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1 引言
無(wú)風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)地下停車場(chǎng)，至仿已有近萬(wàn)中誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)使用在國(guó)內(nèi)幾百個(gè)地下停車場(chǎng)內(nèi)，為改善地下停車場(chǎng)的空氣品質(zhì)，降低地下停車場(chǎng)通風(fēng)系統(tǒng)的一次投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用起到了一定的作用。實(shí)際上，這種通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在國(guó)外，除了用于地下停車場(chǎng)的通風(fēng)換氣以外，在高大空間空調(diào)系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在日本應(yīng)用工程很多，其中些典型應(yīng)用實(shí)例引人注目。
2001的在廣州國(guó)際會(huì)展中心的空調(diào)設(shè)計(jì)中，日本佐藤設(shè)計(jì)事務(wù)所在大面積的展覽會(huì)場(chǎng)中，采用了無(wú)風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，這是這種系統(tǒng)第一次在國(guó)內(nèi)空調(diào)工程中應(yīng)用，因此引起了國(guó)內(nèi)空調(diào)界極大的興趣，也引發(fā)了對(duì)這種系統(tǒng)在空調(diào)工程中可行性的激烈爭(zhēng)論。
由于在廣州國(guó)際會(huì)展中心的空調(diào)設(shè)計(jì)中，日方只提供了設(shè)計(jì)方案，而未提供設(shè)計(jì)所必需的計(jì)算資料，因此給國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)造成了很大的困難，同進(jìn)也增加了這種能風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)神秘的色彩。為解決無(wú)風(fēng)道誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)在空調(diào)工程應(yīng)用過(guò)程中所缺少的設(shè)計(jì)計(jì)算資料，筆者從2001年中期開(kāi)始，對(duì)這種系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，通過(guò)對(duì)其主要部件的改造，性能的測(cè)試，以及設(shè)計(jì)計(jì)算方法的研究，尤其是通過(guò)實(shí)際工程的實(shí)踐，基本上掌握了這種系統(tǒng)工程空調(diào)工程的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，為今后在國(guó)內(nèi)空調(diào)工程中推廣和應(yīng)用這種先進(jìn)系統(tǒng)提供一實(shí)用的設(shè)計(jì)參考資料。
2 工作原理及系統(tǒng)的組成
由文獻(xiàn)[1]的分析可以知道，當(dāng)空氣由直徑為D0的噴品，以送風(fēng)速度V0向往一個(gè)不受周圍界面表面限制的空間擴(kuò)散時(shí)，由于射流邊界與周圍介質(zhì)間的紊流動(dòng)量交換，周圍空氣不斷被卷入，沿射程方向，射流不斷擴(kuò)大，射流流量不斷增加，射流軸心速度則逐漸衰減。如圖1所示，無(wú)風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)機(jī)組送出的空氣不是像傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)那樣，通過(guò)送風(fēng)風(fēng)道將經(jīng)過(guò)處理的空氣送到需要的地方，而是通過(guò)噴嘴直接送入空調(diào)空間，而誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)機(jī)組被置于射流主氣流的流道中，當(dāng)射流軸心速度下降時(shí)，利用誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，使主氣流獲得新的動(dòng)力，將處理過(guò)的空氣送到指定的位置，通過(guò)改變誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)機(jī)組的送風(fēng)口角度和方向，還可以調(diào)整冷、熱氣流的落差，防止了冷風(fēng)過(guò)早進(jìn)入工作區(qū)，導(dǎo)致人體不舒適，也解決了熱風(fēng)難以下送的難題，同時(shí)還可以使主氣流轉(zhuǎn)向，避免了送風(fēng)死區(qū)的出現(xiàn)，減少了區(qū)域溫差。
圖1 無(wú)風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)示意圖
目前可利用的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)機(jī)組有兩種形式，一種形式為：誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)機(jī)組有三個(gè)送風(fēng)口，且送風(fēng)口的位置有5個(gè)方向可以安
裝，回風(fēng)口置于機(jī)組后部和兩側(cè)上部，這種被稱為TOPVENT® 2的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)為瑞典ABB公司在日本的控股公司富列克特（Flkt）公司的專利產(chǎn)品[2]。另一種形式為：誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)采用上下角度分別可以調(diào)節(jié)30°的平面送風(fēng)口，由于單機(jī)風(fēng)口的寬度可以達(dá)到1800mm，因此可能形成很寬的平面射流，回風(fēng)口可以設(shè)在機(jī)組后部，或者下部，這一產(chǎn)品已由筆者研制成功，并獲得中國(guó)專
利。
3 設(shè)計(jì)計(jì)算方法
采用誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)替代傳統(tǒng)的風(fēng)道用于空調(diào)系統(tǒng)，其風(fēng)險(xiǎn)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)有道空調(diào)系統(tǒng)，可能出現(xiàn)的問(wèn)題是：①由空調(diào)機(jī)組送出的冷（熱）風(fēng)未能達(dá)到誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)處，就下落，結(jié)果在空調(diào)房間內(nèi)出現(xiàn)明顯的區(qū)域溫差；②冷氣流中途下落，導(dǎo)致明顯的"吹風(fēng)感"，引起人體不舒適；③送風(fēng)不送到所有需要空調(diào)的區(qū)域，形成氣流停滯區(qū)；④氣流噪聲問(wèn)題；⑤熱風(fēng)下送總是。上述這些問(wèn)題，歸納起來(lái)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要解決的實(shí)際上就是：①氣流組織計(jì)算問(wèn)題；②氣流組織形式問(wèn)題。下面分別說(shuō)明。
3．1 氣流組織計(jì)算
3．1．1 基本計(jì)算公式
雖然最近十年，CFD技術(shù)在氣流組織設(shè)計(jì)中已得到一定的應(yīng)用，但是由于影響因素繁多，其準(zhǔn)確性沿?zé)o法替代以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)外空調(diào)工程設(shè)計(jì)中采用的主要還是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的計(jì)算方法。如圖1所示，無(wú)風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)際上是多股噴口射流的疊加。氣流組織計(jì)算的目的就是確定：①軸心速度衰減規(guī)律；②軸心軌跡，即射流落差；③軸心溫度衰減規(guī)律。目前國(guó)際上使用的射流計(jì)算公式的形式基本相同[3～5]，主要區(qū)別在于通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到經(jīng)驗(yàn)系數(shù)不盡相同。
軸心速度衰減公式：
?。?）
式中 V0--出風(fēng)口平均風(fēng)速，m/s；
Vx--射程X處軸心速度，m/s；
K1--軸心速度常數(shù)，無(wú)因次；
A0--出風(fēng)口有效面積，m2。
X--射程，m。
非等溫射流軸心軌跡，即射流落差計(jì)算公式：
?。?）
式中 Y--射流軸心偏離水平軸之距離，m；
a0--射流出口軸線與水平軸之夾角；
y--系數(shù)，與風(fēng)口形式和尺寸有關(guān)，y=0.47±0.06，無(wú)因次；
K2--軸心溫度常數(shù)，無(wú)因次；
Ar0--阿基米德數(shù)。
軸心溫度衰減規(guī)律：
（3）
式中 TO--出風(fēng)口送風(fēng)溫度，℃；
TX--射程X處軸心溫度，℃；
TR--回風(fēng)溫度，℃；
誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)用于空調(diào)系統(tǒng)與用于通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，最大的區(qū)別就是前者是非等溫送風(fēng)，而后者是等溫送風(fēng)，對(duì)于非等溫射流，其射程、軸心軌跡、軸心速度衰減、軸心溫度衰減都將受到阿基米德準(zhǔn)數(shù)的影響[3]。雖然氣流組織已經(jīng)是一個(gè)很老的課題，但是目前可供工程設(shè)計(jì)使用的較準(zhǔn)確的計(jì)算公式并不完善，例如非等溫送風(fēng)的軸心速度衰減就缺乏可靠的計(jì)算公式，因此對(duì)于非等溫送風(fēng)，目前國(guó)外仍然采用式（2）進(jìn)行計(jì)算[3]。同時(shí)，采用什么樣的公式進(jìn)行計(jì)算尚存在較大的分歧。
3．1．2 軸心速度常數(shù)和軸心溫度常數(shù)
在式（1）～（3）中，軸心速度常數(shù)K1和軸心溫度常數(shù)K2對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大。K1國(guó)亦稱風(fēng)口特性系數(shù)、送風(fēng)口常數(shù)。國(guó)內(nèi)在進(jìn)行射流軸心速度衰減計(jì)算時(shí)，同時(shí)采用另一個(gè)與風(fēng)口有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，被稱不紊流系數(shù)a[6]，a和K1之間存在以下?lián)Q算關(guān)系：a=0.42/ K1。軸心速度常數(shù)是一個(gè)與風(fēng)口形式和具體結(jié)構(gòu)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，它表示軸心動(dòng)能損失[3]，對(duì)于一種形式的風(fēng)口，軸心速度常數(shù)歷來(lái)被看成常數(shù)，但是最近研究發(fā)現(xiàn)軸心速度常數(shù)并非常數(shù)，它還與送風(fēng)口風(fēng)速有關(guān)[3，7]。K1、a和K2雖然都是由試驗(yàn)確定的參數(shù)，使用簡(jiǎn)單，但是國(guó)內(nèi)在計(jì)算過(guò)程中也存在一些問(wèn)題：①式（1）有兩種形式，當(dāng)式（1）中的  采用DO替代時(shí)，公式中常數(shù)  應(yīng)除去；②不同的風(fēng)口采用相同的軸心速度常數(shù)，目前通用的速度衰減和射流軸心軌跡計(jì)算公式，已將噴口的軸心速度常數(shù)和軸心溫度常數(shù)具體數(shù)值寫入公式中，因此采用其他風(fēng)口（如矩形風(fēng)口，條縫風(fēng)口，旋流風(fēng)口等），仍采用這些計(jì)算公式，將導(dǎo)致明顯誤差；③軸心速度常數(shù)取值過(guò)大，部分廠家，為了商業(yè)利益，任意提高風(fēng)口射程（即軸心速度常數(shù)），最近在國(guó)內(nèi)會(huì)展類建筑的空調(diào)設(shè)計(jì)中這已是司空見(jiàn)慣的事。雖然各類手冊(cè)和教科書都登載有軸心速度常數(shù)和軸心溫度常數(shù)表，但是表中風(fēng)口形式過(guò)于籠統(tǒng)，因此準(zhǔn)確性較差，對(duì)于一種形式、尺寸一定的風(fēng)口，一般最好通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。表1是目前常用的軸心速度常數(shù)和軸心溫度常數(shù)。
常用風(fēng)口的軸心速度和軸心溫度常數(shù) 表1
| 風(fēng)口形式 |
K1 |
K2 |
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VO=2～5m/s |
VO=10～50m/s |
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| 圓形和方形噴口 |
5.0 |
6.2 |
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| 矩形噴口，長(zhǎng)寬比<40[3] |
4.1 |
5.3 |
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| 條縫噴口[3] |
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| 格柵風(fēng)口，凈面積大于40%[3] |
4.1 |
5.0 |
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| 穿孔板，凈面積3%～5%[3] |
2.7 |
3.3 |
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| 穿孔板，凈面積10%～50%[3] |
3.5 |
4.3 |
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| 噴口[3] |
6.3～6.5 |
4.9～5.1 |
| 格柵風(fēng)口[3] |
1.8 |
1.7 |
為了確保無(wú)風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的可靠性，筆者委托國(guó)家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)TOPVENT® 2型誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)機(jī)組和空調(diào)機(jī)組用DVN球型噴口性能進(jìn)行了檢測(cè)，圖2為誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)用球型噴口的軸心速度常數(shù)K1和圖3是DVN球型噴口的軸心速度常數(shù)K1的測(cè)試結(jié)果。
由圖2和圖3可以看出：①K1并非一個(gè)常數(shù)；②雖然誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)上的三個(gè)噴口形式、尺寸完全相同，但是由于安裝部位和出風(fēng)角度不同，K1不同；③射程超過(guò)6m之后，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)噴口K1基本不變；④對(duì)于DVN球型噴口，出口速度增加，射程增加，K1減
少。
圖2 誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)機(jī)組球型噴口軸心速度常數(shù)K1
圖3 DVN型球型噴口軸心速度常數(shù)K1
3．1．3 貼附射流的影響
誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)一般都是掛在天花下部，因此除了將噴嘴置于誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的底部下送外，射流一般都會(huì)貼附在天花上，形成貼附射流，通常是將貼附射流視而不見(jiàn)為自由射流的一半，風(fēng)口斷面面積加倍，因此軸心常數(shù)等于自由射流的  ，即表1最大值6.2變成8.77。
對(duì)于貼附射流，人們最關(guān)心的是非等溫射流的貼附長(zhǎng)度，即射流分離距離，對(duì)于非等溫附射流，式（4）是目前使用最廣泛的一種計(jì)算公式[8]：
（4）
式中 xs--射流分離距離，m；ΔP--風(fēng)口靜壓降，Pa。
3．1．4 多股平行射流的影響
由于無(wú)風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)一般都是采用多臺(tái)空調(diào)機(jī)組和多臺(tái)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)并列，因此實(shí)際上都為多股平行非等溫射流，由式（5）可以看出[1]，多股平行射流的速度衰減慢于單股射流，射流射程加長(zhǎng)。
?。?）
其中l(wèi)--噴口之間的間距，m。
比較式（1）和式（5）可以看出，多股平行射流與單股射流的區(qū)別在于前者多了一項(xiàng)  ，圖4表示了4種不同噴口間距下，相同的射程時(shí)，兩種射流軸心速度的差異，由圖可知，當(dāng)噴口之間的間距超過(guò)了2m時(shí)，兩種射流的差異已經(jīng)非常小。
3．1．5 設(shè)計(jì)計(jì)算方法
利用式（1）～式（4）和實(shí)驗(yàn)所得噴口軸心速度常數(shù)K1即可進(jìn)行無(wú)風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)步驟如下所述：
?、俑鶕?jù)送風(fēng)量和空氣分布器標(biāo)準(zhǔn)（JG/T-1999）規(guī)定：風(fēng)口全壓損失應(yīng)不超過(guò)100Pa的原則，選擇噴口的規(guī)格和數(shù)量；②利用式（4）計(jì)算噴嘴送風(fēng)長(zhǎng)度（軸心速度為0.5m/s）；③根據(jù)射流的出風(fēng)夾角為22°的規(guī)律[3]繪制送風(fēng)射流分布圖；④考慮到非等溫射流的影響，第一排誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)設(shè)置在0.8倍噴嘴送風(fēng)長(zhǎng)度xs之處，第一排誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的數(shù)量按3m間距布置，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)必須在送風(fēng)氣流范圍內(nèi)；⑤利用式（3）計(jì)算末端軸心溫度Tx；⑥計(jì)算第一排誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)長(zhǎng)度（軸心速度為0.5m/s）； ⑦第二排誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)設(shè)置在0.8倍誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)噴嘴送風(fēng)長(zhǎng)度xs之處；⑧第二排誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的數(shù)量仍按3m間距布置，數(shù)量同第一排；⑨第三排以后的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)數(shù)量和間距同前；⑩分別計(jì)算射流末端軸心溫度。
設(shè)計(jì)實(shí)例：空調(diào)機(jī)組風(fēng)量5000m3/h，選擇3個(gè)DVN400球型噴口（喉口直徑398mm），間距2m，喉口風(fēng)速度4m/s，出風(fēng)速度12.1m/s時(shí)，全壓損失95.4Pa，靜壓損失85.8 Pa，送風(fēng)溫度10℃，室內(nèi)溫度26℃，軸心速度為0.5m/s時(shí)送風(fēng)距離為17m，第一排誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)布置在13m處，每排4臺(tái)，第一排處軸心溫度為25℃，第二排誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)布置在離第一排誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)6m處，每排4臺(tái)。誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)共6排，排間距6m，臺(tái)間距3m，總射程50m。最后一排軸心溫度已經(jīng)接近室溫。以上計(jì)算結(jié)果與CFD模擬結(jié)果大致一致，主要區(qū)別是軸心溫度的升高CFD模擬結(jié)果明顯低于上述計(jì)算，原因可能是，由于是多股水平射流送風(fēng)，除了最外側(cè)的，射流邊界卷吸的主要是送風(fēng)射流，并非是像單股射流那樣卷吸的是室內(nèi)空氣，因此軸心溫度升高速度明顯低于用單股射流公式計(jì)算的結(jié)果，這是無(wú)風(fēng)道誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)用于空調(diào)系統(tǒng)中的一個(gè)新發(fā)現(xiàn)。
3．2 氣流組織形式
由于無(wú)風(fēng)道誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)是利用空氣氣流來(lái)分布處理過(guò)的空氣，因此氣流組織形式，即空調(diào)機(jī)組和誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的位置，以及布置方式對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的使用效果影響甚大。
空調(diào)機(jī)組一般沿墻布置，可以是單側(cè)送風(fēng)、雙側(cè)對(duì)送，對(duì)角線對(duì)送?？照{(diào)機(jī)組，即送風(fēng)口的高度和角度應(yīng)該通過(guò)計(jì)算確定，以保證在設(shè)計(jì)的射程內(nèi)，射流能到達(dá)第一排誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)所處的位置，宜采用貼附送風(fēng)?？照{(diào)機(jī)組之間的距離，應(yīng)考慮到氣流的覆蓋面，由于射流的出風(fēng)平角一般為22°，因此應(yīng)該通過(guò)作圖的方法，盡可能減少氣流無(wú)法覆蓋的區(qū)域的面積。為了解決冷風(fēng)過(guò)早的進(jìn)入工作區(qū)，同時(shí)解決熱風(fēng)難以下送的難題，空調(diào)機(jī)組應(yīng)該采用送風(fēng)角度可以電支調(diào)節(jié)的噴口，DVN球型噴口可以用手動(dòng)和電動(dòng)方式和上和向下調(diào)節(jié)30°，合理的送風(fēng)角度應(yīng)由計(jì)算確定。
第一排誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的離空調(diào)機(jī)組的距離，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)之間的距離，應(yīng)由計(jì)算確定。誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)排間距的確定與空調(diào)機(jī)組之間的距離的原則相同。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)總射程較遠(yuǎn)，空間較大，射流離地面較高時(shí)，宜采用TOPVENT?® 2形式誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)機(jī)組，可以在誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的前部布置兩個(gè)噴口，在誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的下部布置一個(gè)噴口，使得在形成向前的主氣流的同時(shí)，在誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的下部形成一股垂直向下的空調(diào)送風(fēng)氣流，以便減少室內(nèi)的區(qū)域溫差，這點(diǎn)對(duì)冬季需要送熱風(fēng)的建筑尤為重要。對(duì)于層高不高的大面積空間，宜采用平面送風(fēng)形式的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，由于這種誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口角度可以向上下各調(diào)節(jié)30°，出風(fēng)口為很寬的扁平射流，因此空調(diào)效果更加理想。
4 結(jié)論
無(wú)風(fēng)道誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用于高大空間的空調(diào)系統(tǒng)，是一種大膽的嘗試，這是一種值得推廣的新的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。理論和實(shí)驗(yàn)研究，以及工程實(shí)踐證明這種空調(diào)系統(tǒng)是可選擇，在經(jīng)濟(jì)上優(yōu)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。本文提出的計(jì)算方法，經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證可供工程設(shè)計(jì)計(jì)算參考。但是要使得這一先進(jìn)的空調(diào)系統(tǒng)使用到更廣泛的建筑中去，并取得更好的使用效果，政治家很多課題需要探討，其中在設(shè)計(jì)計(jì)算方法中，如溫度衰減計(jì)算、速度衰減計(jì)算、多股非等溫水平射流計(jì)算等等，還需要進(jìn)行深入的研
究。
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