CN109140734A - 一种节能型靶向送风口 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种节能型靶向送风口,送风口为七边形结构,包括两条顶部斜直边、两条直线侧边、两条曲线侧边和一条直线底边;其中顶部斜直边、直线侧边、曲线侧边和直线底边依次首尾连接形成呈镜像对称的七边形结构。送风口上设有挡板,挡板的形状为圆形且设置有多个,挡板均匀分布在送风口上。本发明的送风口的送风区域比传统送风口要小,减小了扩散到目标区域以外的风量,且能保证送风气流送到指定的区域并有效形成“凸”字形,有效覆盖工作人员,送风较为集中,降低能耗。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。

Description

一种节能型靶向送风口
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“凸”字形送风断面的节能型靶向送风口。
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。
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“一种节能降噪多功能动力增强型装饰风口及其使用方法”(申请号:201610352094.8),该风口包括旋转伸缩节、整流段、导流板、单层百叶、内置风机及出风温度或流速探头,整流段的一端与旋转伸缩节连接,另一端的四周均匀安装外部导流板,整流段具有外凹的弧形迎风面,外部导流板与整流段之间的角度能够调节,单层百叶设置整流段内,旋转伸缩节能够带动整流段改变吹风角度。
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,不能很好地适应建筑被调节区域的不同形状,也不能改善目标区域的送风均匀度。
发明内容
针对现有的送风口送风效果的缺陷和不足,本发明的目的是提供一种节能型靶向送风口,能有效形成“凸”字形送风断面,解决现有的送风口气流扩散严重且速度分布不均,不能很好地适应建筑被调节区域的不同形状的问题。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案予以实现:
一种节能型靶向送风口,该送风口包括两条顶部斜直边、两条直线侧边、两条曲线侧边和一条直线底边;所述的顶部斜直边、直线侧边、曲线侧边和直线底边依次首尾连接形成呈镜像对称的七边形结构;
所述的送风口的宽度沿送风口顶部至底部先逐渐缩小再逐渐增大,且在直线底边处达到最大;
所述的送风口上设有挡板,所述的挡板为圆形且有多个,其中一部分挡板沿送风口中轴线分布,其余部分挡板对称设置在送风口中轴线两侧的送风口区域,所有挡板弥散分布在送风口上;
所述的送风口的顶部最高点至底部的距离H’为0.9H~1.0H,送风口的最大宽度L为0.7H~0.9H,其中,H为所需送风区域最高点与最低点的高度差。
进一步的,以风口水平底边的中点为原点O,以其底边为x轴,以送风口的中轴线为y轴,建立平面直角坐标系xOy,
其中一顶部斜直边(1-1)满足关系式:y=-0.22H'x+H';0≤x≤0.21L;
其中一直线侧边(1-2)满足关系式:y=8.66H'x+67H';0.13L≤x≤0.21L;
其中一曲线侧边(1-3)满足关系式:0.13L≤x≤0.5L;
其中一直线底边(1-4)满足如下方程:y=0;0≤x≤L;
其中,L为送风口水平最大长度。
进一步的,所述的圆形挡板的半径为所述的挡板有4个;
在以风口水平底边的中点为原点O、直线底边为x轴方向、送风口的中轴线为y轴建立的平面直角坐标系中,四个挡板的圆心坐标参考值分别为 (0,0.79H')、(0,0.47H')、(0.20H',0.19H')、(-0.20H',0.19H')。
进一步的,所述的送风口设于房间墙壁上或个性化送风的风管末端作为侧送送风口使用时,送风口的安装高度与指定送风区域的中心高度持平,送风方向为水平方向。
进一步的,所述的送风口设于房间顶部,且送风口单排设置时,所述的送风口位于房间顶部的中轴线上。
进一步的,所述的送风口设于房间顶部,且送风口多排布置时,所述的多排送风口均匀分布,相邻排之间送风口的间距等于预先设计的送风范围。
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小于传统风口的送风区域,有效减少了扩散到目标区域以外的风量,能保证送风气流送到指定的区域并有效形成“凸”字形,贴合人体坐姿的需求,送风较为集中,降低能耗。
(2)本发明的送风口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;此外,挡板还减小了出风面积,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。
附图说明
图1为射流流动的示意图。
图2为本发明的送风口的结构示意图。
图3为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4为安装在房间侧壁、遵从不同关系式的送风口及其在房间进深0.7m 处的送风效果对比图;其中,(a1)、(a2)、(a3)分别为不同形状的送风口; (b1)、(b2)、(b3)分别为(a1)、(a2)、(a3)所示的送风口在房间进深 0.7m处断面的送风效果图。
图5为挡板布置不同的送风口及其在房间进深0.7m处的送风效果对比图;其中,(a1)、(a2)、(a3)分别为改变挡板大小和位置的送风口;(b1)、 (b2)、(b3)分别为图(a1)、(a2)、(a3)的送风口在房间进深0.7m处断面的送风效果图。
图6为实施例1的风口与普通送风口的实施效果对比图,其中:(a1)~ (a5)分别为距离普通送风口300mm、400mm、500mm、600mm、700mm 处的送风速度截面分布图;(b1)~(b5)分别为距离实施例1的送风口300mm、 400mm、500mm、600mm、700mm处的送风速度截面分布图。
图7为本发明送风口与普通送风口的送风均匀性对比图。
图8为本发明应用场合及效果示意图,其中:(a)为本发明的送风口应用于艺术造型的办公空间的示意图;(b)为本发明的送风口作为个性化送风的侧视图;(c)为本发明的送风口的送风效果图。
附图中各标号的含义:(1-1)-顶部斜直边,(1-2)-直线侧边,(1-3)- 曲线侧边,(1-4)-直线底边;2-挡板,3-细丝。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
本发明的节能型送风口为七边形结构,包括两条顶部斜直边1-1、两条直线侧边1-2、两条曲线侧边1-3和一条直线底边1-4;其中顶部斜直边1-1、直线侧边1-2、曲线侧边1-3和直线底边1-4依次首尾连接形成呈镜像对称的七边形结构。送风口的宽度沿送风口顶部至底部先逐渐缩小再逐渐增大,且在直线底边1-4处达到最大,使得该送风口形成一个类似于瓶状的结构。
本发明的送风口上还设有挡板2,其中,挡板2可通过细丝3串接在一起,如图2所示。挡板2的形状为圆形且设置有多个,其中一部分挡板沿送风口中轴线分布,其余部分挡板对称设置在送风口中轴线两侧的送风口区域,使得所有挡板2弥散分布在送风口上。
本发明的关键是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。
首先,从动量定理出发,经过计算等得到圆形射流的轴线速度um计算公式为
射流直径D计算公式为
式中,d0为送风口直径或当量直径(m),当量直径A为风口横截面积(m2),P为风口横截面的周长(m);s为射流主体段任意截面到喷口的距离(m);α为送风口的湍流系数;u0为风口出风速度(m/s)。
其次,根据送风射流发展扩散规律确定风口各边的关系式。为削减射流的断面半径,对边长曲率不同、挡板位置各异的七边形及其他形状风口进行模拟计算,观察气流送出后的流型及扩散形状,寻找气流扩散规律。设送风口长为L、高为H',以风口底边的中点为原点O,以其底边1-4为x轴,以送风口的中轴线为y轴,建立平面直角坐标系xOy,如图3所示。
以下以三种工况为例进行说明,具体的送风口安装方式如图8(b)所示,图4(a1)~(a3)依次为各个边遵循不同曲线方程的送风口装于书桌上方风管末端用作个性化送风口的平面位置图。以房间尺寸为5m×4m×3m (长×宽×高)为例,送风速度为0.5m/s。改变风口参数,观察比对是否能形成满足工作人员需求的“凸”字形的送风断面。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。
图4(a1)所示的送风口的各个边分别满足下列关系式:
右侧顶部直边为:y=H';0≤x≤0.16L (3)
右侧竖直侧边为:x=0.16L;0.645H'<y<H' (4)
右侧斜直侧边为:0.16L≤x≤0.5L (5)
直线底边为:y=0;0≤x≤L (6)
由于该送风口为镜相对称结构,故风口左侧曲线方程不再列出,下同。
图4(a2)所示的送风口的各个边分别满足下列关系式:
右侧顶部斜直边1-1关系式:y=-0.22H'x+H';0≤x≤0.21L (7)
右侧直线侧边1-2关系式:y=8.66H'x+67H';0.13L≤x≤0.21L (8)
右侧曲线侧边1-3关系式:0.13L≤x≤0.5L (9)
直线底边1-4关系式:y=0;0≤x≤L (10)
其中,L为送风口水平最大长度。
图4(a3)所示的送风口的各个边分别满足下列关系式:
右侧顶部斜直边1-1关系式:y=H';0≤x≤0.2L (11)
右侧直线侧边1-2关系式:x=0.2L;0.65H'≤y≤H' (12)
右侧曲线侧边1-3关系式:0.2L≤x≤0.5L (13)
直线底边1-4关系式:y=0;0≤x≤L (14)
图4(b1)~(b3)依次为图4(a1)~(a3)的送风口在房间进深0.7m 处的送风效果图,从图中可以看出,图4(a1)所示风口斜边斜率过大,不利于送风气流与周围气流的掺混、扩散、发展为“凸”字形;图4(a3)所示风口大致可以形成“凸”字形送风截面,但其细节仍需要进一步改进,如“凸”字形中部最短距离处气流覆盖面积过大、“凸”字形上半部分所形成的送风气流形状宽度略宽但高度不足;图4(a2)所示风口的送风效果较佳,能在断面形成符合工作人员需求的“凸”字形,满足工作区人员的对送风断面形状及新风量的需求,故而确定图4(a2)所示风口为较佳的风口形状。
送风口尺寸与用户所需送风断面尺寸、送风断面距风口的距离有关。根据式(2)优化后定义为:
d0=D'/ε-6.8αs (15)
其中,d0为送风口当量直径;D'为某一速度范围内的送风气流断面当量直径;ε为某一速度范围的送风气流断面当量直径D'与整个送风气流断面的当量直径D的比值;α为送风口的湍流系数,与射流出口断面上速度分布的均匀性有关;s为送风气流断面到送风口的距离。通常情况下,办公建筑空调通风系统下送风口尺寸可以简化为与用户所需送风区域断面尺寸的关系。
若所需送风区域最高点与最低点的高差(即送风断面高度)为H,则送风口的顶部最高点至底部的距离(即风口垂直总高度)H’为0.9H~1.0H,送风口的最大宽度(即沿图3中x轴的长度)为L=0.8H±0.1H。
此外,本发明为了提高送风均匀性,在送风口处设置圆形挡板2,合理的挡板布置促使送风断面的速度分布更加均匀,本发明对不同大小、数量、位置的圆形挡板进行了模拟计算,观察其改善后的送风效果。以下仍以三种工况为例进行说明,具体的送风口安装方式如图8(b)所示,送风口形状为4(a2)所示的送风口。图5(a1)~(a3)分别为改变挡板位置和大小后的送风口的平面位置图,图5(b1)~(b3)分别为(a1)~(a3)对应的送风口在距风口0.7m处、书桌上方高为0.7m、宽为0.8m的断面上风速 0.2~0.5m/s的送风断面速度图。
图5(a1)所示的送风口的挡板2,其中两个挡板的半径为若以图3中平面直角坐标系中的坐标表示,这两个挡板的圆心坐标分别为 (0,0.79H')、(0,0.47H'),另外两个挡板的半径为其挡板的圆心坐标分别为(0.2L,0.24H')、(-0.2L,0.24H');图5(a2)所示的送风口的四个挡板的半径均为四个挡板的圆心坐标值分别为(0,0.79H')、(0,0.47H')、 (0.20H',0.19H')、(-0.20H',0.19H');图5(a3)所示的送风口的四个挡板的半径均为四个挡板的圆心坐标分别为(0,0.79H')、(0,0.44H')、 (0.26L,0.19H')、(-0.26L,0.19H')。从图5(b1)的送风断面速度图可以得出,这样的挡板布置得到的送风效果一般,送风断面形状及均匀度均未达到要求;图5(b2)的送风效果较好,送风断面形状及均匀度均达到要求;图5 (b3)所示的气流分布均匀度及送风形状也较好,但相较于图5(b3),图 5(b2)的送风效果更佳。故而最终确定的挡板布置工况如图5(a2)所示,满足该情况下的挡板,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。
考虑到风口的宽高比可能会因使用工况不同而略有差别,经过进一步的模拟、分析,得到当挡板位于送风口的中轴线及斜向轴线上时,可提高送风的均匀性,其中风口中轴线方程为x=0,斜向轴线的参考方程为圆形挡板的圆心坐标参考值为(0,0.79H')、(0,0.47H')、 (0.20H',0.19H')、(-0.20H',0.19H'),挡板关于风口中轴线对称布置。圆形挡板半径的建议值为用户可根据需求在此基础上略微调整。
若本发明的送风口设于房间墙壁上或送风管末端作为侧送送风口使用时,送风口的安装高度与指定送风区域的中心高度持平,送风方向为水平方向。若送风口设于房间顶部作为顶送送风口使用时,且送风口单排设置时,送风口位于房间顶部的中轴线上。若送风口设于房间顶部,且送风口多排布置时,多排送风口均匀分布,相邻排之间送风口的间距等于预先设计的送风范围。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。若条件允许,可在送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。
以下给出本发明的具体实施例,需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例中,凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
如图2、图3所示,本实施例给出一种节能型靶向送风口,送风口为七边形结构,包括两条顶部斜直边1-1、两条直线侧边1-2、两条曲线侧边1-3 和一条直线底边1-4;其中顶部斜直边1-1、直线侧边1-2、曲线侧边1-3和直线底边1-4依次首尾连接形成呈镜像对称的七边形结构。送风口的宽度沿送风口顶部至底部先逐渐缩小再逐渐增大,且在直线底边1-4处达到最大,使得该送风口形成一个类似于瓶状的结构,该送风口的各边均符合所提关系式(7)~(10)。风口底边的直线长度L为500mm,风口高度H'为635mm。在送风口上通过细丝3连接有四个挡板,细铁丝足够细,其对送风口的空气流场影响可以忽略。挡板2为圆形,半径为50mm,若以图3中平面直角坐标系中的坐标表示,四个挡板的坐标分别为(0,500)、(0,300)、(130,120)、 (-130,120)。
本实施例的房间尺寸为5m×4m×3m(长×宽×高),送风口设于工位前侧、个性化送风管末端作为侧送风口,如图8(b)所示,风口中心的安装高度为书桌上方高0.32m处。
本实施例的送风口可在距风口300mm~700mm的区间内有效形成覆盖坐姿人体的“凸”字形送风断面。
相关研究表明,人体各部位对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。考虑到人员坐姿的个性化送风口需求,发明所提的送风口主要对坐姿人体肘关节及以上部位 (包含头、颈、肩、胸部)进行送风。
依据国家标准GB10000-88《中国成年人人体尺寸》,18~60岁人群头全高为199~249mm,头最大宽为141~168mm,坐高为836~979mm,坐姿肘高为214~312mm(肘部及以上高度一般为645mm),坐姿两肘肩宽一般为 422mm,肩宽一般为375mm,坐姿人体的肩部距肘部的高度一般为310mm,因此确定送风总高度H为650mm,且送风口形状满足上述尺寸。
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0.2~0.5m/s。综上,本实施例中的送风速度取0.5m/s。
当本实施例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8(b)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,风口中心的安装高度为320mm。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。图6(b1)~(b5)依次为本实施例的送风口在距风口300mm、400mm、500mm、600mm、700mm的截面的送风效果图,相关研究结果表明,人体能感知到的风速为0.2m/s以上,因而在此仅展示送风断面风速0.2m/s以上的流线图。
由于目前多采用矩形或方形送风口来满足此类送风需求,故本发明还与同等尺寸的高635mm、宽500mm普通矩形送风口的送风效果进行对比测试,参数与实施例1相同,仅将送风口替换为能满足送风需求的普通送风口。
图6(a1)~(a5)依次为普通送风口在距风口300mm、400mm、500mm、 600mm、700mm的截面的送风效果图,通过对比图6(a1)~图6(b5)可知,两种送风口的送风断面形状均沿气流方向不断扩散,均能将一定风量的 0.2~-0.5m/s的气流送到指定区间。普通送风口送风较均匀,但送出的部分气流直接流向了所需送风区域外,不能贴合坐姿人体的送风需求,而本实施例 1提出的送风口更能形成贴合人体尺寸的“凸”字形送风断面。此外,图6(a1) ~图6(a5)最大风速依次为0.501m/s、0.502m/s、0.503m/s、0.503m/s、0.503m/s;图6(b1)~图6(b5)最大风速依次为0.480m/s、0.475m/s、0.475m/s、0.475m/s、 0.475m/s,也即实施例1的送风口最大风速相较于普通的送风口依次下降了 4.3%、5.3%、5.4%、5.5%、5.6%,改进后的风口使得活动人员感觉较为舒适。同时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0.1m2减小为0.092m2,送风量也由0.05m3/s减小为0.046m3/s,减小了7.5%。
本发明通过速度均匀性指标来描述指定表面上速度的变化情况,最大值为1。速度均匀性指标γ计算式如下:
其中,n为该表面所划分成的单元面个数,Ai表示第i个单元面的面积,φi表示第i个单元面的速度值,为整个表面的速度平均值。
经计算可得,图6(a1)~图6(a5)的速度均匀性依次为0.857、0.855、 0.854、0.854、0.853,图6(b1)~图6(b5)的速度均匀性依次为0.871、 0.878、0.889、0.896、0.900,本发明所提风口的均匀性相较于普通送风口依次提高了1.6%、2.8%、4.0%、4.9%、5.5%,如图7所示。
本发明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,且当用于个性化送风时,更能有效形成覆盖人体的“凸”字形送风断面,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覆盖人体的“凸”字形送风断面形状,满足活动区人员对新风量的需求,能够将较小的风量送到指定区间,减小气流扩散,降低能耗,且速度分布较为均匀,活动人员感觉舒适。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种节能型靶向送风口,其特征在于,该送风口包括两条顶部斜直边(1-1)、两条直线侧边(1-2)、两条曲线侧边(1-3)和一条直线底边(1-4);所述的顶部斜直边(1-1)、直线侧边(1-2)、曲线侧边(1-3)和直线底边(1-4)依次首尾连接形成呈镜像对称的七边形结构;
所述的送风口的宽度沿送风口顶部至底部先逐渐缩小再逐渐增大,且在直线底边(1-4)处达到最大;
所述的送风口上设有挡板(2),所述的挡板(2)为圆形且有多个,其中一部分挡板沿送风口中轴线分布,其余部分挡板对称设置在送风口中轴线两侧的送风口区域,所有挡板(2)弥散分布在送风口上;
所述的送风口的顶部最高点至底部的距离H’为0.9H~1.0H,送风口的最大宽度L为0.7H~0.9H,其中,H为所需送风区域最高点与最低点的高度差。
2.如权利要求1所述的节能型靶向送风口,其特征在于:以风口水平底边(1-4)的中点为原点O,以其底边(1-4)为x轴,以送风口的中轴线为y轴,建立平面直角坐标系xOy,
其中一顶部斜直边(1-1)满足关系式:y=-0.22H'x+H';0≤x≤0.21L;
其中一直线侧边(1-2)满足关系式:y=8.66H'x+67H';0.13L≤x≤0.21L;
其中一曲线侧边(1-3)满足关系式:
其中一直线底边(1-4)满足如下方程:y=0;0≤x≤L;
其中,L为送风口水平最大长度。
3.如权利要求1所述的节能型靶向送风口,其特征在于:所述的圆形挡板(2)的半径为所述的挡板(2)有4个;
在以风口水平底边(1-4)的中点为原点O、直线底边(1-4)为x轴方向、送风口的中轴线为y轴建立的平面直角坐标系中,四个挡板(2)的圆心坐标参考值分别为(0,0.79H')、(0,0.47H')、(0.20H',0.19H')、(-0.20H',0.19H')。
4.如权利要求1所述的节能型靶向送风口,其特征在于:所述的送风口设于房间墙壁上或个性化送风的风管末端作为侧送送风口使用时,送风口的安装高度与指定送风区域的中心高度持平,送风方向为水平方向。
5.如权利要求1所述的节能型靶向送风口,其特征在于:所述的送风口设于房间顶部,且送风口单排设置时,所述的送风口位于房间顶部的中轴线上。
6.如权利要求1所述的节能型靶向送风口,其特征在于:所述的送风口设于房间顶部,且送风口多排布置时,所述的多排送风口均匀分布,相邻排之间送风口的间距等于预先设计的送风范围。
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