1．引言

　　近年來，一種新的通風(fēng)方式--置換通風(fēng)在我國(guó)日益受到設(shè)計(jì)人員和業(yè)主的關(guān)注。這種送風(fēng)方式與傳統(tǒng)的混合通風(fēng)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(fēng)效率。1978年德國(guó)柏林的一家鑄造車間首次采用了置換通風(fēng)系統(tǒng)，從這以后，置換通風(fēng)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(guó)家，現(xiàn)在大約50％的工業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)采用了置換通風(fēng)系統(tǒng)，大約25％的辦公室通風(fēng)系統(tǒng)采用了置換通風(fēng)系統(tǒng)。在中國(guó)，也有一些工程開始采用置換通風(fēng)系統(tǒng)，并取得了一些令人滿意的結(jié)果。

2．置換通風(fēng)的原理與特點(diǎn)

　　置換通風(fēng)以低速在房間下部送風(fēng)，氣流以類似層流的活塞流的狀態(tài)緩慢向上移動(dòng)，到達(dá)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(gè)區(qū)域：下部單向流動(dòng)區(qū)和上部混合區(qū)。空氣溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)在這兩個(gè)區(qū)域有非常明顯的不同特性，下部單向流動(dòng)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(chǎng)和濃度場(chǎng)則比較均勻，接近排風(fēng)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(fēng)速度極小且送風(fēng)紊流度低，即可保證在工作區(qū)大部分區(qū)域風(fēng)速低于0.15m／s，不產(chǎn)生吹風(fēng)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(gè)相對(duì)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(fēng)形式不再完全受送風(fēng)的動(dòng)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(fēng)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(gè)熱濁空氣層。根據(jù)連續(xù)性原理，在任一個(gè)標(biāo)高平面上的上升氣流流量Qp等于送風(fēng)量Qs與回返氣流流量Qr之和。因此必將在某一個(gè)平面上煙羽流量Qp正好等于送風(fēng)量Qs，在該平面上回返空氣量等于零。在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，這個(gè)界面將室內(nèi)空氣在流態(tài)上分成兩個(gè)區(qū)域，即上部紊流混合區(qū)和下部單向流動(dòng)清潔區(qū)。置換通風(fēng)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(dāng)前暖通空調(diào)界面臨的兩大課題，而置換通風(fēng)能在一定程度上較好地解決這兩個(gè)問題。

(1)為了在工作區(qū)獲得同樣的溫度，置換通風(fēng)系統(tǒng)所要求的送風(fēng)溫度高于混合通風(fēng)，這就為利用低品位能源以及在一年中更長(zhǎng)時(shí)間地利用自然通風(fēng)冷卻提供了可能性，以達(dá)到節(jié)能的效果。根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，置換通風(fēng)與混合通風(fēng)相比，可以節(jié)約20％一50％的制冷耗費(fèi)。

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

3．置換通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)室內(nèi)溫度tn及工作區(qū)溫度梯度的確定

　　置換通風(fēng)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(duì)坐姿人員如辦公、會(huì)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(dòng)狀態(tài)確定。由于置換通風(fēng)在我國(guó)尚屬起步階段，現(xiàn)有的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)及暖通設(shè)計(jì)規(guī)范尚未作出規(guī)定?，F(xiàn)推薦歐洲及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)數(shù)據(jù)，如表2所列。

(2)送風(fēng)溫度的確定

送風(fēng)溫度由下式確定：
ts＝t1.1+Δtn((1-k)/c-1) (1)
式中：
ts--送風(fēng)溫度，tp--排風(fēng)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(fēng)量的確定

根據(jù)置換通風(fēng)熱力分層理論，界面上的煙羽流量與送風(fēng)流量相等。
Qs＝Qp m3／h (2)
當(dāng)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(duì)流卷吸系數(shù)(由實(shí)驗(yàn)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(shí)的分層高度Zl＝1.1m，站姿時(shí)的分層高度Z2＝1.8m。

(4)送排風(fēng)溫差的確定

　　當(dāng)室內(nèi)發(fā)熱量已知，送風(fēng)量已確定的情況下，送排風(fēng)溫差是可以計(jì)算得到的。在置換通風(fēng)的房間內(nèi)，在滿足熱舒適性要求條件下，送排風(fēng)溫差隨著頂棚高度的增高而變大。歐洲國(guó)家根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)確定了送排風(fēng)溫差與房間高度的關(guān)系，如下表所列

表4 送排風(fēng)溫差與房間高度的關(guān)系

4．置換通風(fēng)的末端送風(fēng)裝置

(1)第一代置換通風(fēng)末端送風(fēng)裝置

　　第一代置換通風(fēng)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(shí)際應(yīng)用中是在送風(fēng)分布器的出口處裝過濾網(wǎng)，并在送風(fēng)器內(nèi)設(shè)置一例置的錐形布袋，這樣就保證了送風(fēng)的均勻性。送風(fēng)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(fēng)的出口風(fēng)速低，送風(fēng)溫差小的特點(diǎn)導(dǎo)致置換通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量大，它的末端裝置體積相對(duì)來說也較大。第一代置換通風(fēng)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(fēng)末端裝置一般均為落地安裝。當(dāng)某地高級(jí)辦公大樓采用夾層地板時(shí)，置換通風(fēng)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(jī)械設(shè)備及產(chǎn)品零件的運(yùn)輸，置換通風(fēng)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(fēng)量的場(chǎng)合并可布置在房間的中央。同濟(jì)大學(xué)與上海泰山通風(fēng)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(fēng)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(fēng)裝置

　　第二代末端送風(fēng)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(fēng)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(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷及小部分冷負(fù)荷主要由置換通風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)，室內(nèi)大部分冷負(fù)荷由冷卻吊頂通過冷輻射來承擔(dān)。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(duì)消減室內(nèi)垂直溫度梯度具有明顯作用。置換通風(fēng)與冷卻吊頂結(jié)合的精確設(shè)計(jì)、施工和管理可以創(chuàng)造出一個(gè)既無吹風(fēng)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(huì)有其一席之地的。

(3)第三代末端送風(fēng)裝置

　　第三代末端送風(fēng)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(fēng)的冷卻能力。噴射器的安裝位置可以在送風(fēng)末端裝置內(nèi)也可在送風(fēng)管道內(nèi)。室內(nèi)空氣與一次空氣的大量摻混，可能會(huì)帶來?yè)Q氣效率的下降，但只要將空氣的混合限制在人員活動(dòng)區(qū)域，其通風(fēng)效率、換氣指數(shù)還是要比傳統(tǒng)的混合通風(fēng)方式高。第三代送風(fēng)裝置正處于研制、開發(fā)應(yīng)用階段。

5．置換通風(fēng)在工程中的實(shí)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(gè)工段均采用置換風(fēng)的空調(diào)通風(fēng)方式。為了不影響車間的有效使用面積，置換通風(fēng)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(tái)上，空調(diào)回風(fēng)直接回到空調(diào)設(shè)備的回風(fēng)口處(不接回風(fēng))，在吹塑工段頂部另設(shè)有排風(fēng)機(jī)。將熱量及污濁空氣外排。由于該項(xiàng)目為外方概念設(shè)計(jì)，工藝備有關(guān)情況不祥，但分切制袋工段的冷負(fù)荷指標(biāo)僅為86W／m²，單位風(fēng)量指標(biāo)為20～25m3/m². h，從這些指標(biāo)來看，比混合式空調(diào)通風(fēng)方式指標(biāo)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(tuán)合資建立的。按照瑞典廠房的標(biāo)準(zhǔn)，其主要廠房的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)采用了置換通風(fēng)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(fēng)口送風(fēng)的置換通風(fēng)方式。系統(tǒng)的送風(fēng)管沿兩邊側(cè)墻布置，通過送風(fēng)立管連通到每個(gè)末端送風(fēng)口，回風(fēng)管布置在吊頂內(nèi)，位于房間的中軸線上，排風(fēng)通過屋頂風(fēng)機(jī)排至室外。每個(gè)車間內(nèi)布置落地式半圓柱風(fēng)口29個(gè)，回風(fēng)口(1000×300)15個(gè)，排風(fēng)口(Φ320) 18個(gè)。每個(gè)風(fēng)口的送風(fēng)量為1931m3／h，冷負(fù)荷指標(biāo)為233w／m²，熱負(fù)荷指標(biāo)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(fēng)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(jì)研究院所設(shè)計(jì)的幾個(gè)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(bǔ)風(fēng)均使用了置換通風(fēng)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(duì)于一些有熱源的高大廠房，因?yàn)檐囬g跨度大，采用自然進(jìn)風(fēng)屋頂排風(fēng)的方式，往往通風(fēng)效果欠佳，如果采用置換通風(fēng)，則將提高整個(gè)車間的通風(fēng)效果。

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

通風(fēng)設(shè)備網(wǎng)：http://www.boshiwj.com