CN112212443B - 一种带环形风口的送风装置及其设计方法 - Google Patents

一种带环形风口的送风装置及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带环形风口的送风装置及其设计方法，该装置能够将混合通风送风口与顶装个性化送风装置新风口一体化，通过在回风管内设置新风管，且将新风管设置在房间内工位的上方，使得新风射流核心区延长至工作人员头部，实现了混合通风以及个性化送风，节约能耗的同时提升了呼吸区空气品质和感知热舒适。解决目前顶装个性化送风系统中的射流核心区短，新风不能有效到达呼吸区以及通过提升风速延长新风射程，导致人员出现“吹风感”的技术问题。

Description

一种带环形风口的送风装置及其设计方法
【技术领域】
本发明属于通风技术领域，具体涉及一种带环形风口的送风装置及其设计方法。
【背景技术】
个性化送风是指将具有调节功能的送风末端安装在人员附近的局部区域，直接将全新风输送到工作人员呼吸区，工作人员可以根据自己的需求单独和灵活控制送风参数的一种空调送风形式。在这种送风方式下，人们获得了符合自己需要的个性化环境，可以极大提高每一个人对其微环境的满意度。工位安装的个性化送风末端装置，需要延伸风道从而极大的限制了室内工位及家具布置的灵活性，工位一旦安装上个性化送风末端装置便很难再移动调整。顶装个性化送风系统解决了这一问题，不占用室内面积，施工实施方便。顶装个性化送风系统的风口位于工作区顶部，以较高的速度向下送风，使送风射流到达人员工作区。
然而，在实际工程中，采用顶装个性化送风系统，避免了由于层高受到限制，不利于设置架空地板的影响，但由于传统的个性化送风装置一般安装于与人员较近位置，不需要太长的射程。依据传统的个性化送风方法设计顶装个性化送风系统仍面临许多问题，例如，送风过程中新风与周围空气掺混，新风射流核心区无法达到人员呼吸区，新风量下降等，致使坐姿人员呼吸区空气品质与人员热舒适达不到理想程度。一方面，考虑到吊顶2.7米，坐姿人员呼吸区1.1米，顶装个性化新风系统送风口距离坐姿人员呼吸区1.6米，远远超过常规个性化送风系统射流核心区的射程。另一方面，顶装个性化系统会与混合通风系统抢占吊顶空间，不合理的布置亦会增加室内空气温度不均匀性，进而导致室内工作区气流组织的紊乱，影响人体的舒适感。同时，已有研究表明，自由射流在送风过程中会卷吸大量周围空气，增加动能和热能的损耗，并且导致送风品质下降。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种带环形风口的送风装置及送风方法，以解决现有技术中送风质量不高，人员体验差的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种带环形风口的送风装置，包括设置在水平面上的输风段，输风段连通有若干个出风段，所述出风段的轴线为竖直方向；
所述输风段和出风段设置有连通的回风管，回风管内设置有新风管；新风管的轴线和回风管的轴线平行，新风管和回风管等长；所述出风段在房间内工位的上方。
本发明的进一步改进在于：
优选的，回风管的截面和新风管的截面形状相同。
优选的，回风管的截面和新风管的截面形状均为圆形或正多边形。
优选的，输风段的新风管的下部和回风管的下部贴合。
优选的，出风段的新风管和回风管同轴线。
优选的，输风段进口处的新风和回风的初始温度相同，输风段进口处的新风和回风的速度相同。
优选的，输风段的回风管连通有背景风段。
优选的，所述背景风段的出口设置有散流器。
一种上述的带环形风口的送风装置的设计方法，通过新风管的直径、新风量和新风比，确定回风管的直径以及出风口至射流核心区最远端的距离x1，设定x2为出风管只有新风管时，出风口至射流核心区最远端的距离；当x2小于x1，且出风口和地面之间的距离与x1的差值为1.1-1.3时，认定所述回风管的直径满足需求，如不满足要求，调整回风管内新风管直径，至其满足要求；根据房间内的工位数，在每一个工位的上方设计一个套装有新风管的回风管。
优选的，所述新风管的直径为0.01m-0.2m。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种带环形风口的送风装置，该装置能够将混合通风送风口与顶装个性化送风装置新风口一体化，通过在回风管内设置新风管，且将新风管设置在房间内工位的上方，使得新风射流核心区延长至工作人员头部，实现了混合通风以及个性化送风，节约能耗的同时提升了呼吸区空气品质和感知热舒适。解决目前顶装个性化送风系统中的射流核心区短，新风不能有效到达呼吸区以及通过提升风速延长新风射程，导致人员出现“吹风感”的技术问题。
进一步的，回风管的截面和新风管的截面相同，保证两类风的混合效果。
进一步的，输风段的新风管下部和回风管的下部贴合，使得水平段的新风管直接被设置在回风管的内部，减少施工成本。
进一步的，出风段的新风管和回风管同轴线，保证两类风的混合效果。
进一步的，采用等温等速的回风包裹新风的送风形式，加强送风装置中新风管的保温效果。
进一步的，输风段连通有背景风段，背景风段和回风管连通，以消除室内的热负荷。
进一步的，背景风段设置有散流器，使得从一个背景风段流出的回风能够同时和多个竖直段出口的风混合。
本发明还公开了一种带环形风口的送风装置的设计方法，该设计方法针对带环形风口的送风装置及其结构，及具体房间内的建筑高度，设计出满足要求的新风管道和回风管道。该方法将新风管设置在房间内工位的上方，使得新风射流核心区延长至工作人员头部，实现了混合通风以及个性化送风，节约能耗的同时提升了呼吸区空气品质和感知热舒适。解决目前顶装个性化送风系统中的射流核心区短，新风不能有效到达呼吸区以及通过提升风速延长新风射程，导致人员出现“吹风感”的技术问题。
【附图说明】
图1是本发明的系统布局图；
图2是本发明的输风段示意图；
图3是本发明的背景风段示意图；
图4是本发明的出风段示意图；
图5是本发明的出风段仰视结构示意图；
图6是本发明的出风段射流示意图；
图7是本发明的新风管无回风保护的射流速度图；
图8是本发明的新风管与回风管管径1:3的射流速度图；
图9是本发明的新风管与回风管管径1:6的射流速度图；
图10是本发明的新风管与回风管管径1:9的射流速度图；
其中：1—回风管；2—新风管；3—出风口；4-输风段；5-出风段；6-背景风段；7-回风部分；8-新风部分；9-扩散角。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明公开了一种带环形风口的送风装置及其设计方法，参见图1、图2、图3和图4，该装置设置在房间的上方，该装置包括回风管1和新风管2两个部分，回风管1的管径大于新风管2的管径，形式上为回风管1套住新风管2，二者的截面形状相同，优选的，横截面为圆形或正多边形，通过该结构设置，将整个出风口3划分为两个区域，分别为回风送风区和新风送风区。
所述装置分为输风段4和出风段5，输风段4在水平面内布置，出风段5在竖直方向布置，输风段4的入口为新风及回风的进风端口，输风段4的出口和出风段5的进风端连接，出风段5的出风端部为整个装置的出风口3，出风口3设置在室内人员的上方。
优选的，在一个房间内，在工作人员的上方设置出风段5，当屋内有多个工作人员时，能够每个人的上方设置一个出风段5，输风段4根据出风段5的设置需求在室内上方的水平面布置，保证为每一个出风段5提供出风。
优选的，输风段4内的新风管2直接放置回风管1的内部，无需架装，节约成本。输风段4的回风和新风在送风风口的初始温度及速度一致。
优选的，出风段5的新风管2和回风管1同轴线，形成下面的射流结构。出风段5送风末端装置上部连接回风和新风的送风支管，下部采用的喷口截面形状无具体要求，优选的截面形状为圆形，但不限于此。
优选的，回风管1和新风管2的截面积一致，优选的，截面形状为圆形或正多边形，更为优选的，截面形状为圆形，使得气流流出呈圆形，新风管圆形风口流量为10L/s，出口直径能够为0.01m-2m，优选的为0.1m，新风管的出口直径不易过大，新风管2所在的回风管1中，该回风管的回风送风量不大于90L/s。
优选的，出风段和背景风段的末端与支管连接处的弯头采用直角弯头或弧形弯头。
优选的，输风段4连通有背景风段6，所述背景风段6为弯折状，包括连通的水平段和竖直段，其水平段的一端和输风段4连通，竖直段的终端朝向房间内，背景风段6只通有回风以消除室内热负荷，更为优选的，背景风段6的竖直段的终端设置有散流器，选型方法依据暖通设计相关规范。
具体的，新风和回风经空气处理机组处理后分别由新风管2和回风管1经由输风段4的输风管单独输送，出风段5回风包裹住新风为下方工位乘员提供个性化送风支持，背景风段6只送回风负责消除室内热负荷。
本发明的主要思路为：对现有顶装个性化送风系统新风量和送风口管径不变的情况下，新风射流受周围空气的卷吸导致现有送风装置的送风射流不够，人员呼吸区新风含量低的缺陷，研究由等速等温的回风包裹的新风的流动问题，以保证新风射流核心区处于人员头部，提升新风品质。
本发明的设计原理为：
气流在流出回风管1和新风管2后，由于两股气流等温等速，忽略传质作用，两股气流可以视为一股气流，此外，回风有单独的送风口经由背景风段6送入室内形成背景风，回风与背景风发生掺混，其射流核心区域的新风与周围的背景风受回风的保护，与背景风的卷吸作用大幅下降，从而大幅提升射流核心区长度。
参见图5和图6，本发明的带环形风口的顶装个性化风口送风原理如下：
由直径为d0的喷口以处流速度u0，射入同温空间介质内扩散，在不受周界表面限制的条件下，则形成等温自由射流。由于射流边界与周围介质间的紊流动量交换，周围空气不断被卷入，射流不断扩大，因而射流断面的速度场从射流中心开始逐渐向边界衰减并延射程不断变化。结果，流量延程增加，射流直径加大，但在各断面上的总动量保持不变。在射流理论中，将射流轴心速度保持不变的一段(射流核心区)长度称为起始段。风口流量可表示为：
G＝v·A (1)
式中，G-风管流量，m3/s；v-过流断面风速，m/s；A-过流断面截面积，m2。
对自由射流的规律性研究表明，射流起始段的参数变化与有关，x-极点至给点断面的距离，a-无量纲紊流系数，其数值的大小决定于风口形式并与射流的扩散角有关，即：
tgθ＝3.4a (2)
因此对于不同的风口形式则有不同的a值，其数值大小与风口结构有关，越有利于出流紊动和射流扩散，则a值越大，圆管射流的紊流系数一般取0.076。
以风口作为起点，轴心速度衰减规律可表示为：
式中，ux-以风口为起点，到射流计算断面距离为x处的轴心速度，m/s；u0-风口出流的平均速度，m/s。
以风口作为起点，轴心温度衰减规律可表示为：
式中，ΔTx＝Tx-Tn，ΔT0＝T0-Tn；T0-射流出口温度，K；Tx-距风口X处的射流轴心温度，K；Tn-周围空气温度，K。
出风段，新风管和回风管横截面为圆形或正多边形。
具体的设计过程为：
步骤1，通过经验和实际情况确定送风的新风量G0和新风比K，取新风管的直径d为0.01-0.2m，设定新风和回风的比值K，出风口新风和回风速度温度速度一致。通过以上参数，结合式(1)，新风的出口风速为u0的计算公式为：
通过新风量G0，以及新风和回风的比值K值，计算出回风量。
G1＝K·G0 (6)
步骤2，计算回风管径；
通过公式(1)计算得出回风管的截面积A，进一步计算出回风管的管径D。
步骤3，验证验证风管管径是否能够满足需求
式(3)中，设定ux＝u0，则式(3)为1，结合新风管的直径，通过式(3)计算得到出风口至射流核心区的最远端距离x，对于本发明中环形风口的出风口至射流核心区的最远端距离，其计算公式为：
x1＝0.335D/a (7)
若只有新风管，则计算公式为：
x2＝0.335d/a (8)
当x1大于x2时，则环形风口的出风口至射流核心区的最远端距离x1大于普通新风管的距离x2，确定该尺寸能够满足需求，如果x2≤x1，则说明本发明中环形管中回风对新风的影响没有达到延长射流核心区的目的，通过调整d进行调整，同时对应性的调整回风管径D。且出风口和地面之间的距离减x1的差值在1.1-1.3m范围内，确定该尺寸能够满足要求；如果该差值不在1.1-1.3m范围内，则说明本发明中环形管中回风对新风保护能力不足，通过调整d进行调整，同时对应的调整回风管管径D，使出风口和地面之间的距离减x1的差值在1.1-1.3m范围内，特殊条件下，该差值不能满足在1.1-1.3m范围内，应通过调整d和D，使该差值尽可能靠近1.1-1.3m范围。本发明中普通的新风管为新风管只是一个圆管，而不是本发明中套装的结构。
实施例1
以下是发明人给出的实施例，需要说明的是，本发明并不局限与以下具体实施例，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。
个性化送风新风量G为10L/s，新风比为10％，新风管直径d为0.1m，室内环境温度Tx＝26℃；送风温差为4℃，即，送风温度T0＝22℃；新风与回风比为1:9；出风口新风和回风速度温度速度一致。
根据式1，新风管出口风速u0为1.27m/s，回风管径D为0.316m；根据式2，扩散角tgθ为0.2584，极点至出风口的距离x0为0.61m；由于射流核心区的速度与射流出口段一致，根据公式(3)由出风口至射流核心区最远端x1为1.39m，若无保护气流，新风出口至射流核心最远端x2为0.44m，保护送风极点至射流核心区最远端X为2m，射流核心区最远端扩散半径R为0.52m；根据公式(4)距离送风口x1＝1.39m处的射流轴心温度为Tx＝23℃。
若房屋吊顶高度为2.7m，送风口对应坐姿工作区呼吸区
高度1.1m，头顶高度1.3m，射流核心区末端高度为1.31m，临近头顶高度，射流核心减速后大部分落入呼吸去范围内，射流核心区延长了3.16倍，极大地提升了新风送风距离和送风品质；对于刚刚越过射流核心区的最远端，新风与周围空气掺混，仍可以保证较高新鲜度。
实施例2(模拟)
为了验证实施例的送风效果，发明人对该送风风口进行了数值模拟，个性化送风新风管直径d为0.1m，出风口速度为1m/s，出风口距离地板2.7m。模拟结果如图7，图8，图9，图10所示，没有回风保护的射流核心区长度为0.3m，新风管与回风管管径1:3的射流核心区长度为0.9m，新风管与回风管管径1:6的射流核心区长度为1.25m，新风管与回风管管径1:9的射流核心区长度为1.25m，由于增加了回风保护，射流核心区大幅延长，值得注意的是，根据图9和图10，由于风口下方人员的阻挡，二者射流核区长度差异不大，因此，新风管与回风管管径1:6的形式更为合适。
综上所述，采用该设计发明后，新风管与回风管管径1:3，1:6，1:9与没有回风保护的新风射流相比，射流核心区大幅延长，使得坐姿人员头部空气品质大幅上升。具体的实施方案可依据现场需求依据实施例一和实施例二的方法确定出风段末端开口形式及尺寸。所以，本发明的带环形风口的顶装个性化送风方法可以有效提高送风距离，同时有效提升坐姿人员呼吸区新风品质。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带环形风口的送风装置，其特征在于，包括设置在水平面上的输风段(3)，输风段(3)连通有若干个出风段(4)，所述出风段(4)的轴线为竖直方向；
所述输风段(3)和出风段(4)设置有连通的回风管(1)，回风管(1)内设置有新风管(2)；新风管(2)的轴线和回风管(1)的轴线平行，新风管(2)和回风管(1)等长；所述出风段(4)在房间内工位的上方；
通过新风管(2)的直径、新风量和新风比，确定回风管(1)的直径以及出风口至射流核心区最远端的距离x1，设定x2为出风管只有新风管(2)时，出风口至射流核心区最远端的距离；当x2小于x1，且出风口和地面之间的距离与x1的差值为1.1-1.3m时，认定所述回风管(1)的直径满足需求，如不满足要求，调整回风管(1)内新风管(2)直径，至其满足要求；根据房间内的工位数，在每一个工位的上方设计一个套装有新风管(2)的回风管(1)。
2.根据权利要求1所述的一种带环形风口的送风装置，其特征在于，回风管(1)的截面和新风管(2)的截面形状相同。
3.根据权利要求1所述的一种带环形风口的送风装置，其特征在于，回风管(1)的截面和新风管(2)的截面形状均为圆形或正多边形。
4.根据权利要求1所述的一种带环形风口的送风装置，其特征在于，输风段(3)的新风管(2)的下部和回风管(1)的下部贴合。
5.根据权利要求1所述的一种带环形风口的送风装置，其特征在于，出风段(4)的新风管(2)和回风管(1)同轴线。
6.根据权利要求1所述的一种带环形风口的送风装置，其特征在于，输风段(3)进口处的新风和回风的初始温度相同，输风段(3)进口处的新风和回风的速度相同。
7.根据权利要求1所述的一种带环形风口的送风装置，其特征在于，输风段(3)的回风管(1)连通有背景风段(6)。
8.根据权利要求7所述的一种带环形风口的送风装置，其特征在于，所述背景风段(6)的出口设置有散流器。
9.一种权利要求1所述的带环形风口的送风装置的设计方法，其特征在于，通过新风管(2)的直径、新风量和新风比，确定回风管(1)的直径以及出风口至射流核心区最远端的距离x1，设定x2为出风管只有新风管(2)时，出风口至射流核心区最远端的距离；当x2小于x1，且出风口和地面之间的距离与x1的差值为1.1-1.3m时，认定所述回风管(1)的直径满足需求，如不满足要求，调整回风管(1)内新风管(2)直径，至其满足要求；根据房间内的工位数，在每一个工位的上方设计一个套装有新风管(2)的回风管(1)。
10.根据权利要求9所述的一种带环形风口的送风装置的设计方法，其特征在于，所述新风管的直径为0.01m-0.2m。
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