置換通風

置換通風是一種新的通風方式。這種送風方式與傳統的混合通風方式相比較，可使室內工作區得到較高的空氣品質、較高的熱舒適性並具有較高的通風效率。

簡介

置換通風圖示

置換通風以低速在房間下部送風，氣流以類似層流的活塞流的狀態緩慢向上移動，到達一定高度時，受熱源和頂板的影響，發生紊流現象，產生紊流區。氣流產生熱力分層現象，出現兩個區域：下部單向流動區和上部混合區。空氣溫度場和濃度場在這兩個區域有非常明顯的不同特性，下部單向流動區存在一明顯垂直溫度梯度和濃度梯度，而上部紊流混合區溫度場和濃度場則比較均勻，接近排風的溫度和污染物濃度。

具體原理

從理論上講，只要保證分層高度在工作區以上，首先由於送風速度極小且送風紊

置換通風原理圖示

流度低，即可保證在工作區大部分區域風速低於0.15m/s，不產生吹風感；其次，新鮮清潔空氣直接送入工作區，先經過人體，這樣就可以保證人體處於一個相對清潔的空氣環境中，從而有效地提高了工作區的空氣品質。這種通風形式不再完全受送風的動量控制而主要受熱源的熱浮升力作用，熱污染源形成的煙羽因密度低於周圍空氣而上升。煙羽沿程不斷卷吸周圍空氣並流向頂部。如果煙羽流量在近頂棚處大於送風量，根據連續性原理，必將有一部分熱濁氣流下降返回。因此在頂部形成一個熱濁空氣層。根據連續性原理，在任一個標高平面上的上升氣流流量Qp等於送風量Qs與回返氣流流量Qr之和。因此必將在某一個平面上煙羽流量Qp正好等於送風量Qs，在該平面上回返空氣量等於零。在穩定狀態時，這個界面將室內空氣在流態上分成兩個區域，即上部紊流混合區和下部單向流動清潔區。

具體套用

空調節能和室內空氣品質是當前暖通空調界面臨的兩大課題，而置換通風能在一定程度上較好地解決這兩個問題。
(1)為了在工作區獲得同樣的溫度，置換通風系統所要求的送風溫度高於混合通風，這就為利用低品位能源以及在一年中更長時間地利用自然通風冷卻提供了可能性，以達到節能的效果。根據有關資料統計，置換通風與混合通風相比，可以節約20%一50%的製冷耗費。
(2)置換通風可以對工作區的C02等污染物進行更為有效的控制。它的通風效能係數大於混合通風，這樣就能達到改善室內空氣品質的目的。

設計要點

置換通風系統設計要點
(1)

表1 室內溫度tn及工作區溫度梯度

室內溫度tn及工作區溫度梯度的確定
置換通風房間內工作區的溫度梯度tn是造成人體不舒適的重要因素。離地面0.1m的高度是人體腳踝 的位置，腳踝是人體暴露於空氣中的敏感部位。該處的空氣溫度t0.1不應引起人體的不舒適。房間工作區的溫度tn往往取決於離地面1 .1m高度處的溫度(對坐姿人員如辦公、會議、講課、觀劇等)。
上述數據的取值根據工作人員的勞動狀態確定。

表2

由於置換通風在我國尚屬起步階段，現有的通風空調設計手冊及暖通設計規範尚未作出規定。現推薦歐洲及國際標準中有關數據，如表2所列。
(2)送風溫度的確定
送風溫度由下式確定：
ts=t1.1-Δtn(k/c+1) (1)
式中：
ts--送風溫度，tp--排風溫度； c--停留區溫升係數，
c=Δtn/Δt=(t1.1-t0.1)/(tp-ts)，k--地面區溫升係數， k=Δt0.1/Δt=(t0.1-ts)/(tp-ts)。
停留區溫升係數c也可根據房間用途確定。表3列出各種房間的c值。

表3 各種房間停留區的溫升係數

3)送風量的確定
根據置換通風熱力分層理論，界面上的煙羽流量與送風流量相等。
Qs=Qp m3/h (2)
當熱源的數量與發熱量已知，可用下式求得煙羽流量：
Qp=(3Bπ^2)^1/3 *(6/5)^4/3*Z^5/2
式中：B=gβQs/ρ.Cρ
Qs--熱源熱量；
β--溫度膨脹係數；
α--煙羽對流卷吸係數(由實驗確定)；
ρ--空氣密度；
Cρ--空氣定壓質量比熱；
Zs--分層高度。
通常在民用建築中的辦公室、教室等工作人員處於坐姿狀態，工業建築中的工作人員處於站姿狀態。坐姿時的分層高度Zl=1.1m，站姿時的分層高度Z2=1.8m。
(4)送排風溫差的確定

表4 送排風溫差與房間高度的關係

當室內發熱量已知，送風量已確定的情況下，送排風溫差是可以計算得到的。在置換通風的房間內，在滿足熱舒適性要求條件下，送排風溫差隨著頂棚高度的增高而變大。歐洲國家根據多年的經驗確定了送排風溫差與房間高度的關係，如下表所列