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1、办公、家庭用置换通风空调器原理与设计魏京胜 1；黄炜 1；徐梁2；张红英 11.中国矿业大学 江苏 徐州 2211162.荷泽市市政工程管理处 山东 荷泽 274000摘要：根据置换通风的原理、特点和应用的条件，本文提出了办公、居室中应用空调器实现置换 式通风空调的工作原理，按使用场合进行分类。结合办公室、家居环境置换式通风空调特点，给 出了系统设计步骤和计算方法，并指出置换通风空调器设计安装应注意的问题。 关键词：置换通风，办公室，居室，空调器1 置换通风的分析研究1.1 置换通风原理置换通风以房间内热源(人员、设备等)产生的热浮升力为动力而使室内空气热力分层的通风方式，原理如图 1 所示。
2、新鲜冷空气直接以低速(送风速度约为 0.25m/s 左右)缓缓流入下部工作风排排风风图 1 置换通风原理图区域，送风的动量很低，以致于对室内主导气 流无任何实际的影响，冷空气因密度大于周围 的空气密度而沿着地板向四周蔓延，从而弥漫 整个房间底部形成空气湖。室内空气湖在热源 自由热对流(或称热羽流)的作用下，而被卷吸 至上区，同时在上部排出热污染空气，以实现 置换式通风。当热源也是污染源时，对流气流 可以将污染物卷吸至上部空间区域，使得空调 房间的污染区域上移，保证了工作区的空气清 新洁净。1.2 置换通风的特性分析(1) 置换通风具有明显的热力分层现象，在 上下区内具有以下特点：在下部人员停留
3、的工作区内垂直高度方向，空气温度分布为垂直递增， 在水平方向近乎为等温。由于流体抗剪应力能力较差，所以水平面上温差变化不大；在垂直方向 不同的温度层之间主要以分子热运动和导热进行热量交换，只有在热源附近由于热源的热射流作 用，层与层之间进行对流换热，一部分冷空气被热射流卷吸至分层高度以上。因此，下部空气区内向上浮升的气流呈单向流动，犹如汽缸内活塞运动一样，从而提供了很好的室内空气品质。在 上部区存在气流回返混合,气流呈紊流混合状态，该区域内空气温度高、污浊气体浓度大，温度和 密度较均匀，空气品质较差。但由于污染区在工作区的上部，所以，置换通风具有明显改善室内 的空气品质的作用。(2) 置换通风
4、与混合通风相比，换气效率高、通风效率好1。(3) 置换通风承担工作区负荷和部分上区的负荷，具有明显的节能效果23。(4) 通过送风量控制上下区的分层高度。 在实验及分析研究中发现置换通风也存在某些局限性，如：(1) 当垂直温差较大时，会产生吹风感或上热下冷不舒适的感觉；所以送风温差应控制在13C的范围内。(2) 由于人体的下肢体有较强的冷敏感区域，当冷气流在下部流动时，会产生不舒适性，所以 送风温度不能太低；(3) 空气湖的流速不宜太大，应避免使人产生吹风感，因此风口送风面积会较大，从而在一定 程度上限制了消除室内余热的单位负荷能力；(4) 由于送回风压差较小，混合式的测风速法不易实现等。1.
5、3 置换通风的应用 根据上述分析可见，置换通风一般适用于以下场合4：(1) 必须使污染物与热源相结合或污染物重率小；(2) 工作区的冷负荷占总负荷的一部分；(3) 房间高度必须2.4m；(4) 房间的冷负荷一般不超过120W/m2。在办公室和家居环境中，污染源主要是以人员和家用电器为主的热污染；对于新装修的房间 内还存在重率较小有害挥发物，这些挥发物与热源结合被卷吸至人员活动区以上的区域。因此办 公室和家居室能够满足置换通风的使用条件。2 办公、家居置换通风空调器原理实现置换式通风空调的关键是置换式通风用空调器，与普通的家用空调器相比，在结构上有 明显的区别。置换通风空调器主要由两部分组成：室
6、外机和室内机，室外机主要由制冷设备的压 缩机、冷凝器和风机组成；室内机主要由制冷设备的节流阀、蒸发器和通风设备的(上侧)回风格 栅、双向风机、(下侧)送风格栅、室外风及风阀等组成。根据置换通风口的安装方便性和对空间 的利用程度可分为落地式置换通风空调器 和壁挂式置换通风空调器，其工作原理如 下。落地式置换通风空调器主要形式以柜 式为主，其工作原理：在夏季时，回风从上 侧回风口进入，经风机加压，再经表冷器减 湿降温后由送风格栅均匀低速送入室内，在 室内冷空气因密度大，而沿地板向四周蔓 延，并弥漫整个房间底部，形成空气湖，在 室内热源热羽流作用下，将部分冷的空气卷 吸至上区，在上部排出部分热污染空
7、气，在分层高度处回风口吸入回风完成循环，从而图 2 壁挂置换通风原理图实现置换式通风；在冬季，回风则从下侧的 风口进入，风机反转，送风从上侧风口以射流的形式将热空气送入室内。壁挂式置换通风空调器主要是为了节省地面空间而将室内机悬挂于墙壁上。如此一来，相当 于将置换通风风口的位置提高，原理如图2所示。在送风时，必然将人员活动区的上部污浊空气 带入下区，而削弱了置换通风的效果，关于风口上置置换通风的研究在文献5中较为详细的进行 了论述，并对风口提出了基本要求。满足这一要求实现的方法很多，对于大空间置换通风一般采 取选用射流合理的风口，而在办公、居室等小空间空调中，建议5采用与室内装修结合、充分利
8、用夹壁空间，如柜橱的背面与墙壁间隙、挂毯与墙壁面间隙等，实现送风空气与上区污浊空气隔 离。根据以上分析，本文提出以下几种壁挂式置换通风空调器形式：室内机+挂毯装饰、室内机+ 柜厨与壁面、室内机安装位置在分层高度处、室内机做成落地装饰物墙角布置、室内机+特别制 作的夹壁空间等。3 办公、家居建筑置换通风空调设计 相对于其他场合空调方式，办公和家用置换通风空调在设计上也不尽相同。为了获得较好的 空调效果，必须进行合理的计算和设计。3.1 置换通风热舒适性标准在国内设计规范资料中对置换式通风的热舒适标准做了相应规定，见表1中GB栏。在国 际上各国针对置换通风的特点，在满足热舒适性的设计标准要求上，各
9、国或协会组织做了相应的 且各自有所不同的设计标准或指标67，参见表 1。办公、居室的置换式通风的热舒适标准一般采用GB 50019 （2003）或ISO 7730的标准。分层 高度一般根据人员停滞区内较长时间的身体姿势，可分为两种：坐姿时取1.1 m,站姿时1.8m。 相应工作区的温度梯度一般要求MC/m。3.2 办公、家居置换通风空调设计 在办公室、家居环境中，置换通风空调设计工作主要有分层高度、送风温度、热舒适参数的 确定，分层高度的控制方法，空调器送风量和风口尺寸（送风面积）确定等几个部分。3.2.1 分层高度、送风参数等的确定 分层高度是置换式通风空调房间的被控制参数，一般在设计前，根
10、据人员较长时间停留区域 内的身体姿势确定，比如办公室、家居室内的客厅，人员主要以坐姿为主，分层高度可以取1.1m； 而在公共场所的会客厅多以站姿为主，可以取1.8 m。值得注意的是室内上下区的分层并不明显， 两者之间存在一个过渡区，在此区内温度梯度较大、厚度一般为0.250.5m。热舒适参数的确定。在置换通风房间中，室内空气具有明显的热力分层现象，一般根据热舒 适标准需要确定以下几个室内控制参数：（1）室内人员头脚空气温差t0111（18）19.0C（冬季），t01 i21.0C（夏季）；0.1 mm0.1 mm工乍区最大空气流速11.1（1.8）max.15m/s（冬季），】口 （W max
11、Qm夏季）。表 1 各国及协会组织的置换通风设计标准适用指标国别或协会组织DIN1946/2(1994)SIA V382/1(1992)CIBSE(1990)ISO 7730(1990)ASHRAE5529GB 50019(2003)各项指标值t0111=t11-t012C2C3C3Ct0 1.1 8=t1 8-t0 13C3C0.1m处最低送风温 度 t0.1min21C冬季：19C夏季：22 C冬季：20 C夏季：22 C1926 C18 29 C工作区空气流速或 通风器出风速度0.15 0.18m/s冬季：0.15m/s夏季：0.25m/s工业：0.15m/s民用：0.20m/s注:DI
12、N德国工业标准；SIA瑞士工程师和建筑师协会；CIBSE建筑设备工程师研究院；ISO 国际标 准化组织；ASHRAE 美国供暖制冷空调工程师学会；GB中华人民共和国国家标准。3.2.2 分层高度的控制方法 在置换通风空调房间中，一般是利用在分层高度上热源卷吸风量与送风量之间大小关系来控 制房间内空气上、下区的分层高度。如在某一分层高度上，送风量大于热源卷吸风量，分层高度 将向上移动，直至在另一分层高度处送风量与热源卷吸风量相等。3.2.3 空调器送风量的确定 在置换通风房间中，除了保证人员活动区的空气品质外还需要考虑热舒适性的要求。所以， 置换通风的风量计算一般需要考虑两个方面：室内空气品质要
13、求和室内热舒适性要求。风量确定 时，先用室内空气品质控制的方法计算分层高度处热源卷吸风量，然后再满足热舒适性要求的方 法计算消除室内余热所需风量，最后比较两者，取风量较大者作为置换通风送风量9。 控制室内空气品质计算风量的原理：直接用经验公式计算各个热源对流流动引起的卷吸风量qvz，然后求和即得出置换通风房间内总的送风量qs1。计算时，可以根据热源的具体外形在表(a)点热源(b)大面积热源图 3 点热源及面热源的虚拟点2 中选择相应的公式。热源分类参数及公式点、线和园面热源参数点热源线热源热射流轴线速度vz(m/s)v”=0.12841/3z-1/3v =0.067 41/3热射流轴线剩余温度
14、/&zK/&”=0.32902/3z-5/3/&z=0.09402/3z-1热源卷吸风量qvz(L/s点热源,L/sm线热源)q =5.001/3z5/3丄vzq =13.041/3z丄vz竖直面热源参数层流区紊流区断面最大速度vz(m/s)v =0.1 A0 - zv =0.11 A。- z边界层厚度观m5 = 0.05/&-025Z0.255=0.11/&-oizo.7热源卷吸量qvz(L/sm宽度)qvz=2.87/&025z0.75q z=2.75J0.4z1.2表 2 热源卷吸量计算公式表表中热源对流热流量单位：W或W/m,用下式计算 值：=kx0tot式中4 -热源总的能量消耗量,
15、W; k-热源对流换热量 tot系数，热源为园管或方管时 k=0.70.9，小型发热元件时 k=0.40.6,大型机械或元件k=0.30.5; z-对于点热源是 距离热源的高度(m)。对由大面积热源，z的计算如图3所示,z 包含虚拟热原点距离z0,文献9给出射流扩散角a = 25。，假 设热源面的直径或近似圆形的当量直径为D，则最大值z0=2.3D，最小值z .=1.8D; AQ-是热源表面温度与周围空 max0 min气的温度差，C。 考虑热舒适性的要求计算送风量。根据风量 平衡，送风口送入的风量最后由排风口和回风口流 出空调房间，同时消除室内余热。满足热舒适要求需要风量的表达式为:Qq 二戸-(1)s 2p c (t 一 t )p es式中qs2空调送风量,m3/h；Q0空调房间对流换热量,W；;、cp分别空气密度和比热,0.335
