江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 摘要 目前，我國餐飲業(yè)廚房具有溫度高、油煙污染嚴重、氣流組織不合理等環(huán)境 特點，惡劣的廚房室內環(huán)境會影響工作人員的健康、降低工作效率。置換通風能 夠提供良好的氣流組織形式，提高空氣質量和熱舒適性，已應用于辦公、工業(yè)等 建筑設計中。本文首次在餐飲業(yè)廚房設計中采用置換通風方式，建立了模型廚房， 通過對模型廚房速度場和溫度場的模擬以及實驗測量，驗證了所選用數值方法的 可行性。在此基礎上以某實際廚房工程為研究對象，設計置換通風方式下不同的 送風參數，應用a i r p a r k 商業(yè)軟件主要通過數值模擬來分析廚房室內不同位置的速 度場、溫度場、二氧化碳濃度分布以及空氣年齡和p p d p m v 值等特征及規(guī)律。本 文的研究結果可為置換通風方式在餐飲業(yè)廚房建筑中的應用提供了有益探索。主 要研究內容及成果有： ： 1 總結了我國餐飲業(yè)廚房室內環(huán)境特點，分析了廚房室內環(huán)境的評價指標。 介紹了置換通風的發(fā)展狀況，在比較了混合通風與置換通風的設計特點后認為： 置換通風能夠提高室內空氣品質，增大通風效率等。 2 應用a i r p a r k 商業(yè)軟件對模型廚房進行了數值模擬，采用室內零方程模型， 并對物理模型進行一定簡化，假設廚房室內具有良好的氣密性。通過對比模型廚 房速度場和溫度場的模擬值與實測值，驗證了模型及計算方法的準確性，計算快 速、方法簡潔。 3 以實際工程廚房為模型，依據實際使用狀況對物理模型進行簡化，通過改 變不同送風參數包括送風速度和溫度設計了1 6 種通風方案進行數值模擬，分析了 室內氣流的速度場、溫度場以及二氧化碳濃度分布和空氣年齡特征等，比較了 p m v p p d 指標，由此分析研究置換通風在餐飲業(yè)廚房的適用性，以及不同參數對 室內空氣環(huán)境的影響。主要結論有： ( 1 ) 采用置換通風方式廚房室內整體氣流分布穩(wěn)定，人員呼吸區(qū)空氣較新鮮。 送風速度相同時，送風溫度越低，則工作區(qū)溫度越低，垂直溫度梯度越大；送風 溫度相同時，減小送風速度，則室內垂直溫度梯度會加大。為使大多數人沒有吹 冷風感，針對本文的1 6 種方案，設計送風速度應小于0 2 5 m s 。為減小垂直方向溫 差、提高舒適性，送風溫度不低于2 0 。c 。 ( 2 ) 采用置換通風方式送風溫度對二氧化碳濃度分布影響不大，但提高送風 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 速度能夠控制污染物分布走勢，有助于二氧化碳的排出。提高送風速度、降低送 風溫度會使p m v 值減小、p p d 值增大。 ( 3 ) 通過對模擬結果進行分析，得出：采用置換通風方式廚房室內氣流分布 合理、減少了污染物交叉感染，并且置換通風的通風效率均大于1 0 0 ，明顯高于 混合通風。 通過本文的研究，在餐飲業(yè)廚房這一特殊建筑類型中置換通風的優(yōu)越性得到 了充分體現，應用置換通風方式能夠有效去除室內余熱、改善廚房室內溫度與氣 流分布、提高室內空氣品質。在置換通風設計時，應嚴格控制送風參數，即送風 速度不能過高，送風溫度不能過低。 關鍵詞：餐飲業(yè)廚房，置換通風，數值模擬，速度場，溫度場 i i 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 a b s t r a c t t h ec h i n ac a t e r i n gk i t c h e ne n v i r o n m e n ti sf e a t u r e dw i t hh i g ht e m p e r a t u r e ，s e v e r e o i ls m o k ep o l l u t i o na n du n r e a s o n a b l ea i rd i s t r i b u t i o n t h ea b o m i n a b l ei n d o o ri nk i t c h e n c a na f f e c ts t a f f sh e a l t ha n dd e c r e a s ew o r k i n ge f f i c i e n c y d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n ， w h i c hc a ns u p p l yf a v o r a b l ea i rd i s t r i b u t i o na n di n c r e a s ea i r q u a l i t ya n dt h e r m a l c o m f o r t a b l e n e s s ，h a sb e e na p p l i e di nd e s i g n so fo f f i c ea n di n d u s t r yb u i l d i n g s t h e d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o ni sf i r s t l yu s e di nt h ed e s i g no fc h i n ac a t e r i n gk i t c h e ni nt h i s p a p e r t h ep h y s i c a lm o d e lf o ram o d e lk i t c h e ni se s t a b l i s h e d t h ec a l c u l a t i o nm e t h o di s p r o v e da c c u r a t eb yc o m p a r i n gb e t w e e nn u m e r i c a lr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so f v e l o c i t yf i e l d sa n dt e m p e r a t u r ef i e l d so fm o d e lk i t c h e n d i f f e r e n tv e n t i l a t i o np a r a m e t e r s a r ed e s i g n e df o rap r a c t i c a lp r o j e c tk i t c h e n n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ek i t c h e ni s e s t a b l i s h e db yu s i n ga i r p a r k t h ev e l o c i t y f i e l d s ，t e m p e r a t u r e f i e l d sa n dc 0 2 d i s t r i b u t i o n si nd i f f e r e n tp o s i t i o n sa r ea n a l y z e d ，a n dt h el a w so fa i ra g ea n dp p d p m v v a l u e sa r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t so ft h i sp a p e ra r ep r o v i d e db e n e f i d a le x p l o r a t i o nf o r t h eu s i n go fd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o ns y s t e mi nc a t e r i n gk i t c h e n t h em a i nw o r ka n d a c h i e v e m e n t sa r eo u t l i n e da sf o l l o w s ： 1 t h ei n d o o re n v i r o n m e n t a lf e a t u r e so fc a t e r i n gk i t c h e n si nc h i n aa r es u m m a r i z e d ， a n de v a l u a t i o ni n d i c a t o r so fi n d o o re n v i r o n m e n ti nk i t c h e na r ea n a l y z e d d e v e l o p m e n t s i t u a t i o n so fd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o na r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a n db yc o m p a r i n gt h e d e s i g nf e a t u r e so fd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o na n dm i xv e n t i l a t i o n ，i ti sf o u n dt h a tt h e d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o nc a ni n c r e a s ei n d o o ra i rq u a l i t ya n dv e n t i l a t i o ne f f i c i e n c y 2 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm o d e lk i t c h e ni se s t a b l i s h e du s i n ga i r p a r kw i t hz e r o e q u a t i o nm o d e l s t h ek i t c h e ni ss u p p o s e dt ob eac l o s e ds p a c e t h em o d e la n d c a l c u l a t i o nm e t h o di s p r o v e da c c u r a t e ，f a s ta n dc o n c i s eb yc o m p a r i n gb e t w e e n n u m e r i c a lr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so fv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ef i e l d so fm o d e l k i t c h e n 3 t h ep h y s i c a lm o d e li s s i m p l i f i e db yu s i n gc o n d i t i o no fap r a c t i c a lp r o j e c t k i t c h e n 1 6d i f f e r e n tv e n t i l a t i o np r o g r a m sa r e d e s i g n e d f o rs i m u l a t i o n st h r o u g h c h a n g i n gv e n t i l a t i o nc o n d i t i o n si n c l u d i n gv e n t i l a t i o nv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r e v e l o c i t y f i e l d s ，t e m p e r a t u r ef i e l d s ，c 0 2c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n sa n da i ra g ef e a t u r e sa r e a n a l y z e d ，a n dp m v p p d i n d i c a t o r sa r ea l s o c o m p a r e d t h ea p p l i c a b i l i t y o f d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o nu s i n gi nc a t e r i n gk i t c h e na n d t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tv e n t i l a t i o n p a r a m e t e r so ni n d o o re n v i r o n m e n ta r ef i n a l l ya n a l y z e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea s i i i 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 f o l l o w s ： ( 1 ) t h ei n t e g r a t e da i rf l o wd i s t r i b u t i o n sa r es t a b l e ，a n da i ri nh u m a nb r e a t h i n ga r e a i sf r e s hb yd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n t h ew o r k i n ga r e at e m p e r a t u r ei sd e c r e a s e da n dt h e v e r t i c a lt e m p e r a t u r eg r a d i e n ti si n c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s i n ga i rs u p p l yt e m p e r a t u r e u n d e rt h es a m ea i rs u p p l yv e l o c i t y t h ev e r t i c a lt e m p e r a t u r eg r a d i e n ti si n c r e a s e dw i t h t h ed e c r e a s i n ga i rs u p p l yv e l o c i t yu n d e rt h es a m ea i rs u p p l yt e m p e r a t u r e a n dd e s i g n e d a i rs u p p l yv e l o c i t ys h o u l db el e s st h a n0 2 5 m st oa v o i dc o l db l o wf e e l i n gf o rm o s to f p e o p l e a i rs u p p l yt e m p e r a t u r es h o u l da l s qb en o tl e s st h a n2 0 。cf o rd e c r e a s i n g v e r t i c a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n di n c r e a s i n gc o m f o r t a b l e n e s s ( 2 ) t h ev e n t i l a t i o nt e m p e r a t u r eh a sl i t t l ee f f e c to nc 0 2c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n b yu s i n gd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n p o l l u t a n td i s t r i b u t i o n i sc o n t r o l l a b l ea n dc 0 2 d i s c h a r g i n gi s c o n t r i b u t e db yi n c r e a s i n gv e n t i l a t i o nv e l o c i t y i na d d i t i o n ，i n c r e a s i n g v e l o c i t ya n dd e c r e a s i n gt e m p e r a t u r ew i l l d e c r e a s ep m vv a l u e sa n di n c r e a s ep p d v a l u e s ( 3 ) t h er e s u l t s ，o b t a i n e db yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，s h o wt h a tt h ei n d o o r a i rf l o wd i s t r i b u t i o no fk i t c h e ni sr e a s o n a b l e ，a n dp o l l u t a n t so fc r o s s i n f l e c t i o n sa r e d e c r e a s e d b yu s i n gd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o nm e t h o d i na d d i t i o n ，a i re x c h a n g e e f f i c i e n c yo fd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o ni sh i g h e rt h a n1 0 0 ，w h i c hi so b v i o u s l yh i g h e r t h a nt h a to fm i xv e n t i l a t i o n t h ec a t e r i n gk i t c h e ni sas p e c i a lc o n s t r u c t i o n t h ea d v a n t a g e so fd i s p l a c e m e n t v e n t i l a t i o na r ef u l l yr e f l e c t e di nc a t e r i n gk i t c h e n r e s i d u a lh e a ti se f f e c t i v e l yr e m o v e d ， a n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n da i rq u a l i t ya r ea l s oi m p r o v e db yu s i n gd i s p l a c e m e n t v e n t i l a t i o n v e n t i l a t i o np a r a m e t e r sm u s tb es t r i c t l yc o n t r o l l e dt oa v o i de x c e s s i v eh i g h v e l o c i t ya n ds h a r p l yl o wt e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：c a t e r i n gk i t c h e n ，d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， v e l o c i t yf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d i v 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定， 同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權江蘇大學可以將本學位論文的全部 內容或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復制手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于 保密口，在年解密后適用本授權書。 不保密囪。 學位論文作者簽名：緲 扣。年占員黽 指導教師簽名：爹利 砂7o 年6 其| f b 獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨 立進行研究工作所取得酊成果。除支中已注明引用的內客以外，本論 文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文 的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本 人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 學位論文作者簽名：形渺 日期：p 年鉑日 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 第一章緒論 1 1 課題的研究目的和意義 近年來，隨著我國節(jié)能型社會的建設，公眾健康和環(huán)保的意識日益增強，餐 飲業(yè)的發(fā)展也必需與環(huán)境保護、能源節(jié)約、健康結合起來。然而目前餐飲業(yè)廚房 舒適性差、能耗高的問題還沒有受到足夠關注。中餐廚房內大多使用高溫油炸、 煎、炒等操作來烹飪菜肴，高溫熱源使工作區(qū)環(huán)境溫度很高，局部可達4 0 。c 。6 0 。c ， 烹飪油煙擴散至空氣中也加重了室內環(huán)境污染。對于廚師和其他從業(yè)人員來說， 惡劣的環(huán)境會使人員工作效率降低，且嚴重的空氣污染對人體健康的危害也不容 忽視，目前傳統的混合通風系統尚不能很好地解決這一問題【1 2 j 。為了改善廚房的 工作環(huán)境，提高廚房舒適性，控制室內的氣流組織就非常關鍵，也即通過一種有 效的通風方式來改善廚房室內空氣質量，排除室內污染物，消除或減少這些物質 對人們健康的危害。 置換通風能夠提供一種新型的氣流組織形式，有效降低餐飲業(yè)廚房的油煙污 染，改善餐飲業(yè)廚房工作環(huán)境的空氣質量和舒適性，降低通風系統的能耗，提高 餐飲業(yè)廚房系統的設計水平。目前對置換通風的應用研究主要集中在辦公室、體 育建筑、劇院建筑、工業(yè)建筑等，在餐飲業(yè)廚房建筑中的應用研究則尚未見報道。 論文首次探討將具有有效提高室內空氣品質、節(jié)約能源等優(yōu)點的置換通風方式 引入到餐飲業(yè)廚房的設計中，對推動我國餐飲業(yè)廚房設備更新和暖通工程行業(yè)的 技術進步具有重要的經濟、社會和環(huán)保意義。 1 2 餐飲業(yè)廚房室內環(huán)境特點 由于中餐烹飪過程的獨特性，我國餐飲業(yè)廚房室內的環(huán)境具有其自身特點： 1 2 1 油煙污染 烹飪過程中的污染物是以油煙形式排放的，油煙中含有烹飪排放出的氮氧化 物、顆粒物、脂肪酸、烷烴、醛等有害物質【3 釧。研究人員曾對長期接觸烹飪油煙 的老鼠進行研究，發(fā)現其肺部受到損傷：也曾對較長時間接觸烹飪油煙的志愿者 1 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 肺功能進行測試，結果表明油煙對呼吸道有強烈的刺激作用，致使黏膜損傷，同 時對機體免疫功能有一定的抑制。另有研究證明：較高濃度的油煙氣具有肺臟毒 性；油煙污染物中的多環(huán)芳烴類( p a h ) 等屬致癌物質，我國婦女患肺癌比例高 也與高溫烹飪所產生油煙有關【5 羽。油煙中部分有害物質對人體的危害見表1 1 。 可見，我國餐飲業(yè)廚房油煙污染嚴重，其所含化學成分對人體肺臟毒性、免 疫毒性以及致癌性的健康危害應引起高度重視。因此，為了廚房工作人員的健康， 應有效排除油煙污染物。 表i - i 油煙中部分有害物質對人體的危害 有害物質對人體的危害 二氧化碳當空氣中含量大于5 及含氧量不足1 5 ，出現胸悶、頭痛、呼吸困難 二氧化硫與空氣中水生成硫酸和硫酸，刺激上呼吸道，對設備有腐蝕作用 一氧化碳低濃度時引起頭痛頭暈、眼花、乏力、惡心；高濃度接觸有生命危險 氮氧化物形成變形血紅蛋白的，危害神經系統，導致呼吸道和支氣管炎癥 1 2 2 空氣余熱 中國烹飪多采用炒、炸、煎等技術。烹飪熱菜的過程中，廚師不但受到油煙 氣的威脅，而且受到高溫爐火熱輻射的侵害。爐灶熱源熱散發(fā)量大，使得廚房處 于高溫狀態(tài)，這將惡化廚房內的空氣品質，導致污染加重，空氣余熱很大。 為營造良好的廚房室內工作環(huán)境，室內應具有舒適的溫度，需有效排除室內 余熱余濕。 1 2 3 氣流組織 由于廚房的特殊工作性質，室內陳列櫥柜器具較多，且通常沿建筑墻周及居中 布置，因而室內環(huán)境復雜。由灶臺的高度可知廚房內熱源主要分布在1 0 m 以上， 且油煙污染物隨熱氣流上升蔓延至房間中上部，使得工作人員的呼吸帶處于溫度 高、污染物濃度大的區(qū)域，室內氣流組織較差。為排除污染物、提高廚房室內的 環(huán)境質量，就要改善現有的室內氣流組織形式。 2 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 1 2 4 全天負荷 廚房室內負荷包括烹飪負荷、廚房設備負荷、人員負荷、飯菜負荷等。圖1 1 為典型餐飲業(yè)廚房全天室內負荷分布示意圖，從圖中可以發(fā)現餐飲業(yè)廚房在午餐 1 1 至1 2 點以及晚餐1 7 至1 9 點的用餐高峰時間段內，烹飪過程及飯菜散熱量大大 增加，致使室內空調負荷峰值大，而在非就餐工作時間廚房設備運作較少其負荷 迅速減小叼，全天室內負荷變化較大。 j d 捏 g k ；0 _ _ i 一壽八_ - ： - _ 一一：一： i 、 o51 01 52 02 5 x 時間h 圖1 1 廚房操作間全天負荷分布示意圖 根據以上廚房室內自身的特點，為餐飲業(yè)廚房工作人員營造滿意的廚房熱舒 適性，需要在實際工程中對通風系統做更好的設計，有效除去余熱，降低該區(qū)域 的溫度以及污染物濃度，使其能夠保證廚房室內空氣始終處于良好的環(huán)境下。 1 3 置換通風和混合通風方式原理 ， 目前餐飲業(yè)廚房的通風系統均采用混合通風方式，這是傳統的氣流組織形式。 混合通風是以稀釋理論為基礎，氣流組織大多為上送上回?；旌贤L方式氣流組 織原理如圖1 2 所示。將一定量處理過的空氣由設在房間上部的送風口送出，基于 射流原理新鮮空氣在整個房間內回旋運動，廚房內的渾濁空氣充分混合，并通過 排風口將部分污染物排出室外，最終形成了與排風狀態(tài)接近的空氣環(huán)境，因此也 可稱其為稀釋通風。從混合通風的原理可知，其污染物排放效率有限。在實際工 程應用中，由于送風位置、送風方式、送風比例、操作區(qū)風速設計不合理等諸多 因素，室內污染物排放效率更低，廚房工作人員工作環(huán)境惡劣，因而有必要對餐 飲業(yè)廚房烹調操作間通風系統進行研究。 3 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 圖1 - 2 混合通風方式原理圖 置換通風是一種污染物排放效率高的通風方式，其氣流組織原理及流態(tài)如圖 1 3 和圖1 4 所示。置換通風是將一定量處理過的空氣以低風速在房間下部送風【8 - 9 】， 送入室內的新鮮空氣首先進入工作區(qū)，在下部形成空氣層，通過誘導作用與室內 空氣混合，吸收工作區(qū)的負荷。在后繼送風的推動以及室內熱氣流的對流作用下 空氣自下向上流動，形成室內空氣運動的主導氣流，氣流流動形式類似于活塞流 推動，將污染物推離工作區(qū)，最終由設在房間上部的排風口排出。置換送風以密 度差為一個動力源，符合熱氣流上升和冷氣流下沉的原理，使得室內熱渾濁空氣 在浮力推動下不斷上升卷吸其周圍空氣。在氣流的卷吸、送風的推動以及排風口 的抽吸作用下，進入室內的新鮮空氣將廚房內有害的油煙污染物推出室內，從而 置換室內受污染的空氣【協1 1 】。由于室內無交叉氣流，排風罩也能更有效地捕捉油 煙氣，從而提供更好的室內空氣品質。 圖1 - 3 置換通風方式原理圖 4 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 圖1 4 置換通風流態(tài)示意圖 置換通風與混合通風方式在通風原理上有本質區(qū)別，因此在設計目標、氣流 動力、氣流分布特性、技術措施等方面存在一系列差異【1 2 1 。兩種通風方式的系統 比較如表1 2 所示。 表1 2 置換通風與混合通風方式比較 通風方式 比較 置換通風混合通風 設計目的工作區(qū)環(huán)境滿足要求全室內環(huán)境均勻 通風動力源密度差浮力控制機械通風為主流動控制 通風機理氣流擴散浮力上升氣流強烈混合 下側送上回上送下回 風速低溫差小風速高溫差大 送風特性 分層、擴散性好摻混性強 紊流系數小紊流系數大 工作區(qū)位于同流區(qū) 工作區(qū)位于送風區(qū) 空氣品質 空氣品質接近同風空氣品質接近送風 通風負荷工作區(qū)負荷全室負荷 從表1 2 中可知，置換通風方式優(yōu)于傳統混合通風?；旌贤L方式工作區(qū)紊流 強度較高，存在吹風危險，而置換通風工作區(qū)紊流強度較低，從而降低了吹風危 險。置換通風為側下送風，室內氣流分布存在垂直溫差，呈下冷上熱趨勢，會引 起人足踝處不適，有吹冷風感。設計時候要控制溫度場、速度場以避免該問題。 5 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 1 4 國外置換通風發(fā)展概況 1 4 1 置換通風設計方法研究 國外置換通風研究較早，也較深入。目前已有兩本置換通風設計手冊，一是 歐洲供熱、空調協會聯合會( r e h v a ) 組織編寫的( ( d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o ni n n o n i n d u s t r i a lp r e m i s e s ) ) ，另一個是美國供熱、制冷、空調工程師協會( a s h r a e ) 制定的 s y s t e mp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n dd e s i g ng u i d e l i n ef o rd i s p l a c e m e n t v e n t i l a t i o n ) ) 。 e l i s a b e t hm u n d t 等【1 3 - 1 5 】對大量典型空間進行了實驗，研究位于1 1 m 和1 8 m 之 間的羽流值，將由該值計算所得的滿足房間熱舒適的送風量與滿足衛(wèi)生要求的最 小風量比較，大值作為置換通風的送風量，再考慮一些溫度及梯度來計算送風溫 t 度。美國的y u a n 等 1 6 - 1 8 】通過大量的c f d ( c o m p u t a t i 。o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 模擬來 總結設計方法，詳細測量了教室、大辦公室和小辦公室三種典型房間，建立c f d 程序，采用r n gk - e 模型，設置5 6 個不同邊界條件對房間進行c f d 模擬，建立 了置換通風溫度分布的數據庫；通過傳熱分析建立了計算頭腳溫差和呼吸區(qū)通風 效率的公式，并由房間溫度分布的數據庫確定了該公式中的系數，由此建立起了 一套置換通風的設計方法。a l e x a n d e r 等【1 9 】通過大量的實驗得到了一種置換通風的 設計方法。該方法主要是把傳熱通過比例系數分成對流和輻射，而對流和輻射又 由系數分成向上和向下兩部分，這些系數主要是通過大量實驗得到。挪威的 s i n t e f ( t h ef o u n d a t i o nf o ri n d u s t r i a la n dt e c h n i c a lr e s e a r c ha tt h en o r w e g i a n i n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 對已有的置換通風系統進行了大量實地測試，并提出了幾 種典型場所置換通風系統的設計原則【刎。由法國最大的企業(yè)之一法國電力 ( e d f ) 資助法國第三大國立實驗室l e t ( l a b o r a t o i r ed te t u d e t h e r m i q u e ) 針對置 換通風進行了全面、系統的研究。建立了置換通風實驗臺，并對置換通風系統影 響因素進行了細致的計算機仿真研究，為置換通風系統的合理設計提供依據【8 1 。 1 4 2 熱舒適性 影響室內環(huán)境舒適性的主要因素有：溫度梯度和吹風感。 f a n g e r l 2 0 - 2 1 】建立了置換通風房間模型方程，用來描述由吹風引起的不舒適性。 6 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 指出通常房間工作區(qū)大部分位置平均湍流強度約為2 0 ，在沒有湍流強度數據的 時候便可以利用該模型。c h r i s t e n s e n 等【2 2 】測量了2 0 。c 、2 3 。c 、2 6 。c 下不同風速 引起吹風感的百分率。評價人體頸部、手臂、足部、腳踝的不滿意百分率，指出 設計時要特別注意到不穿鞋的建筑場合。m e l i k o v 等瞄】對1 8 個應用置換通風系統 的房間內吹風感和溫度梯度引起的熱不舒適性進行研究，研究對象為靜坐位置的 工作人員，評價環(huán)境的舒適性參數，指出在房間較低位置特別是在靠近風口處存 在局部熱不舒適性，該處的吹風危險和垂直溫度差較大。l i uy u 等【刎做了工作區(qū) 、 垂直溫度梯度研究，試驗結果表明：工作區(qū)溫升不但與綜合冷負荷有關，還與送 風量和送風口擴散特性有關。n i e l s e n l 矧針對腳踝處吹風感對置換通風的送風口作 了大量研究，得到了地板附近的速度分布，對評價腳踝處吹風感提供了計算依據。 p a r k 等【2 6 】通過實驗和流場測試建立了垂直溫差模型，該模型把溫度垂直方向近似 為線性變化，將地板附近空氣溫度近似為送風溫度和排風溫度之和的一半。這種 溫度梯度模型仍舊應用在歐洲建筑的室內置換通風設計中。z h a n g 等【2 7 】對辦公室、 教室、零售商店和工廠車間的2 9 種工況進行了模擬，加入了p m v ( p r e d i c t e dm e a n v o t e 預測平均投票數) 以及p p d ( p r e d i c t e dp e r c e n t a g eo fd i s s a t i s f i e d ：預測不滿 意百分數) 評價標準模型，綜合分析置換通風房間的熱舒適性情況。r e e s 等【2 8 】采 用冷卻頂板和置換通風相結合的辦法來加強置換通風方式的制冷能力，改進了室 內溫度梯度和安裝位置的限制。 1 4 3 空氣品質 室內空氣品質主要考慮：污染物濃度、空氣年齡以及通風效率。 m a t h i s e n 等人【2 9 】對置換通風的通風效率和室內空氣品質進行了研究。一些通 風效率的新概念被定義并應用于實踐中，如空氣齡、空氣齡分布等；建立了一個 理論區(qū)模型，用來研究污染物的排出，定義室內通風效率。研究表明置換通風比 傳統混合通風具有更高的通風效率。n a g d a 3 0 l i ns t y m n e 等【3 1 】對污染源擴散模式進 行了研究，指出污染物濃度在垂直和水平方向上變化很大，認為人呼吸的空氣是 來自于周圍一層保護性的對流邊界層，即呼吸的是比呼吸區(qū)更低位置的清潔空氣。 m u r a k a m i 等【3 2 - 3 3 】提出由于熱浮力的作用將新鮮空氣帶入呼吸區(qū)，使得在相同高度 上呼吸區(qū)污染物的濃度比遠離人體的區(qū)域低，這個結論已通過c f d 模擬進行驗證。 7 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 p e r s i l y l 3 4 】用室內c 0 2 濃度估計室內空氣品質和通風狀況，計算了建筑空間內換氣 效率。b j o r n 等【3 5 】通過實驗研究證明：置換通風下人員劇烈運動狀態(tài)時的呼吸對垂 直污染物濃度的分布會產生較大影響。y u a n 等【3 6 】建立了置換通風下溫差和通風效 率的計算模型，為系統的合理設計提供了依據，同時為置換通風在美國建筑中的 應用提供了指導。x i n g 等【3 7 】試驗并模擬了帶有人體模特和其他熱源的置換通風房 間室內環(huán)境，研究了呼吸區(qū)空氣品質的不均勻性，綜合分析了不同負荷房間不同 位置的空氣齡，研究發(fā)現工作區(qū)人員實際感受的空氣品質比工作區(qū)內的平均數值 要高。h a y a s h i 等【3 8 】借助c f d 技術對平臥、靜坐、站立不同狀態(tài)下的人體周圍氣 + ， 流分布進行了模擬。z h a n g 等【3 9 】用c f d 方法對采用置換和混合通風方式的辦公室、 教室、零售商店和工廠車間進行模擬，以c 0 2 濃度為主要評價指標分析污染物分 布，比較得出置換通風排污能力的優(yōu)勢，但沒有考慮顆粒污染物。h o l m b e r g 等【刪 用c f d 方法模擬顆粒濃度、熱環(huán)境，研究表明：在人們活動較為頻繁的呼吸區(qū)能 夠發(fā)現高濃度的可吸入性顆粒物，由于送風和人員走動很容易引起地板沉積物和 懸浮顆粒物的擾動，這些顆粒物進入對流氣流后，從房間底部擴散到整個房間， 長期處于其中危害人體健康。 1 4 4 應用領域 2 0 世紀4 0 年代歐洲人b a t u r i n 對置換通風進行研究，最早在斯堪的納維亞( 北 歐的瑞典、挪威、丹麥、冰島等國) 地區(qū)開始實踐應用。2 0 世紀7 0 年代置換通風 主要應用在工業(yè)領域，到2 0 世紀8 0 年代在歐洲己被應用在非工業(yè)的民用和商業(yè) 領域，到1 9 8 9 年，置換通風在北歐國家已經占據了約5 0 的工業(yè)空調市場和2 5 的辦公室民用市場【4 3 1 。2 0 世紀8 0 年代歐洲興起了置換通風技術的研究和工程實 際的應用。s e p p a n e n 等【4 4 】對美國辦公室建筑分別應用置換通風系統和混合通風系 統，比較不同控制策略下的情況，認為置換通風難以精確估計系統的初投資。c h e n 等【4 5 】分析了荷蘭的置換通風辦公室，研究室內空氣熱環(huán)境的垂直溫度梯度，置換 通風的送風溫度比混合通風高。2 0 世紀9 0 年代日本和美國為了改善室內空氣品質， 也開始研究置換通風，并結合自己的氣候和建筑特點進行了大量的實驗研究和數 值模擬，為置換通風在美國和日本的推廣應用打下了基礎。日本的n i s h i o k a 等【蛔 對一個帶有穹頂的大型運動場的置換通風系統進行了室內熱環(huán)境測量和評價。 8 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 1 5 國內置換通風發(fā)展概況 我國對置換通風的研究只是在近十幾年，是在引進北歐技術的基礎上進行的。 1 5 1 熱舒適性 西安建筑科技大學馬仁民教授【4 7 】對單熱源置換通風系統中的熱力分層高度、 垂直溫度分布和送風量計算等問題進行了理論研究，討論了通風有效性與空氣分 布特性的相關性，分析了混合通風通風效率低于置換通風的原因。根據大量的實 驗數據，提出了熱力分層高度的計算、地面空氣層溫升和工作區(qū)溫升的確定等問 。題。中國建筑科學研究院空調節(jié)能研究所的孟廣田等1 4 8 1 歹0 出了熱舒適指標，利用 熱舒適圖對置換通風的吹風感和垂直溫差進行了分析，為置換通風的熱舒適評價 提供了參考。東華大學倪波副教授【舡5 0 】通過對單一熱源、雙熱源置換通風情況下 的垂直方向溫度梯度和三維溫度場進行了實驗測試，并對不同圍護結構和不同的 外環(huán)境溫度也做了對比實驗，結果表明：置換通風的微熱環(huán)境能提供居住者整體 舒適感，而在肢體下部風感不滿意率小于1 5 。華中科技大學的張俊梅掣5 1 】應用 c f d 方法對單一污染源置換通風系統的參數設計進行了研究，提出了一些參數的 確定方法，使得既能保證室內較高的空氣品質，又能防止出現垂直溫差過大和產 生吹風感等現象。同濟大學的劉傳聚等【5 2 】采用乜s 雙方程模型和s i m p l e 算法，對 單熱源室內二維氣流的速度場、溫度場及濃度場進行了模擬，計算了通風效率、 溫度效率等指標。但由于計算模型中的一些系數是基于實驗取得的，適用范圍有 限。同濟大學李強民教授【4 2 】對置換通風原理與設計做了較詳細的闡述，并利用熱 舒適圖對置換通風的熱舒適問題、吹風感和垂直溫差進行了分析，同時還對置換 通風與冷卻頂板的結合使用進行了分析，指出兩者結合使用可提高人體熱舒適性 和室內空氣品質，并帶來明顯的節(jié)能效果。天津大學的張帆【5 3 】和朱能等【5 4 】把置換 通風系統與冷卻頂板相結合，由冷卻頂板承擔部分負荷，使置換通風的理論研究 和實際應用更向前推進了一步。徐來福和李先中等【5 5 。5 6 1 進一步研究表明：當頂板 表面溫度低于室內空氣的露點溫度時，頂板就會結露，因而又提出采用地板供冷 和置換通風復合的空調系統，但其可行性還有待探討。另外，洪武開鯽和鞠碩華 等【5 8 】對置換通風的應用進行了一定的定性分析，有一定的參考價值。 9 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 1 5 2 應用領域 置換通風在國內的應用性研究主要集中在辦公室、教室、體育場館、影劇院、 高大工業(yè)等建筑中，而在其它建筑中的應用研究較少。東華大學的岑鳴等【5 9 1 針對 上海體育館置換通風設計，采用相同的原始數據與設計參數，按照現行的暖通規(guī) 范與混合通風設計做了比較，結果表明：置換通風在室內空氣品質和節(jié)能上具有 優(yōu)勢。倪波教授還和秦孟昊【刪針對紡織廠空氣調節(jié)的具體情況，借助c f d 手段， 研究了置換通風在紡織廠的應用。屈國倫【6 i 】對置換通風在廣州市新體育館的應用 做了介紹，并分析了存在的問題，指出置換通風在我國應用中存在的問題：缺乏 規(guī)范與設計依據、新風量的確定有很大的誤差以及人滿時溫度梯度有偏差。北京 市建筑設計研究院的孫敏生等【6 2 】介紹了國家大劇院的置換通風方案，通過對置換 通風和空調系統下送風方式的分析和實測，總結出了下送風氣流組織的設計方法。 同濟大學建筑設計研究院的陳維陽等【6 3 】應用c f d 模擬對某校區(qū)報告廳進行了置換 通風設計與分析。 從已有置換通風的應用實例看，我國應用地域遍及上海、南京、杭州、武漢、 北京、西安等不同的氣候環(huán)境地區(qū)。應用場所主要集中在辦公室、體育建筑、劇 院建筑、報告廳、工業(yè)建筑等【4 1 徜】如表1 3 所示。目前置換通風在商場建筑中 的研究較少，在餐飲類建筑中還未見報道。 表1 3 置換通風在我國建筑的應用領域 建筑領域場地設計 法國方案 國家大劇院 北京市建筑設計研究院設計 法國方案 上海大劇院華東建筑設計研究院設計 劇院 同濟大學實驗研究 西安大劇院 中國西北建筑設計研究院設計 烏魯木齊新中劇院 烏魯木齊建筑設計院 杭州大劇院杭州市建筑設計研究院設計 上海大眾汽車有限公司 德國方案 工業(yè)廠房 上海機電設計研究院設計 上海a t & 5 - e 程同濟大學設計院設計 1 0 江蘇大學碩士學位畢業(yè)論文 ( 續(xù)前表) 南京愛立信中國電子工程設計院設計 上海科技城上海民用建筑設計研究院設計 日本磯崎新設計室 深圳文化中心音樂廳 北京市建筑設計研究院 會展、大廳 上海國際工業(yè)博覽會德國設計 浙江省人民大會堂浙江省規(guī)劃設計院設計 廈門國際機場華東建筑設計研究院設計 蘇州體育中心天津建筑設計院設計 體育館廣州九運會體育館 廣東設計院設計 湖州體育館浙江湖州設計院 上海愛康公司同濟大學設計 辦公室 中國銀行阜陽分行合肥t 大設計院