式，左侧斜边与之关于风口中心轴线对称：

送风口底边的右半部分方程为：

6.25Hx²+2Hz²-2.5Hx-2.5Hz+0.7H＝0(0<x≤a,0≤z≤b) (4)

z＝0(a<x≤L) (5)

底边的左半部分与之关于风口中轴线对称；

送风口的竖直边为连接斜边与底边的垂直直线段，

最后，本发明为了提高送风均匀性，在送风口处设置圆形挡板，该挡板位于送风口的中轴线及水平轴线上时，可提高送风的均匀性。经过多次模拟和调整，确定水平轴线的参考方程为H为目标送风区域的高度，风口中轴线方程为x＝0，

进一步，对挡板的形状及位置进行计算模拟，得到：

垂直中轴线上的圆形挡板的半径为挡板的个数为1±1个，圆形挡板圆心坐标参考值为其中B为风口底边距地面的安装高度，H为目标送风区间的高度；水平轴线上的挡板半径为挡板的个数为2±1个，圆形挡板圆心坐标参考值为挡板的位置关于风口中轴线对称。

满足上述情况下的挡板，既能保证送风气流有效覆盖指定区域，又能令气流分布更加均匀。

本发明的送风口推荐设于墙体表面用于侧送风，风口的送风方向为水平方向，且在送风区域尽量减少障碍物对送风气流的阻碍。且若条件允许，在风口下方设置导流板，引导气流沿送风方向运动，送风效果尤佳。

本发明的具体实施例：

如图3和4所示，本实施例给出一种用作个性化送风的半圆形送风口，本发明的送风口为以一水平曲线为底的类五边形，该送风口的两个斜边及底边的曲线部分均符合所提关系式(3)～(6)，且风口关于自身中轴线对称。风口底边的直线长度为560mm，风口高度为300mm，可在距风口300mm～700mm的区间内有效形成半径为320mm的半圆形送风断面。

相关研究表明，人体各部位对于吹风感的敏感性是不同的。人体的面部区域(包括脸、颈部和背部上部)是吹风感最敏感的区域。考虑到个性化送风口小型化的需求，发明所提的送风口主要对人体的头、颈及肩部进行送风。

依据国家标准GB10000-88《中国成年人人体尺寸》，18～60岁人群肩膀距头顶的高度约为320mm，肩宽为330～415mm，最大肩宽为383～486mm，因此确定送风高度为320m，为给人员留有一定的活动空间，送风气流设计保证能有效覆盖宽为640mm的区间，大于人员最大肩宽486mm。

此外，有关人体热舒适的研究发现，工作区内人体可接受的送风速度范围为0.1～0.55m/s。而我国现行的《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736-2012)第3.0.3条规定：人员活动区的风速，供冷工况时，宜采用0.2m/s～0.5m/s。综上，本实施例中的送风速度取0.5m/s。

当本发明的送风口设于工位前侧、个性化送风管末端作为侧送风口时，如图16所示，最佳的送风口安装高度为指定送风区域的中心位置，以保证气流充分发展。本实施例中，风口底边距桌面高为200mm，风口中心的安装高度为350mm。送风口距人员400mm，考虑到工作区人员的活动需求及设计裕量，目标送风区间为距送风口300mm～700mm。

送风口上设有挡板，挡板通过细丝固定在风口的中轴线及斜向轴线上，细铁丝足够细，其对送风口的空气流场影响可以忽略。挡板为圆形，挡板共有3个，若以图4中平面直角坐标系中的坐标表示，中轴线上圆形挡板的坐标为(0，210)，圆形挡板半径为20mm；水平轴线上圆形挡板的坐标为(170，110)，圆形挡板半径为40mm.。底边曲线部分a为60mm，b为100mm。

为与普通半圆形送风口的送风效果进行比较，本发明还对普通半圆形送风口的送风效果进行对比测试，参数与本实施例相同，仅是将送风口替换为普通半圆形送风口。

相关研究结果表明，人体能感知到的风速为0.2m/s以上，因而在此只展示风速0.2～0.5m/s的送风断面的流线图。图12为本实施例的送风口与普通半圆形送风口的送风实施效果对比图。由图12(a1)～图12(b5)可知，两种送风口的送风速度均沿着房间的进深增加而不断衰减，均能将一定风量的0.2m/s～0.5m/s的气流送到指定区间。但通过对比图12中的(a1)和(b1)、(a2)和(b2)、(a3)和(b3)、(a4)和(b4)、(a5)和(b5)可以看出，普通半圆风口并不能形成半圆形送风断面，而本发明提出的送风口在人员活动区域均能形成较为良好的半径为320mm的半圆形送风断面，满足了活动区对送风形状的需求。此外，图12(a1)～图12(a5)最大风速依次为0.507m/s、0.507m/s、0.506m/s、0.504m/s、0.496m/s；图12(b1)～图12(b5)最大风速依次为0.459m/s、0.456m/s、0.453m/s、0.448m/s、0.437m/s，也即改进后的风口最大风速相较于改进前的风口依次下降了9.4％、10.0％、10.6％、11.3％、11.9％，改进后的风口使得活动人员感觉较为舒适。由于添加了送风挡板，送风口的有效送风断面面积由原先的1.04m²减小为0.80m²，送风量也由0.522m³/s减小为0.402m³/s，减小了23.1％。

速度均匀性指标可用于描述指定表面上速度的变化情况，最大值为1。计算式如下：

其中为i为该面上的测点数，为整个表面的速度平均值：

经计算可得，图12(a1)～图12(a5)的速度均匀性依次为0.877、0.876、0.875、0.875、0.878，图12(b1)～图12(b5)的速度均匀性依次为0.897、0.895、0.895、0.895、0.899，本发明所提风口的均匀性相较于前者依次提高了2.2％、2.2％、2.3％、2.3％、2.4％，有所改善。

本发明所提的送风口送风气流速度均位于使人感到舒适的0.2～0.5m/s的风速范围内，且能形成半圆形送风断面，送风较为均匀，送风量更小。

综上，本发明提出的送风口不仅能有效形成半圆形送风断面形状满足活动区人员对新风量的需求，且速度分布较为均匀，活动人员感觉舒适。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种均流节能型半圆送风口，其特征在于：所述送风口包括两斜边(1)、两竖直边(2)以及构成底边的水平边(3)和曲线边(4)，所述两斜边(1)、两竖直边(2)、水平边(3)以及曲线边(4)相互连接形成封闭的多边形结构，所述两斜边(1)、两竖直边(2)以及底边均关于中轴线对称，在所述送风口的出风区域内设置有多个挡板(5)，所述挡板(5)分布在送风口的中轴线及水平轴线上。

2.根据权利要求1所述的均流节能型半圆送风口，其特征在于：所述多个挡板(5)通过连接件(6)固定设置在送风口的出风区域内，所述多个挡板(3)均匀分布在送风口的中轴线及水平轴线上且关于中轴线对称。

3.一种如权利要求1或2所述的均流节能型半圆送风口结构的确定方法，其特征在于：

首先，从动量定理出发，经过计算得到圆形射流的轴线速度u_m计算公式为：

断面半径R计算公式为：

式中，r₀为射流喷口半径(m)；s为射流主体段任意截面到喷口的距离(m)；u₀为喷口出风速度(m/s)；α为送风口出风断面湍流系数；

其次，根据送风射流发展扩散规律确定风口各边的关系式，以风口底边的中点为原点O，以其水平边方向为x轴方向，以其垂线方向为z轴方向，建立平面直角坐标系XOZ；设所需送风半圆形高为H，则风口垂直总高度H’为(1.05±0.2)H，风口水平长度为2L＝2×(0.9±0.05)H，底边曲线部分宽为2a＝2×(0.2±0.05)×L，高为2b＝2×(0.3±0.05)×H；

在建立的平面直角坐标系中，送风口的右侧斜边满足如下关系式，左侧斜边与之关于风口中心轴线对称：

送风口底边的右半部分方程为：

6.25Hx²+2Hz²-2.5Hx-2.5Hz+0.7H＝0(0<x≤a,0≤z≤b) (4)

z＝0(a<x≤L) (5)

底边的左半部分与之关于风口中轴线对称；

送风口的竖直边为连接斜边与底边的垂直直线段，

最后，在送风口处设置圆形挡板，该挡板位于送风口的中轴线及水平轴线上，确定水平轴线的参考方程为H为目标送风区域的高度，风口中轴线方程为x＝0，

进一步，对挡板的形状及位置进行计算模拟，得到：

垂直中轴线上的圆形挡板的半径为挡板的个数为1±1个，圆形挡板圆心坐标参考值为其中B为风口底边距地面的安装高度，H为目标送风区间的高度；水平轴线上的挡板半径为挡板的个数为2±1个，圆形挡板圆心坐标参考值为挡板的位置关于风口中轴线对称。