置换通风在工业厂房中的设计应用

摘要：本文介绍了置换通风的原理与特点，介绍了置换通风的末端送风装置与其系统设计的要点，结合设计工程实例，指出置换通风是一种值得推荐的通风方式。 关键字：置换通风 节能 送风末端装置 应用

1．引言

近年来，置换通风在我国日益受到设计人员和业主的关注。这种送风方式与传统的混合通风方式相比较，可使室内工作区得到较高的空气品质、较高的热舒适性并具有较高的通风效率。1978年德国柏林的一家铸造车间首次采用了置换通风系统，从这以后，置换通风系统逐渐在工业建筑、民用建筑及公共建筑中得到了广泛的应用。在国内，也有一些工程开始采用置换通风系统，并取得了一些令人满意的结果。

2．置换通风的原理与特点

置换通风以低速在房间下部送风，气流以类似层流的活塞流的状态缓慢向上移动，到达一定高度受热源和顶板的影响，发生紊流现象，产生紊流区。气流产生热力分层现象，出现两个区域：下部单向流动区和上部混合区。空气温度场和浓度场在这两个区域有非常明显的不同特性，下部单向流动区存在一明显垂直温度梯度和浓度梯度，而上部紊流混合区温度场和浓度场则比较均匀，接近排风的温度和污染物浓度。因此，从理论上讲，只要保证分层高度在工作区以上，首先由于送风速度极小且送风紊流度低，即可保证在工作区大部分区域风速低于0.15m／s，不产生吹风感；其次，新鲜清洁空气直接送入工作区，先经过人体，这样就可以保证人体处于一个相对清洁的空气环境中，从而有效地提高了工作区的空气品质。这种通风形式不再完全受送风的动量控制而主要受热源的热浮升力作用，热污染源形成的烟羽因密度低于周围空气而上升。烟羽沿程不断卷吸周围空气并流向顶部。如果烟羽流量在近顶棚处大于送风量，根据连续性原理，必将有一部分热浊气流下降返回。因此在顶部形成一个热浊空气层。根据连续性原理，在任一个标高平面上的上升气流流量Qp等于送风量Qs与回返气流流量Qr之和。因此必将在某一个平面上烟羽流量Qp正好等于送风量Qs，在该平面上回返空气量等于零。在稳定状态时，这个界面将室内空气在流态上分成两个区域，即上部紊流混合区和下部单向流动清洁区。置换通风热力分层情况如图1所示。

空调节能和室内空气品质是当前暖通空调界面临的两大课题，而置换通风能在一定程度上较好地解决这两个问题。

(1)为了在工作区获得同样的温度，置换通风系统所要求的送风温度高于混合通风，这就为利用低品位能源以及在一年中更长时间地利用自然通风冷却提供了可能性，以达到节能的效果。根据有关资料统计，置换通风与混合通风相比，可以节约20％一50％的制冷耗费。(2)置换通风可以对工作区的C02等污染物进行更为有效的控制。它的通风效能系数大于混合通风，这样就能达到改善室内空气品质的目的。

3．置换通风系统设计要点

3.1《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003中5.3.9条，置换通风的设计应符合下列规定：1、房间内的人员头脚处空气温差不应大于3℃；2、人员活动区内气流分布均匀；3、工业建筑内置换通风器的出风速度不宜大于0.5m/s；4、民用建筑内置换通风器的出风速度不宜大于0.2m/s。

3.2 为满足人体热舒适性要求，民用建筑送风口通常设置高度≤0.8m，工业建筑送风口通常设置高度不限。

3.3 除系统送风温度接近室内温度外，通常工作区人员坐姿的停留处，空气流速≤0.2m/s。

3.4 置换送风口不应布置在室内靠外墙或外窗侧处，应尽可能布置在室中央或冷负荷较集中的地方。

3.5 冬季有大量热负荷需要的建筑物外部区域，不适宜采用置换通风系统。

3.6送风温度的确定送风温度由下式确定：ts＝t1.1+Δtn((1-k)/c-1) (1) 式中：ts--送风温度，tp--排风温度； c--停留区温升系数，c=Δtn/Δt=(t1.1-t0.1)/(tp-ts)，k--地面区温升系数， k=Δt0.1/Δt=(t0.1-ts)/(tp-ts)。停留区温升系数c也可根据房间用途确定。表1列出各种房间的c值。表1 各种房间停留区的温升系数

停留区的温升 地表面部分的冷负荷比例％ 房间用途

0．16 0--20 天花板附近照明的场合：博物馆、摄影棚

0．25 20--60 办公室

0．33 60--100 置换诱导场合

0．4 60--100 高负荷办公室冷却顶棚会议室

3.7 送风量的确定根据置换通风热力分层理论，界面上的烟羽流量与送风流量相等。Qs＝Qp m3／h (2)当热源的数量与发热量已知，可用下式求得烟羽流量：Qp＝(3Bπ^2)^1/3 *(6/5)^4/3*Z^5/2 式中：B＝gβQs／ρ.Cρ Qs--热源热量；β--温度膨胀系数；α--烟羽对流卷吸系数(由实验确定)；ρ--空气密度；Cρ--空气定压质量比热；Zs--分层高度。通常在民用建筑中的办公室、教室等工作人员处于坐姿状态，工业建筑中的工作人员处于站姿状态。坐姿时的分层高度Zl＝1.1m，站姿时的分层高度Z2＝1.8m。(4)送排风温差的确定当室内发热量已知，送风量已确定的情况下，送排风温差是可以计算得到的。在置换通风的房间内，在满足热舒适性要求条件下，送排风温差随著顶棚高度的增高而变大。欧洲国家根据多年的经验确定了送排风温差与房间高度的关系，如下表所列表2 送排风温差与房间高度的关系

4．置换通风的末端送风装置

置换通风末端装置通常有圆柱型、半圆柱型、1/4圆柱型、扁平型及平壁型等5种。在民用建筑中置换通风末端装置一般均为落地安装。高级办公大楼采用夹层地板时，置换通风末端装置可安装在地面上。在工业厂房中由于地面上有机械设备及产品零件的运输，置换通风末端装置可架空布置。落地安装是使用得最广泛的一种形式。1/4圆柱型可布置在墙角内，易与建筑配合。半圆柱型及扁平型用于靠墙安装。圆柱型用于大风量的场合并可布置在房间的中央。

5.置换通风在工程中的实际应用

曼・胡墨尔滤清器贸易有限公司济南工厂项目是中德合作项目，位于济南高新技术产业开发区孙村片区，总建筑面积3236.27平方米，其中厂房与仓库建筑面积为2432.17平方米，建筑高度12m。厂房与仓库通风空调采用置换通风。风口形式采用置换式风口，厂房中间位置的风口原则上沿结构立柱引至3.0m处，采用圆柱型风口，边墙处的风口沿墙引至1.0m处，采用半圆柱型、1/4圆柱型风口。送风速度0.4m/s。回风口高度7.0m。

本项目2009年2月设计完成，年底竣工验收，经过了两个采暖季和两个制冷季，运行效果良好，人员感觉舒适，得到各方的一致认可。

置换通风系统是一种通风效率高，既排除污染又带来较高空气品质且节能的通风方式，在工业厂房通风方面值得推广。

参考文献

1.《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003

2.《实用供热空调设计手册》第二版 陆耀庆 主编

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。