实际空调系统中空气龄的计算方式.docx

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实际空调系统中空气龄的计算方式

实际空调系统中空气龄的计算方式

摘要空气龄是描述通风系统能力好坏的重要指标。

目前不论是实验方式仍是数值计算方式，都只能求解单个房间中的空气龄散布。

而实际中的通风系统往往由多个房间、AHU和送回风管路所组成。

本文讨论了计算实际空调系统中的空气龄的一般方式和特殊情形下的简化算法，提出"全程空气龄"的概念。

关键词空气龄空气品质气流组织

1引言

　　据调查，人们一生中约80%～90%的时刻处在室内[1]，因此室内环境的良好与否对人的健康相当重要。

20世界70年代以来，随着世界范围的能源紧缺，节能成为建筑物设计思想的重要导向。

这一时期设计的建筑物增强了密闭性，减少了空调新风量。

另一方面，随着材料科学的进展，有机合成材料在室内装饰中取得了普遍应用，但这在美化房间的同时，致使挥发性有机化合物（VOC）在室内大量聚集，严峻恶化了室内空气品质[2]。

在这一时期设计的许多所谓"节能建筑"中，人们出现了各类不适症候，如眼睛发红、流鼻涕、嗓子疼、困倦、头痛、恶心、头晕、皮肤瘙痒等[3]。

这些因建筑物利用而产生的症状，按照世界卫生组织（WHO）1983年的概念，被统称为病态建筑综合症（SBS），而致使这种综合症的建筑被称为病态建筑。

病态建筑在现实中大量存在。

有人分析了美国50000多个办公室以后得出结论，以为只有20%的办公室可划归到健康建筑的范围，40%的办公室为一般健康建筑，而40%的为病态建筑，不能知足要求，其中10%的办公室条件很差，是严峻的病态建筑[4]。

从此，人们对室内环境有了进一步的熟悉，并提出了室内空气品质的概念。

　　室内空气品质反映了人们对室内空气的满意程度，按照美国供暖制冷工程师学会公布的ASHRAESTANDARD62-89的概念[5]：

良好的室内空气品质表现为空气中的污染物不超过公认的权威机构所肯定的有害物浓度指标，而且处于这种空气中的绝大多数人（大于80%）对此没有表示不满意。

这一概念除客观评价外，也强调了人的主观评价。

　　大量研究表明，通风房间的空气品质取决于两个方面：

通风系统的性能和室内污染物的特性[6]。

美国国家职业安全与卫生研究所（NIOSH）对529个存在空气质量问题的建筑进行过评估[6]，其中280座建筑物通风不合格，占调查总数的53%，而建材污染仅为21座占40%。

由此可见，专门大部份病态建筑是由不良的通风系统设计致使。

　　在通风系统的性能中，室内气流组织对空气品质影响极大。

按照美国明尼苏达大学和加州伯克利大学劳伦斯实验室的研究结果，室内气流组织不妥所引发的空气品质恶劣问题大约占空气品质恶劣老是总数的45%～46%[6]。

　　为了定量评价室内气流组织的好坏，各国学者提出多种指标，如宏观空气互换率[7]，换气效率、通风效率、净空气流量[2]等，这些指标中的多数均与空气龄有关。

按照Sandberg等人的概念，空气龄已成为继温度、湿度以后评价室内空气的又一重要参数。

　　初期研究中空气龄主如果采用示踪气体方式进行测量[9-11]，该方式需要较长的测量周期，费用也比较昂贵，还会影响人们的正常工作。

随着空气龄散布方程的发觉，最近几年来空气龄的数值计算方式取得愈来愈普遍的应用[12-17]。

与传统实验方式相较，数值算法无论在精度，速度，经济性上都更胜一筹，将在未来的应用中据主导地位。

但不论是示踪气体方式仍是数值计算方式，传统上都只能局限在单个房间中。

而实际空调系统往往由多个房间，多个AHU，复杂的送回风管路连接而成。

为了使空气龄能够应用于工程实践，本文将尝试对如何计算整个空调系统中的空气龄及如何用空气龄评价通风系统的性能作一讨论。

为了与以往研究相区别，本文将以往所研究的局限在单个房间中的空气龄称为"房间空气龄"，把文中研究的概念在整个系统中的空气龄称为"全程空气龄"。

2空气龄的概念与散布方程

　　空气龄指房间内某点处空气在房间内已经滞留的时刻。

由于单个空气分子做的是不规则随机运动，没有哪个空气分子所做的运动是完全一样的，因此观测点周围的不同空气分子在房间内停留的时刻也会各不相同。

观测点的空气龄不是指位于该点的某一个空气分子在室内停留的时刻也会各不相同。

观测点的空气龄不是指位于该点的某一个空气分子在室内停留的时刻，而是在该点周围的空气分子群的平均停留时刻。

那个分子群在宏观上是无穷小的，因此具有均匀的温湿度等物理特性；在微观上是无穷大的，表现出持续流体，即无穷多的微观粒子的统计特性，而非单个粒子的随机运动特性。

　　如前所述，观测点周围的空气分子群由各类不同年龄的分子组成，各类年龄的空气分子数量存在一个频率散布函数f（τ）和积累散布函数F（τ）。

所谓频率散布函数f（τ），是指年龄为τ+Δτ的空气分子数量占总分子数量的比例与Δτ之比；而积累散布函数F（τ），是指年龄小于τ的空气分子数量占总分子数量的比例。

积累散布函数与频率散布函数之间存在下列关系：

（1）

　　由于某点空气龄是该点空气分子群的平均值，因此当频率散布函数已知时，可由下式计算任意一点的空气龄τp：

（2）

　　结合N-S方程（9）和质扩散方程（3），

　　　　　　　　　　　（3）

　　稳态情形下的空气龄散布方程能够表述为：

　　　　　　　　　　　　　　　（4）

　　在空调通风中，一般情形下，以为空气的密度为常数。

考虑到质量守恒方程：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（5）

　　有：

　　　　　　　　　　　　　　　　（6）

　　空气龄散布方程（4）的形式和源项为1的质扩散方程完全一致；而质扩散方程的求解是在大量计算流体力学软件中被普遍实现的。

这就使得单个房间内空气龄散布的能够方便的采用现有数值计算软件求解。

3实际通风系统中对全程空气龄的计算

　　3．1实际通风系统的组成元素

　　实际通风系统由通风房间，风道，新风入口，排风口依照必然方式连接而成（如图1）。

理论上，对任意复杂的系统，咱们都能够进行全区域（包括房间，风道和AHU）三维数值计算，但这必然致使复杂的无法解决的问题。

因此，为使空气龄的概念能应用到实际工程当中，必需提出针对复杂通风系统的简化算法。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1实际通风系统示用意

　　不论是何等复杂的通风系统，总能够依照空气流动方向分解成以下四种情形的组合：

（1）无分岔管道内流动（例如从点M1到点S1）；

（2）沿分岔管道分流（在点S1处）；（3）沿管道汇合汇流（在点M1处）；（4）通风房间内流动。

对这四种情形的空气龄散布，咱们能够在知足精度要求的情形下作如下处置：

（1）无分岔管道内流动，空气龄在管道内的增量为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（7）

（2）沿分岔管道分流，由于空气性质分岔前后（无穷短处）不变，所以空气龄分岔前后（无穷短处）不变。

　　（3）沿管道汇合汇流，汇合点后（无穷短处）的空气龄通过下式肯定：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（8）

　　其中τi和Li别离代表第i支参与汇合的风道内在汇合点前（无穷短处）气流的空气龄和风量。

　　（4）通风房间内流动：

第一通过N-S方程（9）用计算流体力学方式肯定房间内空气流速散布，再按照方程（4）用数值方式求解空气龄。

所有这些方程都能够写成如下同一形式：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（9）

　　其中φ是通用变量，能够代表u,v,w等，ρ，，Sφ是密度，φ的扩散系数和源项。

详见表1。

　　　　　　　　　通用方程中各项的取值和含义　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1

φ

Sφ

1

0

0

u

ueff

V

ueff

W

ueff

K

Gk-ρε

ε

τρ

ρ

ueff=ul+utut=CDρk2/ε

　　方程中u，v，w等的边界条件前人已有说述，在此再也不赘言。

空气龄的边界条件如下表述[19]：

　　　　入口处：

　　　　　　　　　　　　　　　　　（10）

　　　　出口处：

　　　　　　　　　　　　　　　　（11）

　　3．2实际通风系统的综合计算

　　实际空调通风系统的方式多种多样。

送风房间数量能够是单个到几十个乃至上百个，AHU数量能够是一个或十和个，送风管路连接关系能够是枝状或环形。

对一般的复杂系统，虽然理论上能够把系统按组成元素划分，对每一个元素列出相应空气龄散布方程，再对这些方程进行联立求解，从而取得整个系统工程的全程空气龄参数；但在实际上如此处置极为困难。

原因主要在于现有计算流体力学软件对边界条件处置的局限性。

在上述通风系统的四种组成中，只有房间内流动需要进行数值计算。

当有回风系统存在时，房间送风口的边界条件就成为房间出风口处空气龄（尚需要通过数值计算求解）和新风在管路中空气龄增量（能够在数值计算前先计算出来）的线性组合。

即，方程（10）式在存在回风系统的数值计算中表现为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（12）

　　其中代表送风口处空气龄的值，是未知列微量，维数是送风口个数。

τ是房间中各个控制体的空气龄值，是未知列向量，维数是房间内控制体的个数。

P是矩阵，代表管道连接关系；C是列向量，代表管道空气龄增量；P和C都能够在数值计算之前求出（即在方程（12）中成为已知量）。

　　方程（12）所代表的边界条件是现有大部份计算充体力学软件都不能处置的，如需解决，必需亲自编写额外程序。

这就致使上述方式在实际应用中难以实现。

　　研究表明，在实际应用中能够采用迭法进行计算。

具体步骤为（以图1为例）：

（1）假设M1，M2等所有回风点空气龄数值（需大于0），然后按照方程（7）（8），计算送风口处空气龄值。

（2）通过数值计算求解房间内空气龄散布。

　　（3）依据排风口处的空气龄值计算出新的回风点空气龄。

　　（4）若新的回风点空气龄与上一轮迭代中空气龄之差在误差允许范围之内，计算结束。

不然返回第

（2）步。

　　在数学上能够严格证明，只要系统新风比不为0（不是全回风系统），上述方式的收敛性和相容性都是取得保证的。

空气龄迭代所占计算时刻远远少于求解速度场所需的时刻，因此该方式在速度上也是能够知足要求的。

　　虽然一般来讲，对通风系统的空气龄散布进行直接（非迭代）求解是超级困难的，但对一类简单情形，即单AHU系统（所有回风支路都汇于一点，如图2），存在一种简单的直接方式进行求解。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2　单AHU通风系统示用意

　　设f为系统新风比。

第一假设回风空气龄值τR1于R点。

沿气流运行方向，按照方程（7）（8），计算出空气龄τa1于S点。

按照τa1，通过数值运算求解房间空气龄散布τp1，并据此求出新的回风空气龄τR2。

则房间的实际空气龄散布：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（13）

　　图3，4显示了通过数值计算取得的一间带回风系统的房间全程空气龄散布和一样房间不考虑回风影响（即以为送风口处空气龄为0）的空气龄散布（房间空气龄）。

从中能够看出，二者不仅在数值大小上有专门大不同，而且散布形状也不尽相同。

这说明，与作为衡量房间内气流组织特性的参数概念的房间空气龄相较，全程空气龄还反映出通风系统的管路设计对室内空气品质的影响。

回风管路对全程空气龄散布的影响无法通过单纯对房间内流场的研究取得，必然要结合管路连接结构进行研究。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3某实际建筑部份空调管路及系统

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4房间空气龄散布

4结论

　　空气龄是作为评价房间气流组织的概念被提出的。

初期研究多采用示踪气体测量方式，近期数值计算方式逐渐开始兴起。

但前人研究一直局限在对单个房间的空气龄研究上。

在本文中，作者讨论了如何计算完整的实际空调系统中的空气龄，主要提出以下观点：

　　1．概念实际通风系统中综合考虑房间、AHU、回风系统间彼此影响所取得的空气龄散布为"全程空气龄"。

　　2．全程空气龄能够通过迭代法准确、快速的取得。

　　3．能够严格证明，上述方式的收敛性在非全回风系统中取得保证。

　　4．在取得普遍应用的单AHU系统中，对全程空气龄的计算还存在更简练的直接算法。

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