CN111706951A - 一种有限空间空气稳定性的热舒适通风与污染物控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有限空间空气稳定性的热舒适通风与污染物控制方法。其特征在于以下步骤：A.判断有限空间稳定性工况：设计温度梯度测量系统，通过该系统得到有限空间内不同高度的温度数据，并计算其温度梯度值，以判断有限空间内的空气稳定性工况，即稳定型、中性型与不稳定型。B.判断射流类别，预估射流流向：根据出流空间的大小判断该流体流动为自由射流还是受限射流，并根据本发明中提出的射流轨迹关联式对射流轨迹进行预测，判断是否出现惯性滞止现象；C.通风方式优化控制：根据步骤A‑B计算得到的参数及射流轨迹，对辐射空调、室内排风方式及排风口的选取进行优化控制，以实现通风方式的合理利用。本发明主要用于热舒适与污染控制系统。

Description

一种有限空间空气稳定性的热舒适通风与污染物控制方法

技术领域

本发明涉及一种有限空间空气稳定性的热舒适通风与污染物控制方法。

背景技术

室内空气污染是指空气中一种或几种物质的性质、浓度和室内人员暴露持续时间达到一定程度后，引起室内人员一系列不适应症状的现象。产生的原因可能是室内存在能释放有害物质的污染源，这些物质可能是粉尘、烟尘、微生物，病毒(新冠病毒、SARS、MERS病毒)等。室内空气的气流组织模式很大程度上决定了空气中污染物质的流动及扩散方向。室内的气流组织形式主要依靠通风方式实现。室内通风方式的不当选择也可能加重室内污染。在工厂、发动机燃烧室也会起作用

在采暖通风空调中，夏季要送冷风来降低室温，冬季要送热风来提高室温。冷风降温与热风采暖常导致射流本身的温度与周围介质的温度有差异。这种与周围介质温度不相等的射流称为温差射流。射流本身所受浮力和重力不平衡，发生向下或者向上的弯曲。其轨迹偏离的程度与阿基米德数(Ar数)有关。但是Ar数只考虑了射流与周围环境温度的差异对其运动轨迹造成的影响，并没有考虑到流体区域中，垂直温度梯度对射流运动轨迹也会产生影响。根据有限空间空气稳定性，当流体域垂直温度梯度为正时(稳定型)，射流将保持其原有惯性，沿其主流方向运动；当流体域垂直温度梯度为负时(不稳定型)，射流的初始惯性力容易被环境中的强对流破坏，从而使其运动轨迹偏离主流方向，扩散面积更广；当流体域内无垂直温度梯度时(中性型)，射流的运动轨迹特征介于稳定型和不稳定型之间。有限空间空气稳定性对室内气流组织的表现形式的影响可以通过无量纲准则数Gc数反应出来。

发明内容

本发明的目的在于提出一种有限空间空气稳定性的热舒适通风与污染物控制方法，在有限空间中，根据室内温度梯度情况判断属于何种空气稳定性工况，得到射流扩散弥散过程和污染物扩散规律；再根据污染物排放方式判断其流动形式，根据基于有限空间稳定性的射流公式判断射流类型，预测污染物走向，从而提出有限空间通风设计指导方法，保证污染物的高效率排放，满足室内空气品质与人体健康需求。

本发明的技术解决方案是一种有限空间空气稳定性的热舒适通风与污染物控制方法，其特征在于以下步骤：

A.判断有限空间稳定性工况：设计温度梯度测量系统，通过该系统得到有限空间内不同高度的温度数据，并计算其温度梯度值，以判断有限空间内的空气稳定性工况，即稳定型、中性型与不稳定型，稳定型抑制射流扩散弥散过程，不稳定型加快射流扩散弥散过程，中性型对射流扩散弥散的影响处于稳定型和不稳定型之间；所述温度梯度测量系统是在有限空间内部合适的方式布置一根或者多根温度测量装置杆，如呈梅花形，在每根测量杆上沿高度方向等距离取多个温度测量点，例如五个，利用温度自计仪进行温度梯度测量，温度梯度计算公式如下：

公式中，T是每个高度的温度值，开尔文；▽T是温度梯度，单位为开尔文/米；ΔT是房间上下表面温差或所考虑某个流层上下温度差，单位为开尔文；L是房间高度，单位为米；

B.判断射流类别，预估射流流向：根据出流空间的大小判断该流体流动为自由射流还是受限射流，并根据本发明中提出的射流轨迹关联式对射流轨迹进行预测，判断是否出现惯性滞止现象；所述射流轨迹关联式如下：

这里，

公式中，Ar是无量纲准则数阿基米德数，表示重力与粘性力之比；Gc是无量纲准则数Gc数，为发明人所提出，表示浮力与惯性力竖向分量之比；x是射流长度，单位为米；s_n是起始段射核心长度，单位为米；s_end是射流衰减最大距离，单位为米；v₀是射流初速度，单位为米/秒；v₁是射流起始段核心速度(v₁＝0.9v₀)，单位为米/秒；v₂是射流衰减到最大距离时的速度，考虑到人体健康需要可取v₂＝0.1米/秒，其它工业或特定要求场合可由工艺条件需求定，完全自有射流时可取(1-0.99)v₀；对于烟头、熏香、秸秆等材料燃烧初速可参照浮力作为驱动力即作用压力的方法确定；y是射流轴心的纵向距离，单位为米；α是射流偏转角度，单位为度；d₀是喷嘴直径，单位为米；g是竖直方向加速度，单位为米/秒的平方；v₀是射流初速度，单位为米/秒；a是紊流系数；T_e是周围气体温度，单位为开尔文；T₀是射流温度，单位为开尔文；ΔT₀是射流与周围环境温差，单位为开尔文；ΔT是房间上下表面温差或所考虑某个流层上下温度差，单位为开尔文；L是房间高度，单位为米；C,C₁,C₂是常数，可由实验或数值方法标定，将C可初定为1，C₁,C₂根据二维数值模拟对比分析，分别初步推荐为0.214，0.115；

C.通风方式优化控制：根据步骤A-B计算得到的参数及射流轨迹，对辐射空调方式及室内内排风方式以及排风口的选取位置进行优化控制，从而实现通风方式的合理利用。

根据技术方案步骤C，通风方式优化控制建议如下：

在夏天地板辐射供冷或冬天辐射顶板供暖(满足热舒适需要)情况下，易出现稳定型情况，此时污染物由于温度分层的限制作用，聚集在一定高度并且在夏天地板辐射供冷或冬天辐射顶板供暖(满足热舒适需要)情况下，易出现稳定型情况，此时污染物由于温度分层的限制作用，聚集在一定高度并且沿主流方向运动，这种情况下全面通风不利于污染物快速稀释与排放，且耗能大。此时优先进行局部通风设计或定向通风设计即采用地板辐射供冷时段+局部或定向通风气流组织形式或者顶板辐射供暖时段+局部或定向通风气流组织形式，根据污染源位置与污染源流向，合理设计通风口排布。若向上运动，那么需在顶部设置排风口，若沿水平方向运动，那么在水平处设计排放口。如果房间只安装有辐射顶板，那么夏天辐射冷顶易形成不稳定型情况，房间适合进行全面通风进行有效排污。但是冬天辐射供暖的情况则会形成稳定型情况，此时必须事先根据A-B步骤预测污染物轨迹并预留通风口，以便在冬天进行定向通风。不稳定型以及中性型则适合全面通风，夏天辐射供冷和冬天使用地暖的房间，会形成上冷下热的温度分布情况，这时室内为不稳定型情况，室内对流运动强烈，污染物弥散稀释过程加快，建议使用全面通风方式去除排污染物即形成顶板冷辐射时段+全面通风的室内气流组织形式或者地面辐射供暖时段+全面通风设计气流组织形式，以及不采用任何顶面或地面辐射空调技术时则宜采用全面通风设计气流组织形式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明同时考虑射流与周围环境温度以及流体区域上下边界面温差对射流运动轨迹的影响，二者对射流的作用效果分别用Ar数和Gc数(Gc数为浮力与惯性力竖向分量的比值)表示。在有限空间空气稳定性的定义中，将射流稀释过程是一个弥散扩散稀释过程，不稳定型可加速污染物的扩散弥散，有利于排除室内污染物，减少室内气流组织死角；稳定型则会抑制扩散弥散过程，从而导致污染物的堆积。基于有限空间空气稳定性的定义修正了温差射流轨迹预测方法，能可靠并准确地预测温差射流轨迹。可通过改变射流温度，周围环境温度以及流体上下表面温度，得到不同射流运动，可准确预测射流轨迹。以此作为受限射流、自由射流以及滞止现象的新判据。当射流长度大于有限空间尺寸时，射流为受限射流；当射流长度小于有限空间尺寸时，射流为自由射流；当室内障碍物与污染源之间的距离小与射流长度时，在射流轨迹上就会出现惯性滞止现象。通过射流轨迹对空间内排风方式以及排风口的选取位置进行建议，从而实现通风方式的合理利用，节省能源并且高效去除污染物。本发明在空气环境中有利于指导室内通风设计，在水体环境中有利于指导工厂排污，也可用于各类环保装置内部、燃烧装置内部优化。

附图说明

图1实施例中不同有限空间空气稳定性工况下污染物射流轨迹。

图2稳定型工况下定向通风示意图。

图3中性型工况下全面通风示意图。

图4不稳定型工况下全面通风示意图。

图中：1—热辐射板，2—送风管，3—送风口，4—排风管，5—排风口，

6—竖向温度梯度测量系统布置方式，7—温度测量探头。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明及其具体实施方式作进一步详细说明。

本发明的特征在于以下步骤：

A.判断有限空间稳定性工况：设计温度梯度测量系统，通过该系统得到有限空间内不同高度的温度数据，并计算其温度梯度值，以判断有限空间内的空气稳定性工况，即稳定型、中性型与不稳定型，稳定型抑制射流扩散弥散过程，不稳定型加快射流扩散弥散过程，中性型对射流扩散弥散的影响处于稳定型和不稳定型之间；所述温度梯度测量系统是在有限空间内部合适的方式布置一根或者多根温度测量装置杆，如呈梅花形，在每根测量杆上沿高度方向等距离取多个温度测量点，例如五个，利用温度自计仪进行温度梯度测量，温度梯度计算公式如下：

公式中，T是每个高度的温度值，开尔文；▽T是温度梯度，单位为开尔文/米；ΔT是房间上下表面温差或所考虑某个流层上下温度差，单位为开尔文；L是房间高度，单位为米；

B.判断射流类别，预估射流流向：根据出流空间的大小判断该流体流动为自由射流还是受限射流，并根据本发明中提出的射流轨迹关联式(见下式(2)、(3)、(4))对射流轨迹进行预测，判断是否出现惯性滞止现象；

根据技术方案特征B，射流轨迹关联式如下：

其中，

公式中，Ar是无量纲准则数阿基米德数，表示重力与粘性力之比；Gc是无量纲准则数Gc数，为发明人所提出，表示浮力与惯性力竖向分量之比；x是射流长度，单位为米；s_n是起始段射核心长度，单位为米；s_end是射流衰减最大距离，单位为米；v₀是射流初速度，单位为米/秒；v₁是射流起始段核心速度(v₁＝0.9v₀)，单位为米/秒；v₂是射流衰减到最大距离时的速度，考虑到人体健康需要可取v₂＝0.1米/秒，其它工业或特定要求场合可由工艺条件需求定，完全自有射流时可取(1-0.99)v₀；对于烟头、熏香、秸秆等材料燃烧初速可参照浮力作为驱动力(作用压力)的方法确定；y是射流轴心的纵向距离，单位为米；α是射流偏转角度，单位为度；d₀是喷嘴直径，单位为米；g是竖直方向加速度，单位为米/秒的平方；v₀是射流初速度，单位为米/秒；a是紊流系数；T_e是周围气体温度，单位为开尔文；T₀是射流温度，单位为开尔文；ΔT₀是射流与周围环境温差，单位为开尔文；ΔT是房间上下表面温差(或所考虑某个流层上下温度差)，单位为开尔文；L是房间高度，单位为米；C,C₁,C₂是常数，可由实验或数值方法标定，将C可初定为1，C₁,C₂根据二维数值模拟对比分析，分别初步推荐为0.214，0.115；

C.通风方式优化控制：根据步骤A-B计算得到的参数及射流轨迹，对辐射空调方式及室内内排风方式以及排风口的选取位置进行优化控制，从而实现通风方式的合理利用。

根据技术方案步骤C，通风方式优化控制建议如下：

在夏天地板辐射供冷或冬天辐射顶板供暖(满足热舒适需要)情况下，易出现稳定型情况，此时污染物由于温度分层的限制作用，聚集在一定高度并且沿主流方向运动，这种情况下全面通风不利于污染物快速稀释与排放，且耗能大。此时优先进行局部通风设计或定向通风设计即采用地板辐射供冷时段+局部或定向通风气流组织形式或者顶板辐射供暖时段+局部或定向通风气流组织形式，根据污染源位置与污染源流向，合理设计通风口排布。若向上运动，那么需在顶部设置排风口，若沿水平方向运动，那么在水平处设计排放口。如果房间只安装有辐射顶板，那么夏天辐射冷顶易形成不稳定型情况，房间适合进行全面通风进行有效排污。但是冬天辐射供暖的情况则会形成稳定型情况，此时必须事先根据A-B步骤预测污染物轨迹并预留通风口，以便在冬天进行定向通风。不稳定型以及中性型则适合全面通风，夏天辐射供冷和冬天使用地暖的房间，会形成上冷下热的温度分布情况，这时室内为不稳定型情况，室内对流运动强烈，污染物弥散稀释过程加快，建议使用全面通风方式去除排污染物即形成顶板冷辐射时段+全面通风的室内气流组织形式或者地面辐射供暖时段+全面通风设计气流组织形式，以及不采用任何顶面或地面辐射空调技术时则宜采用全面通风设计气流组织形式。

以下给出本发明的实施例

现以长沙市某写字楼为例进行说明。办公室尺寸为：长S为4.5米(x方向)，宽W为4米(y方向)，高L为2.8米(z方向)。室内主要污染源视作室内办公人员呼出气体。嘴部可视为直径d₀为0.012米的圆形开孔；呼气温度T₀为307开尔文；呼气速度v₀为3.9米/秒；由于水平呼气，所以α取0度；紊流系数a取0.076；本例中常数C暂取1；竖直方向加速度g取9.8为米/秒的平方；办公室内温度由辐射板1控制，通风系统由送风管道2、送风口3、排风管道4和排风口5组成，办公室底部温度、顶部温度和不同高度的温度数据根据室内温度梯度测量系统6中的温度测量探头7得到，根据计算所得温度梯度值判断其所属稳定性工况：

1)稳定型工况：随着高度的增加，室内空气温度升高，即室内空气的温度垂直递减率大于零。测得底部空气温度295开尔文，顶部301开尔文，此时射流与周围环境温差ΔT₀可取9开尔文(射流温度即为呼气温度T₀，307开尔文，周围环境温度T_e取房间内部上下表面温度平均值，298开尔文)，所以可得:

代入公式(2)得：

得到射流轨迹如图1所示，此时该工况中，x²，x³是指射流长度的平方或立方算数值，一起表示射流偏转长度y与射流长度x的关系，是考虑Ar与Gc与射流长度x在内的各因素之间的相互关系。

代入公式(3)得：

代入公式(4)得：

此时，S_end>S，射流为受限射流，其中S_end为射流衰减最大距离，单位为米，S为办公室长度，单位为米，在此稳定工况下优先进行局部通风设计(定向通风)，根据污染源位置与污染源流向，设计工位送风，并于顶部设计排风口。具体排布如图2所示。

2)中性型工况：随着高度的增加，室内空气温度保持不变，即室内空气的温度垂直递减率基本等于零。测得室内空气温度297开尔文，此时射流与周围环境温差ΔT₀可取10开尔文(射流温度即为呼气温度T₀，307开尔文，周围环境温度T_e取房间内部上下表面温度平均值，297开尔文)，所以可得:

代入公式(2)得：

得到射流轨迹如图1所示,此时该工况中，x²，x³是指射流长度的平方或立方算数值，一起表示射流偏转长度y与射流长度x的关系，是考虑Ar与Gc与射流长度x在内的各因素之间的相互关系。

代入公式(3)得：

代入公式(4)得：

此时，S_end>S，射流为受限射流，其中S_end为射流衰减最大距离，单位为米，S为办公室长度，单位为米，中性型工况适合全面通风，具体排布如图3所示。

3)不稳定型工况：随着高度的增加，室内空气温度反而降低，即室内空气的温度垂直递减率小于零。测得底部空气温度298开尔文，顶部293开尔文。此时射流与周围环境温差ΔT₀可取11.5开尔文(射流温度即为呼气温度T₀，307开尔文，周围环境温度T_e取房间内部上下表面温度平均值，295.5开尔文)，可得:

代入公式(2)得：

得到射流轨迹如图1所示,此时该工况中，x²，x³是指射流长度的平方或立方算数值，一起表示射流偏转长度y与射流长度x的关系，是考虑Ar与Gc与射流长度x在内的各因素之间的相互关系。

代入公式(3)得：

代入公式(4)得：

此时，S_end>S，射流为受限射流，其中S_end为射流衰减最大距离，单位为米，S为办公室长度，单位为米，不稳定工况下室内对流运动强烈，适合全面通风，具体排布如图4所示。

以射流衰减最大距离为例，当空间处于中性型时，S_end＝26.822米相对应的稳定型和不稳定型中得最大衰减距离长于或短于中性型中得最大射流衰减距离，分别为27.414米，26.821米，符合有限空间空气稳定性特征。

以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种有限空间空气稳定性的热舒适通风与污染物控制方法，其特征在于以下步骤：

A.判断有限空间稳定性工况：设计温度梯度测量系统，通过该系统得到有限空间内不同高度的温度数据，并计算其温度梯度值，以判断有限空间内的空气稳定性工况，即稳定型、中性型与不稳定型，稳定型抑制射流扩散弥散过程，不稳定型加快射流扩散弥散过程，中性型对射流扩散弥散的影响处于稳定型和不稳定型之间；所述温度梯度测量系统是在有限空间内部合适的方式布置一根或者多根温度测量装置杆，如呈梅花形，在每根测量杆上沿高度方向等距离取多个温度测量点，例如五个，利用温度自计仪进行温度梯度测量，温度梯度计算公式如下：

公式中，T是每个高度的温度值，开尔文；

是温度梯度，单位为开尔文/米；ΔT是房间上下表面温差或所考虑某个流层上下温度差，单位为开尔文；L是房间高度，单位为米；

B.判断射流类别，预估射流流向：根据出流空间的大小判断该流体流动为自由射流还是受限射流，并根据本发明中提出的射流轨迹关联式对射流轨迹进行预测，判断是否出现惯性滞止现象；所述射流轨迹关联式如下：

这里，

公式中，Ar是无量纲准则数阿基米德数，表示重力与粘性力之比；Gc是无量纲准则数Gc数，为发明人所提出，表示浮力与惯性力竖向分量之比；x是射流长度，单位为米；s_n是起始段射核心长度，单位为米；s_end是射流衰减最大距离，单位为米；v₀是射流初速度，单位为米/秒；v₁是射流起始段核心速度(v₁＝0.9v₀)，单位为米/秒；v₂是射流衰减到最大距离时的速度，考虑到人体健康需要可取v₂＝0.1米/秒，其它工业或特定要求场合可由工艺条件需求定，完全自有射流时可取(1-0.99)v₀；对于烟头、熏香、秸秆等材料燃烧初速可参照浮力作为驱动力即作用压力的方法确定；y是射流轴心的纵向距离，单位为米；α是射流偏转角度，单位为度；d₀是喷嘴直径，单位为米；g是竖直方向加速度，单位为米/秒的平方；v₀是射流初速度，单位为米/秒；a是紊流系数；T_e是周围气体温度，单位为开尔文；T₀是射流温度，单位为开尔文；ΔT₀是射流与周围环境温差，单位为开尔文；ΔT是房间上下表面温差或所考虑某个流层上下温度差，单位为开尔文；L是房间高度，单位为米；C,C₁,C₂是常数，可由实验或数值方法标定，将C可初定为1，C₁,C₂根据二维数值模拟对比分析，分别初步推荐为0.214，0.115；

C.通风方式优化控制：根据步骤A-B计算得到的参数及射流轨迹，对辐射空调方式及室内内排风方式以及排风口的选取位置进行优化控制，从而实现通风方式的合理利用。

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