簡介： 本文簡述了置換通風的原理與特點，介紹了置換通風的末端送風裝置與其系統(tǒng)設(shè)計的要點，舉出了置換通風在中國實際工程中的一些應(yīng)用實例，指出置換通風是一種值得推薦的通風方式。
關(guān)鍵字：置換通風 節(jié)能 送風末端裝置 送風溫差

1．引言

　　近年來，一種新的通風方式--置換通風在我國日益受到設(shè)計人員和業(yè)主的關(guān)注。這種送風方式與傳統(tǒng)的混合通風方式相比較，可使室內(nèi)工作區(qū)得到較高的空氣品質(zhì)、較高的熱舒適性并具有較高的通風效率。1978年德國柏林的一家鑄造車間首次采用了置換通風系統(tǒng)，從這以后，置換通風系統(tǒng)逐漸在工業(yè)建筑、民用建筑及公共建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在北歐斯堪的納維亞國家，現(xiàn)在大約50％的工業(yè)通風系統(tǒng)采用了置換通風系統(tǒng)，大約25％的辦公室通風系統(tǒng)采用了置換通風系統(tǒng)。在中國，也有一些工程開始采用置換通風系統(tǒng)，并取得了一些令人滿意的結(jié)果。

2．置換通風的原理與特點

　　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(tài)緩慢向上移動，到達一定高度受熱源和頂板的影響，發(fā)生紊流現(xiàn)象，產(chǎn)生紊流區(qū)。氣流產(chǎn)生熱力分層現(xiàn)象，出現(xiàn)兩個區(qū)域：下部單向流動區(qū)和上部混合區(qū)。空氣溫度場和濃度場在這兩個區(qū)域有非常明顯的不同特性，下部單向流動區(qū)存在一明顯垂直溫度梯度和濃度梯度，而上部紊流混合區(qū)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。因此，從理論上講，只要保證分層高度在工作區(qū)以上，首先由于送風速度極小且送風紊流度低，即可保證在工作區(qū)大部分區(qū)域風速低于0.15m／s，不產(chǎn)生吹風感；其次，新鮮清潔空氣直接送入工作區(qū)，先經(jīng)過人體，這樣就可以保證人體處于一個相對清潔的空氣環(huán)境中，從而有效地提高了工作區(qū)的空氣品質(zhì)。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于周圍空氣而上升。煙羽沿程不斷卷吸周圍空氣并流向頂部。如果煙羽流量在近頂棚處大于送風量，根據(jù)連續(xù)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(jù)連續(xù)性原理，在任一個標高平面上的上升氣流流量Qp等于送風量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正好等于送風量Qs，在該平面上回返空氣量等于零。在穩(wěn)定狀態(tài)時，這個界面將室內(nèi)空氣在流態(tài)上分成兩個區(qū)域，即上部紊流混合區(qū)和下部單向流動清潔區(qū)。置換通風熱力分層情況如圖1所示。

空調(diào)節(jié)能和室內(nèi)空氣品質(zhì)是當前暖通空調(diào)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(qū)獲得同樣的溫度，置換通風系統(tǒng)所要求的送風溫度高于混合通風，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(jié)能的效果。根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，置換通風與混合通風相比，可以節(jié)約20％一50％的制冷耗費。

(2)置換通風可以對工作區(qū)的C02等污染物進行更為有效的控制。它的通風效能系數(shù)大于混合通風，這樣就能達到改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的目的。

3．置換通風系統(tǒng)設(shè)計要點

(1)室內(nèi)溫度tn及工作區(qū)溫度梯度的確定

　　置換通風房間內(nèi)工作區(qū)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，腳踝是人體暴露于空氣中的敏感部位。該處的空氣溫度t0.1不應(yīng)引起人體的不舒適。房間工作區(qū)的溫度tn往往取決于離地面1 .1m高度處的溫度(對坐姿人員如辦公、會議、講課、觀劇等)。

表1 室內(nèi)溫度tn及工作區(qū)溫度梯度

　　上述數(shù)據(jù)的取值根據(jù)工作人員的勞動狀態(tài)確定。由于置換通風在我國尚屬起步階段，現(xiàn)有的通風空調(diào)設(shè)計手冊及暖通設(shè)計規(guī)范尚未作出規(guī)定。現(xiàn)推薦歐洲及國際標準中有關(guān)數(shù)據(jù)，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((1-k)/c-1) (1)
式中：
ts--送風溫度，tp--排風溫度； c--停留區(qū)溫升系數(shù)，
c=Δtn/Δt=(t1.1-t0.1)/(tp-ts)，k--地面區(qū)溫升系數(shù)， k=Δt0.1/Δt=(t0.1-ts)/(tp-ts)。
停留區(qū)溫升系數(shù)c也可根據(jù)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(qū)的溫升系數(shù)

(3)送風量的確定

根據(jù)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(shù)量與發(fā)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--溫度膨脹系數(shù)；
α--煙羽對流卷吸系數(shù)(由實驗確定)；
ρ--空氣密度；
Cρ--空氣定壓質(zhì)量比熱；
Zs--分層高度。
　　通常在民用建筑中的辦公室、教室等工作人員處于坐姿狀態(tài)，工業(yè)建筑中的工作人員處于站姿狀態(tài)。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

　　當室內(nèi)發(fā)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(nèi)，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(jù)多年的經(jīng)驗確定了送排風溫差與房間高度的關(guān)系，如下表所列

表4 送排風溫差與房間高度的關(guān)系

4．置換通風的末端送風裝置

(1)第一代置換通風末端送風裝置

　　第一代置換通風末端裝置主要考慮將新鮮空氣以非常平穩(wěn)而均勻的狀態(tài)送入室內(nèi)。實際應(yīng)用中是在送風分布器的出口處裝過濾網(wǎng)，并在送風器內(nèi)設(shè)置一例置的錐形布袋，這樣就保證了送風的均勻性。送風分布器具有一定的開孔度和孔距，面罩上的開孔布置均勻。由于置換通風的出口風速低，送風溫差小的特點導(dǎo)致置換通風系統(tǒng)的送風量大，它的末端裝置體積相對來說也較大。第一代置換通風末端裝置通常有圓柱型、半圓柱型、1/4圓柱型、扁平型及平壁型等5種。在民用建筑中置換通風末端裝置一般均為落地安裝。當某地高級辦公大樓采用夾層地板時，置換通風末端裝置可安裝在地面上。在工業(yè)廠房中由于地面上有機械設(shè)備及產(chǎn)品零件的運輸，置換通風末端裝置可架空布置。落地安裝是使用得最廣泛的一種形式。1/4圓柱型可布置在墻角內(nèi)，易與建筑配合。半圓柱型及扁平型用于靠墻安裝。圓柱型用于大風量的場合并可布置在房間的中央。同濟大學(xué)與上海泰山通風空調(diào)設(shè)備有限公司已經(jīng)研制開發(fā)出了第一代置換通風末端裝置，并在一些工程上得到了一定的應(yīng)用。

(2)第二代末端送風裝置

　　第二代末端送風裝置主要是在不影響舒適性并保證室內(nèi)空氣品質(zhì)高于混合通風系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)的冷卻能力。室內(nèi)的濕負荷和新風負荷及小部分冷負荷主要由置換通風系統(tǒng)承擔，室內(nèi)大部分冷負荷由冷卻吊頂通過冷輻射來承擔。這樣就大大減少了末端裝置的設(shè)置數(shù)量。而且冷吊頂對消減室內(nèi)垂直溫度梯度具有明顯作用。置換通風與冷卻吊頂結(jié)合的精確設(shè)計、施工和管理可以創(chuàng)造出一個既無吹風感又清潔舒適的室內(nèi)空氣環(huán)境，并具有顯著的節(jié)能效果。因此，不少人稱它為"健康空調(diào)"、"未來空調(diào)"，相信在未來的暖通空調(diào)的發(fā)展中，會有其一席之地的。

(3)第三代末端送風裝置

　　第三代末端送風裝置是利用誘導(dǎo)的原理，在該末端裝置中設(shè)有特殊的空氣噴射器，將大量的室內(nèi)空氣與一次氣流混合從而提高了送風的冷卻能力。噴射器的安裝位置可以在送風末端裝置內(nèi)也可在送風管道內(nèi)。室內(nèi)空氣與一次空氣的大量摻混，可能會帶來換氣效率的下降，但只要將空氣的混合限制在人員活動區(qū)域，其通風效率、換氣指數(shù)還是要比傳統(tǒng)的混合通風方式高。第三代送風裝置正處于研制、開發(fā)應(yīng)用階段。

5．置換通風在工程中的實際應(yīng)用

(1)上海松江Tiger Park公司的塑料制袋生產(chǎn)廠

　　該廠主要生產(chǎn)車間由擠出吹塑、印刷復(fù)合、分切制袋和包裝四部分組成。廠房主跨寬25.6m，高度為7.80m(擠壓吹塑工段寬約18m)，除包裝部分外其它三個工段均采用置換風的空調(diào)通風方式。為了不影響車間的有效使用面積，置換通風器均設(shè)在兩側(cè)墻離地約2.20m處，而空調(diào)設(shè)備就設(shè)在車間內(nèi)的平臺上，空調(diào)回風直接回到空調(diào)設(shè)備的回風口處(不接回風)，在吹塑工段頂部另設(shè)有排風機。將熱量及污濁空氣外排。由于該項目為外方概念設(shè)計，工藝備有關(guān)情況不祥，但分切制袋工段的冷負荷指標僅為86W／m²，單位風量指標為20～25m3/m². h，從這些指標來看，比混合式空調(diào)通風方式指標低約30％一40％左右。

(2)南京愛立信通訊有限公司江寧廠房

　　南京愛立信通訊有限公司是由瑞典愛立信公司與南京熊貓電子集團合資建立的。按照瑞典廠房的標準，其主要廠房的空調(diào)通風系統(tǒng)采用了置換通風系統(tǒng)。該廠房占地50畝，包1#建筑(辦公區(qū)域)、2#建筑與3#建筑(生產(chǎn)廠房)兩者的建筑面積均為2069 m^2(空調(diào)面積778m^2)，吊頂高度3.4m。2#建筑與3#建筑生產(chǎn)廠房采用落地風口送風的置換通風方式。系統(tǒng)的送風管沿兩邊側(cè)墻布置，通過送風立管連通到每個末端送風口，回風管布置在吊頂內(nèi)，位于房間的中軸線上，排風通過屋頂風機排至室外。每個車間內(nèi)布置落地式半圓柱風口29個，回風口(1000×300)15個，排風口(Φ320) 18個。每個風口的送風量為1931m3／h，冷負荷指標為233w／m²，熱負荷指標為90w／m²。該系統(tǒng)投入使用近三年來，業(yè)主已經(jīng)感覺到此系統(tǒng)所提供的良好的空氣品質(zhì)及較高的通風效率，在節(jié)能方面也取得了令人滿意的效果。

(3)其它工程

　　在上海輕工業(yè)設(shè)計研究院所設(shè)計的幾個大型造紙廠(如常熟亞太紙業(yè)公司、金紅葉紙廠) 造紙車間的補風均使用了置換通風的末端裝置，有的結(jié)合土建側(cè)墻設(shè)置，有的設(shè)置在車間一定的高度上從而可不占據(jù)車間的生產(chǎn)面積。

　　對于一些有熱源的高大廠房，因為車間跨度大，采用自然進風屋頂排風的方式，往往通風效果欠佳，如果采用置換通風，則將提高整個車間的通風效果。

　　不久前竣工的上海大劇院觀眾廳座椅下送風系統(tǒng)是置換通風系統(tǒng)在公共建筑中一個典型應(yīng)用。為對該系統(tǒng)的可行性進行論證，曾經(jīng)在同濟大學(xué)氣流顯示實驗室內(nèi)建立了該系統(tǒng)1:1的單座椅下送風系統(tǒng)的實型模型，并進行了系列試驗。而實際投入使用后的情況也是令人滿意的。