導(dǎo)語：空調(diào)空氣齡計算管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要空氣齡是描述通風(fēng)系統(tǒng)能力優(yōu)劣的重要指標(biāo)。目前不論是實驗方法還是數(shù)值計算方法，都只能求解單個房間中的空氣齡分布。而實際中的通風(fēng)系統(tǒng)往往由多個房間、AHU和送回風(fēng)管路所組成。本文討論了計算實際空調(diào)系統(tǒng)中的空氣齡的一般方法和特殊情況下的簡化算法，提出"全程空氣齡"的概念。

關(guān)鍵詞空氣齡空氣品質(zhì)氣流組織

1引言

據(jù)調(diào)查，人們一生中約80%～90%的時間處在室內(nèi)[1]，因此室內(nèi)環(huán)境的良好與否對人的健康至關(guān)重要。20世界70年代以來，隨著世界范圍的能源緊缺，節(jié)能成為建筑物設(shè)計思想的重要導(dǎo)向。這一時期設(shè)計的建筑物加強了密閉性，減少了空調(diào)新風(fēng)量。另一方面，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，有機合成材料在室內(nèi)裝飾中得到了廣泛應(yīng)用，但這在美化房間的同時，致使揮發(fā)性有機化合物（VOC）在室內(nèi)大量聚集，嚴(yán)重惡化了室內(nèi)空氣品質(zhì)[2]。在這一時期設(shè)計的許多所謂"節(jié)能建筑"中，人們出現(xiàn)了各種不適癥候，如眼睛發(fā)紅、流鼻涕、嗓子疼、困倦、頭痛、惡心、頭暈、皮膚瘙癢等[3]。這些因建筑物使用而產(chǎn)生的癥狀，根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）1983年的定義，被統(tǒng)稱為病態(tài)建筑綜合癥（SBS），而導(dǎo)致這種綜合癥的建筑被稱為病態(tài)建筑。病態(tài)建筑在現(xiàn)實中大量存在。有人分析了美國50000多個辦公室之后得出結(jié)論，認(rèn)為只有20%的辦公室可劃歸到健康建筑的范疇，40%的辦公室為一般健康建筑，而40%的為病態(tài)建筑，不能滿足要求，其中10%的辦公室條件很差，是嚴(yán)重的病態(tài)建筑[4]。從此，人們對室內(nèi)環(huán)境有了進一步的認(rèn)識，并提出了室內(nèi)空氣品質(zhì)的概念。

室內(nèi)空氣品質(zhì)反映了人們對室內(nèi)空氣的滿意程度，根據(jù)美國供暖制冷工程師學(xué)會頒布的ASHRAESTANDARD62-89的定義[5]：良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)表現(xiàn)為空氣中的污染物不超過公認(rèn)的權(quán)威機構(gòu)所確定的有害物濃度指標(biāo)，并且處于這種空氣中的絕大多數(shù)人（大于80%）對此沒有表示不滿意。這一定義除了客觀評價外，也強調(diào)了人的主觀評價。

大量研究表明，通風(fēng)房間的空氣品質(zhì)取決于兩個方面：通風(fēng)系統(tǒng)的性能和室內(nèi)污染物的特性[6]。美國國家職業(yè)安全與衛(wèi)生研究所（NIOSH）對529個存在空氣質(zhì)量問題的建筑進行過評估[6]，其中280座建筑物通風(fēng)不合格，占調(diào)查總數(shù)的53%，而建材污染僅為21座占40%。由此可見，很大部分病態(tài)建筑是由不良的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)致。

在通風(fēng)系統(tǒng)的性能中，室內(nèi)氣流組織對空氣品質(zhì)影響極大。根據(jù)美國明尼蘇達大學(xué)和加州伯克利大學(xué)勞倫斯實驗室的研究結(jié)果，室內(nèi)氣流組織不當(dāng)所引起的空氣品質(zhì)惡劣問題大約占空氣品質(zhì)惡劣總是總數(shù)的45%～46%[6]。

為了定量評價室內(nèi)氣流組織的優(yōu)劣，各國學(xué)者提出多種指標(biāo)，如宏觀空氣交換率[7]，換氣效率、通風(fēng)效率、凈空氣流量[2]等，這些指標(biāo)中的多數(shù)均與空氣齡有關(guān)。根據(jù)Sandberg等人的定義，空氣齡已成為繼溫度、濕度之后評價室內(nèi)空氣的又一重要參數(shù)。

早期研究中空氣齡主要是采用示蹤氣體方法進行測量[9-11]，該方法需要較長的測量周期，費用也比較昂貴，還會影響人們的正常工作。隨著空氣齡分布方程的發(fā)現(xiàn)，近年來空氣齡的數(shù)值計算方法得到越來越廣泛的應(yīng)用[12-17]。與傳統(tǒng)實驗方法相比，數(shù)值算法無論在精度，速度，經(jīng)濟性上都更勝一籌，將在未來的應(yīng)用中據(jù)主導(dǎo)地位。但不論是示蹤氣體方法還是數(shù)值計算方法，傳統(tǒng)上都只能局限在單個房間中。而實際空調(diào)系統(tǒng)往往由多個房間，多個AHU，復(fù)雜的送回風(fēng)管路連接而成。為了使空氣齡能夠應(yīng)用于工程實踐，本文將嘗試對如何計算整個空調(diào)系統(tǒng)中的空氣齡及如何用空氣齡評價通風(fēng)系統(tǒng)的性能作一討論。為了與以往研究相區(qū)別，本文將以往所研究的局限在單個房間中的空氣齡稱為"房間空氣齡"，把文中研究的定義在整個系統(tǒng)中的空氣齡稱為"全程空氣齡"。

2空氣齡的定義與分布方程

空氣齡指房間內(nèi)某點處空氣在房間內(nèi)已經(jīng)滯留的時間。由于單個空氣分子做的是不規(guī)則隨機運動，沒有哪個空氣分子所做的運動是完全一樣的，因此觀測點附近的不同空氣分子在房間內(nèi)停留的時間也會各不相同。觀測點的空氣齡不是指位于該點的某一個空氣分子在室內(nèi)停留的時間也會各不相同。觀測點的空氣齡不是指位于該點的某一個空氣分子在室內(nèi)停留的時間，而是在該點附近的空氣分子群的平均停留時間。這個分子群在宏觀上是無限小的，因此具有均勻的溫濕度等物理特性；在微觀上是無限大的，體現(xiàn)出連續(xù)流體，即無限多的微觀粒子的統(tǒng)計特性，而非單個粒子的隨機運動特性。

如前所述，觀測點附近的空氣分子群由各種不同年齡的分子組成，各種年齡的空氣分子數(shù)量存在一個頻率分布函數(shù)f（τ）和累積分布函數(shù)F（τ）。所謂頻率分布函數(shù)f（τ），是指年齡為τ+Δτ的空氣分子數(shù)量占總分子數(shù)量的比例與Δτ之比；而累積分布函數(shù)F（τ），是指年齡小于τ的空氣分子數(shù)量占總分子數(shù)量的比例。累積分布函數(shù)與頻率分布函數(shù)之間存在下列關(guān)系：

（1）

由于某點空氣齡是該點空氣分子群的平均值，因此當(dāng)頻率分布函數(shù)已知時，可由下式計算任意一點的空氣齡τp：

（2）

結(jié)合N-S方程（9）和質(zhì)擴散方程（3），

（3）

穩(wěn)態(tài)情況下的空氣齡分布方程可以表述為：

（4）

在空調(diào)通風(fēng)中，一般情況下，認(rèn)為空氣的密度為常數(shù)。考慮到質(zhì)量守恒方程：

（5）

有：

（6）

空氣齡分布方程（4）的形式和源項為1的質(zhì)擴散方程完全一致；而質(zhì)擴散方程的求解是在大量計算流體力學(xué)軟件中被廣泛實現(xiàn)的。這就使得單個房間內(nèi)空氣齡分布的可以方便的采用現(xiàn)有數(shù)值計算軟件求解。

3實際通風(fēng)系統(tǒng)中對全程空氣齡的計算

3．1實際通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)成元素

實際通風(fēng)系統(tǒng)由通風(fēng)房間，風(fēng)道，新風(fēng)入口，排風(fēng)口按照一定方式連接而成（如圖1）。理論上，對任意復(fù)雜的系統(tǒng)，我們都可以進行全區(qū)域（包括房間，風(fēng)道和AHU）三維數(shù)值計算，但這必然導(dǎo)致復(fù)雜的無法解決的問題。因此，為使空氣齡的概念能應(yīng)用到實際工程當(dāng)中，必須提出針對復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)的簡化算法。

圖1實際通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

不論是多么復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)，總可以按照空氣流動方向分解成以下四種情況的組合：（1）無分岔管道內(nèi)流動（例如從點M1到點S1）；（2）沿分岔管道分流（在點S1處）；（3）沿管道匯合匯流（在點M1處）；（4）通風(fēng)房間內(nèi)流動。對這四種情況的空氣齡分布，我們可以在滿足精度要求的情況下作如下處理：

（1）無分岔管道內(nèi)流動，空氣齡在管道內(nèi)的增量為：

（7）

（2）沿分岔管道分流，由于空氣性質(zhì)分岔前后（無限短處）不變，所以空氣齡分岔前后（無限短處）不變。

（3）沿管道匯合匯流，匯合點后（無限短處）的空氣齡通過下式確定：

（8）

其中τi和Li分別代表第i支參與匯合的風(fēng)道內(nèi)在匯合點前（無限短處）氣流的空氣齡和風(fēng)量。

（4）通風(fēng)房間內(nèi)流動：首先通過N-S方程（9）用計算流體力學(xué)方法確定房間內(nèi)空氣流速分布，再根據(jù)方程（4）用數(shù)值方法求解空氣齡。所有這些方程都可以寫成如下同一形式：

（9）

其中φ是通用變量，可以代表u,v,w等，ρ，，Sφ是密度，φ的擴散系數(shù)和源項。詳見表1。

通用方程中各項的取值和含義表1φSφ

100

uueff

Vueff

Wueff

KGk-ρε

ε

τρρ

ueff=ul+utut=CDρk2/ε

方程中u，v，w等的邊界條件前人已有說述，在此不再贅言。空氣齡的邊界條件如下表述[19]：

入口處：（10）

出口處：（11）

3．2實際通風(fēng)系統(tǒng)的綜合計算

實際空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的方式多種多樣。送風(fēng)房間數(shù)量可以是單個到幾十個甚至上百個，AHU數(shù)量可以是一個或十和個，送風(fēng)管路連接關(guān)系可以是枝狀或環(huán)形。對一般的復(fù)雜系統(tǒng)，盡管理論上可以把系統(tǒng)按組成元素劃分，對每個元素列出相應(yīng)空氣齡分布方程，再對這些方程進行聯(lián)立求解，從而獲得整個系統(tǒng)工程的全程空氣齡參數(shù)；但在實際上這樣處理極其困難。原因主要在于現(xiàn)有計算流體力學(xué)軟件對邊界條件處理的局限性。在上述通風(fēng)系統(tǒng)的四種構(gòu)成中，只有房間內(nèi)流動需要進行數(shù)值計算。當(dāng)有回風(fēng)系統(tǒng)存在時，房間送風(fēng)口的邊界條件就成為房間出風(fēng)口處空氣齡（尚需要通過數(shù)值計算求解）和新風(fēng)在管路中空氣齡增量（可以在數(shù)值計算前先計算出來）的線性組合。即，方程（10）式在存在回風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值計算中表現(xiàn)為：

（12）

其中代表送風(fēng)口處空氣齡的值，是未知列微量，維數(shù)是送風(fēng)口個數(shù)。τ是房間中各個控制體的空氣齡值，是未知列向量，維數(shù)是房間內(nèi)控制體的個數(shù)。P是矩陣，代表管道連接關(guān)系；C是列向量，代表管道空氣齡增量；P和C都可以在數(shù)值計算之前求出（即在方程（12）中成為已知量）。

方程（12）所代表的邊界條件是現(xiàn)有大部分計算充體力學(xué)軟件都不能處理的，如需解決，必須親自編寫額外程序。這就導(dǎo)致上述方法在實際應(yīng)用中難以實現(xiàn)。

研究表明，在實際應(yīng)用中可以采用迭法進行計算。具體步驟為（以圖1為例）：

（1）假設(shè)M1，M2等所有回風(fēng)點空氣齡數(shù)值（需大于0），然后根據(jù)方程（7）（8），計算送風(fēng)口處空氣齡值。

（2）通過數(shù)值計算求解房間內(nèi)空氣齡分布。

（3）依據(jù)排風(fēng)口處的空氣齡值計算出新的回風(fēng)點空氣齡。

（4）若新的回風(fēng)點空氣齡與上一輪迭代中空氣齡之差在誤差允許范圍之內(nèi)，計算結(jié)束。否則返回第（2）步。

在數(shù)學(xué)上可以嚴(yán)格證明，只要系統(tǒng)新風(fēng)比不為0（不是全回風(fēng)系統(tǒng)），上述方法的收斂性和相容性都是得到保證的。空氣齡迭代所占計算時間遠遠少于求解速度場所需的時間，因此該方法在速度上也是可以滿足要求的。

盡管一般來講，對通風(fēng)系統(tǒng)的空氣齡分布進行直接（非迭代）求解是非常困難的，但對一類簡單情況，即單AHU系統(tǒng)（所有回風(fēng)支路都匯于一點，如圖2），存在一種簡單的直接方法進行求解。

圖2單AHU通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

設(shè)f為系統(tǒng)新風(fēng)比。首先假設(shè)回風(fēng)空氣齡值τR1于R點。沿氣流運行方向，根據(jù)方程（7）（8），計算出空氣齡τa1于S點。根據(jù)τa1，通過數(shù)值運算求解房間空氣齡分布τp1，并據(jù)此求出新的回風(fēng)空氣齡τR2。則房間的實際空氣齡分布：

（13）

圖3，4顯示了通過數(shù)值計算得到的一間帶回風(fēng)系統(tǒng)的房間全程空氣齡分布和同樣房間不考慮回風(fēng)影響（即認(rèn)為送風(fēng)口處空氣齡為0）的空氣齡分布（房間空氣齡）。從中可以看出，二者不僅在數(shù)值大小上有很大差別，而且分布形狀也不盡相同。這說明，與作為衡量房間內(nèi)氣流組織特性的參數(shù)定義的房間空氣齡相比，全程空氣齡還反映出通風(fēng)系統(tǒng)的管路設(shè)計對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響。回風(fēng)管路對全程空氣齡分布的影響無法通過單純對房間內(nèi)流場的研究獲得，一定要結(jié)合管路連接結(jié)構(gòu)進行研究。

圖3某實際建筑部分空調(diào)管路及系統(tǒng)

圖4房間空氣齡分布

4結(jié)論

空氣齡是作為評價房間氣流組織的概念被提出的。早期研究多采用示蹤氣體測量方法，近期數(shù)值計算方法逐漸開始興起。但前人研究一直局限在對單個房間的空氣齡研究上。在本文中，作者討論了如何計算完整的實際空調(diào)系統(tǒng)中的空氣齡，主要提出以下觀點：

1．定義實際通風(fēng)系統(tǒng)中綜合考慮房間、AHU、回風(fēng)系統(tǒng)間相互影響所得到的空氣齡分布為"全程空氣齡"。

2．全程空氣齡可以通過迭代法準(zhǔn)確、快速的獲得。

3．可以嚴(yán)格證明，上述方法的收斂性在非全回風(fēng)系統(tǒng)中得到保證。

4．在得到廣泛應(yīng)用的單AHU系統(tǒng)中，對全程空氣齡的計算還存在更簡潔的直接算法。

參考文獻

1朱能，王侃紅，田哲，空調(diào)系統(tǒng)在病態(tài)建筑中的特征分析，暖通空調(diào)，1999年第29卷第2期：11～15。

2馬仁民，國外非工業(yè)建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)研究動態(tài)，暖通空調(diào)，1999年29卷第2期：38～41。

3李先庭，楊建榮，王新歡，室內(nèi)空氣品質(zhì)研究現(xiàn)狀與發(fā)展，暖通空調(diào)，2000的第3期：36～40。

4CEDORGAN，etal.ProductivitylinktotheindoorenvironmentestimatedrelativetoASHRAE62～1989。ProceedingsofHealthBuildings''''94,Budapest:1994:461～472.

5ASHRAESTANDARD62～89:VentilationforAcceptableIndoorAirQuality,1989.

6Bearg,DavidW,IndoorairqualityandHVACsystems,LewisPub,1993:12～20

7CIBSEGuide:InstallationandEquipmentData,CIBSE,London(1986)

8M.Sandberg,M.Sjoberg,"TheUseofMomentsforAssessingAirQualityinVentilatedRooms",BuildingandEnvironment,1983,Vol.18,No.4:181～197

10李先庭，王欣，李曉鋒等，用示蹤氣體方法研究通風(fēng)房間空氣年齡，暖愛空調(diào)，2001，第31卷第4期：79～81

11XiantingLI,XianWang,XiaofengLI等，Investigationontherelationshipbetweenflowpatternandairage,SixthInternationalIBPSAConference-BuildingSimulation''''99,Kyoto,Japan,1999:423～429

12李先庭，江億，用計算流體力學(xué)方法求解通風(fēng)房間的空氣年齡，清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1998年第38卷第5期：28～31。

13XiantingLI,XiaofengLIanYingxingZhu,themathematicalmodelingofairage,InternationalSymposiumonAirConditioninginHighBuildings''''97,Sept,9-12,1997,Shanghai:241-246.

14李先庭，王欣，李瑩等，用數(shù)值方法計算通風(fēng)房間的空氣年齡，建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，1999年第18卷第1期：2～5

15XiaoxiongYuan,QingyanChen,andLeonR.Glicksman,1998.PerformanceEvaluationandDevelopmentofDesignGuidelinesforDisplacementVentilation.FinalReporttoASHRAETC5.3-RoomAirDistributiononASHRAEResearchProject-RP-949.

16JiaYang,XiangshengWu,THERESEARCHOFTHENUMERICALSIMULATIONOFTHEAIR-OF-AIR,Proceedingofthe4thInternationalConferenceIndoorAirQuality,Ventilation&EnergyConservationinBuildings:339-345.

17HbAwbi,TKarimipanah,ACOMPARISONBETWEENTHREEMETHODSOFLOW-LEVELAIRSUPPLIFES,Proceedingofthe4thInternationalConferenceonIndoorAirQuality,Ventilation&EnergyConservationinBuildings:339-345