CN109163435A - 一种均流节能型三角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三角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以及一水平边，所述两斜边和水平边依次连接形成封闭的三角形结构，所述两斜边和水平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斜轴线上。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三角形，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

一种均流节能型三角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，特别是一种可形成三角形送风断面的均流节能型三角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。在通风空调系统的设计中，一般来说，设计人员按照相关规范、标准的要求满足人们对新风量或者通风量的需求，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。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。

以上专利均未对送风断面的形状加以改善。

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。三角形断面的送风口的各个角就可看作是平行射流叠加后的效果，因而若不加以改进，极其容易扩散成为圆形。

随着人们生活水平的提高，人们对个性化服务的需求也日益增长。但目前市场上可以找到的异形风口并不能满足人们的通风需求。如面对送风断面形状为三角形的需求，市场上可以找到少量三角形风口，但因送风气流与周围空气的扰动及扩散，从三角形风口送出的气流断面不断扩大、变形，逐渐向类半圆弧形发展，不能满足屋顶、阁楼等具有三角形断面的空间对三角形送风断面的形状需求。有鉴于此，本发明对普通的三角形风口进行改进，以期能提供能满足人们需求的三角形送风断面。

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三角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三角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：一种均流节能型三角送风口，其特征在于：所述送风口包括两斜边以及一水平边，所述两斜边和水平边依次连接形成封闭的三角形结构，所述两斜边和水平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斜轴线上。

本发明所述的均流节能型三角送风口，其所述斜边为内凹的弧形边，所述水平边为内凹的弧形边。

本发明所述的均流节能型三角送风口，其所述挡板成圆形，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斜轴线上且关于中轴线对称。

一种上述均流节能型三角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三边的关系式，以水平边的中点为原点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，当三角形水平边的直线长度为2L，目标区域送风高度为H，风口高度为H’时，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：

送风口水平边的右半部分方程为：

水平边的左半部分与之关于风口中轴线对称；

设所需送风三角形高为H，则风口垂直高度H’为(1.1H±0.1H)m，风口水平边为2L＝2×(1.1H±0.1H)m，斜边及水平边分别满足关系式(10)、(12)；

最后，在送风口处设置圆形挡板，该挡板位于送风口的斜向轴线及中轴线上，斜向轴线的参考方程为z＝-0.5x+0.45H，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：

圆形挡板的半径为挡板的个数为5±2个，挡板分布在风口的中轴线及斜向轴线上，若以平面直角坐标系XOZ的坐标表示，则中轴线上的挡板坐标为(0，0.45H)、(0，0.9H)，斜向轴线上挡板坐标为(0.64H，0.13H)、(0.3H， 0.3H)、(0.13H，0.39H)，H为目标送风区域的高度。

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三角形，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。

(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，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，人体舒适度提高。

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是本发明三角形送风口各边的曲线方程所在的平面直角坐标系。

图5～图13是遵从不同关系式的送风口在同一断面(进深5米处)的送风效果对比图。

图14是本发明风口与普通三角形风口的实施效果对比图，其中：

(a1)～(a4)分别为距离普通三角形送风口0.4米、0.5米、0.6米、0.7 米处的送风速度截面分布图；

(b1)～(b4)分别为距离本发明送风口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15是本发明的送风口与传统送风口的送风均匀性对比图。

图16是本发明所提风口应用于高大空间的示意图；

图17是本发明所提风口应用于坡屋顶的示意图；

图18是本发明所提风口作为个性化送风的侧视图；

图19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为水平边，3为挡板，4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，一种均流节能型三角送风口，所述送风口包括两斜边1以及一水平边2，所述两斜边1和水平边2依次连接形成封闭的三角形结构，所述两斜边1和水平边2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3，所述挡板3分布在送风口的中轴线及斜轴线上。

其中，所述斜边1为内凹的弧形边，所述水平边2为内凹的弧形边，所述斜边和水平边构成近等腰三角形，所述挡板3成圆形，所述多个挡板3通过连接件4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斜轴线上且关于中轴线对称。

一种上述均流节能型三角送风口结构的确定方法，即确定风口三边的关系式、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，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三边的关系式。对不同尺寸、以不同曲率的曲线为斜边的类等腰三角形风口进行模拟计算，观察气流从三角形风口送出后的流型及扩散形状，寻找气流扩散规律，以水平边的中点为原点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，当三角形水平边的直线长度为2L，目标区域送风高度为H，风口高度为H’时，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：

图5～图13依次为斜边遵循关系式(3)～(11)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。改变风口斜边的曲线关系式，观察比对是否能形成三角形的送风断面。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风速0.2～0.5m/s的送风断面。

纵观图5～图13发现，当送风口斜边曲线的曲率较大时，送风断面形状会迅速由三角形衰减、演变为近梯形，三角形的顶点由尖锐逐渐向弧形发展；气流在垂直方向上衰减较快，在水平方向上不断向四周延伸。这是由于送风气流与周围气流的掺混造成的，送风气流在向前运动的同时，也不断卷吸周围的空气，并在送风气流的边缘形成了速度边界层。经过反复的调整与实验，最终确定式(10)所形成的送风口的送风效果最佳，既能在断面形成三角形，又在高度上可以满足工作区人员的对新风量的需求。因此，确定送风口的右侧斜边的曲线方程为式(10)所在的曲线，即：

而送风口的左侧斜边与之关于风口中轴线对称，其方程不再详细列出。

送风口水平边的右半部分方程为：

水平边的左半部分与之关于风口中轴线对称；

设所需送风三角形高为H，则风口垂直高度H’为(1.1H±0.1H)m，风口水平边为2L＝2×(1.1H±0.1H)m，斜边及水平边分别满足关系式(10)、(12)。

若所需送风区域由两面为斜面、底面为水平面构成的空间改为由底面水平面、竖直侧壁、对侧为45°的倾斜壁面构成的空间，其送风口的形状宜更改为上述风口关于中轴线(即图4的z轴)对称的一半。

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斜向轴线及中轴线上时，可以提高送风的均匀性。经过多次模拟和调整，斜向轴线的参考方程为z＝-0.5x+0.45H，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：

圆形挡板的半径为挡板的个数为5±2个，挡板分布在风口的中轴线及斜向轴线上，若以平面直角坐标系XOZ的坐标表示，则中轴线上的挡板坐标为(0，0.45H)、(0，0.9H)，斜向轴线上挡板坐标为(0.64H，0.13H)、(0.3H， 0.3H)、(0.13H，0.39H)，H为目标送风区域的高度。

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三角形送风口，送风口为以水平边为底、三边满足关系式(10)、式(12)的近等腰三角形，两个斜边关于中轴线对称，水平边的直线长度为700mm，斜边的高度为360mm，可在距风口400mm～700mm的区间内有效形成高320mm、宽600mm的三角形送风断面。

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600mm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 18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100mm，风口中心的安装高度为280mm。送风口距人员400mm，参考工作区人员的活动需求，目标送风区间为距送风口 400mm～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5个，其中两个固定于中轴线上，若以图4中直角坐标系的坐标表示，则其圆心坐标为(0，140)、(0，290)，三个固定于斜向轴线z＝-0.5x+140上，其圆心位置分别为(200，40)、(100，90)、(40，120)，圆形挡板的半径为25mm。

为与普通三角形送风口的送风效果进行比较，本发明还对普通三角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三角形送风口。

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14为本实施例的送风口与普通三角形送风口的送风实施效果对比图。由图14中(a1)～(b4)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14中的(a1)和(b1)、(a2)和(b2)、(a3) 和(b3)、(a4)和(b4)可以看出，普通三角风口并不能形成三角形送风断面，其送风断面形状为顶部类似于弧形、整体近乎于类半椭圆形，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三角形送风断面，且气流分布较为均匀。图14的(a1)～(a4)最大风速依次为0.501m/s、0.500m/s、0.499m/s、 0.497m/s；图14的(b1)～(b4)最大风速依次为0.461m/s、0.452m/s、0.442m/s、 0.435m/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8.1％、 9.6％、11.5％、12.5％。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0.73m²减小为0.60m²，送风量也由0.367m³/s减小为0.30m³/s，减小了18.3％。

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14的(a1)～(a4)的速度均匀性依次为0.906、0.903、0.901、0.900，图14的(b1)～(b4)的速度均匀性依次为0.918、0.913、0.910、0.908，本发明所提风口的均匀性相较于前者依次提高了1.3％、1.1％、1.0％、0.9％，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，在此区域中的活动人员不会有明显的吹风感及不适感，且能有效形成三角形送风断面，送风较为均匀，送风量更小。

综上，本发明提出的类三角形送风口不仅能有效形成三角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 (4)

1.一种均流节能型三角送风口，其特征在于：所述送风口包括两斜边(1)以及一水平边(2)，所述两斜边(1)和水平边(2)依次连接形成封闭的三角形结构，所述两斜边(1)和水平边(2)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(3)，所述挡板(3)分布在送风口的中轴线及斜轴线上。

2.根据权利要求1所述的均流节能型三角送风口，其特征在于：所述斜边(1)为内凹的弧形边，所述水平边(2)为内凹的弧形边。

3.根据权利要求1所述的均流节能型三角送风口，其特征在于：所述挡板(3)成圆形，所述多个挡板(3)通过连接件(4)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斜轴线上且关于中轴线对称。

4.一种如权利要求1、2或3所述的均流节能型三角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三边的关系式，以水平边的中点为原点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，当三角形水平边的直线长度为2L，目标区域送风高度为H，风口高度为H’时，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：

送风口水平边的右半部分方程为：

水平边的左半部分与之关于风口中轴线对称；

设所需送风三角形高为H，则风口垂直高度H’为(1.1H±0.1H)m，风口水平边为2L＝2×(1.1H±0.1H)m，斜边及水平边分别满足关系式(10)、(12)；

最后，在送风口处设置圆形挡板，该挡板位于送风口的斜向轴线及中轴线上，斜向轴线的参考方程为z＝-0.5x+0.45H，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：

圆形挡板的半径为挡板的个数为5±2个，挡板分布在风口的中轴线及斜向轴线上，若以平面直角坐标系XOZ的坐标表示，则中轴线上的挡板坐标为(0，0.45H)、(0，0.9H)，斜向轴线上挡板坐标为(0.64H，0.13H)、(0.3H，0.3H)、(0.13H，0.39H)，H为目标送风区域的高度。