小識-置換通風

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置換通風，英文叫做Displacement Diffusing,在中國和美國應用的都不多，北歐的工程應用較多。本人曾經作為業主管理過兩類置換通風項目，一個是階梯式演講報告廳,Auditorium，另外一個是若干大型高大空間的大面積培訓室。

坦白說，置換通風在北歐應用較多的原因是因為北歐夏季溫度不高，斯德哥爾摩在2009年夏季超過30度，很多公司就開始放假了。這從另外一個角度也說明北歐春夏秋三季溫度不高，完全可以利用室外新風滿足室內的冷負荷需求，達到降溫，節能，室內衛生三合一的目的。

但是地理因素的不同，使得置換通風在中國的應用並不是那麼廣。在中國的華中，華東，華南廣大地區，使用置換通風的最主要Scenario是高大空間的項目;如大劇院，大劇場，高層高工業廠房等。

並且理論上置換通風是冷風送出，下沉擴散，然後遇到發熱物體，冷風受熱上升，變成污染的，骯髒的，含有熱量的空氣排走的情形。對於送熱風效果不是很理想，因為熱風一送出就會上升，空氣流型不好。因此真得要使用，也必須是加大末端的風口數量，採用較密集布置。

本文只做簡單介紹並在最後說一下本人的看法。

具體的計算和理論知識請見陸耀慶的第二版 供熱空調設計手冊中的相關章節

不過我提前打個招呼，即使你看了，也會一臉懵逼的進去，一臉懵逼的出來。為什麼這個係數是這個，那個公式是那個？其實我也是一臉懵逼，多年前做項目的時候，我和設計師討論過很久，雙方都對某一些理論表示質疑。

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一、國內主要應用場所

第一種是應用在Auditorium,Theater等這些類似於階梯式教室的場所，通常採用座位式送風口。控制上部人體座位區域的溫度。

作者注:有一些小型劇場，也有採用旋流風口上送，中下方側部迴風的。無論是採用下送上回還是上送下回，本質是做好氣體流型

這種風口可以位於座位下，安裝在地板上，可以和座位做成一體化也可以不做成一體化。我曾經管理過的項目採用的座位後側送風口。即送風口並未和作為安裝在一起，而是安裝在階梯教室的每層台階的垂直面上。見下圖。位於座位後上方。

第二種則應用在高大區域空間，比如大型的培訓室，會議室，層高均較高，一般都在4米以上。置換風口負責工作區以下的區域滿足要求即可，對上部區域不控制溫度。

每個立柱的位置都有一個置換風口，這是Trox置換風口應用於西班牙機場的項目

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二.應用前提

1.置換風口僅控制出風溫度，不控制排風溫度[迴風溫度]，因此區域內部的濕度是不能精確控制的。所以只能用在不要求濕度控制的區域，比如舒適性區域。

註：儘管不控制濕度，設計和驗收時，仍舊需要對房間的相對濕度進行校核驗算和實際測量

其與同樣下送上排的地板送風系統是不同的，地板送風主要用在顯熱遠遠大於潛熱的區域，電信,數據中心屬於此類區域。

而置換通風則不同，對於劇院這種場所，仍舊是有潛熱發生的，只不過這些區域不關注濕度，劇院和報告廳等屬於此類區域

2.置換通風僅僅保證分界面以下的溫度區間，分界面以上則不保證，類似於分層系統。分界面對於坐的項目為1.3m高，站的項目為1.8m高，當然你不想按照這兩個高度來，也可以合理進行調整.

3.鑒於1的原因，在整體的計算中，只計算顯熱，不計算潛熱。風量和送風的狀態點都是由顯熱計算得出的。

4.區域發熱量不能太大，一般顯熱的單位發熱量在100W/m2以下。其實這個要求對於一般的保溫性能較好的大空間區域的要求是不高的，基本都能達到。

5.置換通風主要用於供冷。因此對於冬季的工況，置換通風其實並不太適用，因為冷空氣是下沉的，而熱空氣是上升的。但是筆者做過冬季採用置換風口的項目，為高大空間的培訓室，面積大約在幾百平方米左右。實際的處理方法為增加末端的數量，提供更多的安裝空間和平面。保證冬季送熱的射流距離。

在夏季置換通風的送風模型是冷空氣下沉，我稱其為冷池 cold pool.

如下圖

而在冬季，由於熱空氣較易上升，因此必須加多末端數量，否則熱池不能形成，會迅速上升。不能完全處理室內的穩態需熱負荷。

5.置換通風由於布置在人員活動區域的附近，因此出口的面風速不能太高.我們知道規範中要求人員活動區，也即1.5m-1.8m的高度,風速一般不超過0.3m/s,如果考慮置換風口的出口風速衰減，則面風速一般小於0.5m/s即可。

因此置換出口的送風面積較大，或者說佔地面積較大。因此位置一般採用放在角落，或者配合裝修做隱蔽式安裝的方法以儘可能節省利用空間。考慮到4的情況,在column周圍即圍繞著柱子做成假柱形式很多見。

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第三.計算過程

置換風口的計算主要是計算以下參數

送風量 送風溫度 室內溫度梯度分布 排風溫度 新風量或者新風比 室內CO2濃度 送風CO2濃度 排風CO2濃度等

這裡簡述一下送風量的計算，其計算需要滿足以下三個條件，取結果中的大值。如果2不是最大值，則需要根據1或者3求出的數值對2進行校核計算。

不過坦白說,一般設計人員不計算3，直接使用2的計算結果，常導致風量會偏小

1.滿足人均新風量或者場所新風量

2.滿足顯熱負荷需要的送風量

3.滿足衛生要求，也即室內CO2濃度的送風量和新風量

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第一條不用贅述，

第二條

滿足顯熱負荷的送風量計算：

作者註：置換通風的理論計算較實證，是建立在大量實驗基礎上的，沒有太多的理論支持，或者說理論性不強。所以在計算中，常常會

有時你完全不知道該係數是怎麼來的？為什麼會這樣，而不是那樣。比如下面這個

50%原則或者33%原則。

什麼意思？

按照置換通風的理論，人如果坐著，則從腳到頭的溫度上升不大於2度，人如果站著，則從腳到頭的溫度上升不大於3度，則大約溫度梯度為1.5-1.6度/米，這是可以理解的

但置換通風和普通上送上回的系統有一個重要的不同,置換通風理論認為冷風從風口送出時，落到地面就有一個溫升，也即當風達到人的腳的部位的時候已經有溫升了

溫度隨著距離的變化是先迅速上升，再呈現線性變化

而在普通的上送上回的舒適性系統中，我們主要考慮的是送風風量和風速,空調區平均風速，射流長度，射流末端的速度，不會計算溫度梯度，即不會校核溫度隨著高度的變化。直接認為送風從風口出來後，嚴格按照熱濕比線前進，即溫度變化呈線性，到了工作區以後[1.8米以下,1.2米以上區域]溫度是均勻分布的。

溫度隨著距離的變化是直接呈現線性變化的

該50%原則或者33%原則規定

腳部位的溫度和送風溫度的差值占排風溫度和送風溫度差值的33%或者50%。

這尼瑪都什麼玩意？為什麼不能是25%，40%

好吧，我承認我輸了，就聽你的！

這樣就可以利用腳部溫度和頭部溫度，和空間高度計算出送風溫度，排風溫度，工作區溫度等。

以上圖為例，假如要求人員區的溫度為23-27度左右，也即意味著最前排的人的腳部是23度，最後排的人的頭部是27度，而高度差是2.5米，因為最後排人坐著，所以溫度分層是1.3+1.2米，因此溫度梯度為4/2.5=1.6度/米。

[風送到腳部之後，溫度場就成線性關係變化了;在送到腳部之前，即從風口出來到腳部則不是線性變化。就如同量子的跳躍一樣，溫度一下子就變了]

因此當到達最高排風處4,.5米處的時候，排風溫度為1.6*4.5+23=30.2度

而送風溫度，即出風溫度按照33%原則為23-（30.2-23）/2=19.4度

這樣就可以得知

送風溫度=19.4度

排風溫度=30.2度

然後即可進行相關的送風量計算，就不贅述了。

第三條

衛生角度的計算，也即是通過計算CO2濃度的風量計算.

其計算的目的和方法是先計算出自然對流需要的風量，

然後對室內的CO2，送風CO2，排風CO2,進行計算和校核，

最後計算得出新風比和新風量。

如果計算出的送風量大於第二條中的計算風量則需要將新的送風量帶入第二條的公式.重新計算相關參數

幾個公式

上述公式是送風CO2濃度加上室內的人員CO2呼出濃度等於排風CO2濃度

上述公式中

是人體暴露指標，其等於排送風濃度差除以 呼吸區與送風濃度差的比值，該指標是實驗性指標，和人均的新風量有關，查表獲得。

其數值根據上圖中的人均對流風量30m3/h來查表為一般為3或者4

上述公式是送風CO2濃度等於按照新風比，迴風CO2濃度，新風CO2濃度計算的公式

Ce是排風的CO2濃度，

Cexp是人體呼吸區的濃度，規範要求不超過1000ppm

Cx是新風中的CO2濃度，一般為350ppm-400ppm

[據最新報道，世界範圍內的室外大氣的CO2濃度已經從350ppm上升到了400ppm]

Cs是送風的CO2濃度，

是迴風比

Lco2是室內CO2發生量，即員工的呼吸CO2的發生量，單位為m3/h

Qs即為我們需要求的送風量，m3/h,採用對發熱設備的對流送風量求和計算，一般計算人和電腦[如果有]的發熱產生的對流，均為經驗值

人為30m3/h,發熱設備則有不同的數值，比如電腦一般為30l/s，這樣就可以使用，比如有員工60人，電腦60台，

送風量=30*人數+100*電腦數 得出需要的衛生風量=30*60+100*60=7800m3/h

聯立上述各方程，即可求得

送風濃度 排風濃度 新風比 新風量等

如果求出送風量比2中的送風量大，則需要重新計算送風溫度和排風溫度

仍舊採用33%準則並且固定住腳面的溫度為23度不變，不同的僅僅是溫度梯度不再是1.6度/米，重新求出新的所有參數即可即完成所有參數計算。

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第四.置換通風的優點和特點

1.新鮮空氣從底部送入，人員可以吸入更加新鮮的空氣，衛生角度更好

2.過渡季節可以使用免費製冷，因為濕度要求不高，節能

3.室內負荷仍舊需要處理，其顯熱負荷和潛熱負荷仍舊需要被帶走並完全處理

4.室內的狀態點,本質上是排風狀態點可以向右上偏移，新風焓差減小

5.對於過渡季節較短的地區，採用免費製冷的效果會大大降低

最後我說一點，置換通風的理論和應用真實反映了暖通專業的本質。暖通中有很多公式和係數都是實驗性獲得的，並沒有太多的理論支持。這說明暖通本身就是一個實證性下游應用專業，和數學這種注重完全邏輯自洽的專業相比，被完爆！