无风道诱导风机通风空调系统设计计算方法

1 引言
　　
　　无风道诱导风机已经广泛应用于国内地下停车场，至仿已有近万中诱导风机使用在国内几百个地下停车场内，为改善地下停车场的空气品质，降低地下停车场通风系统的一次投资和运转费用起到了一定的作用。实际上，这种通风空调系统在国外，除了用于地下停车场的通风换气以外，在高大空间空调系统中也得到了广泛的应用，尤其是在日本应用工程很多，其中些典型应用实例引人注目。
　　2001的在广州国际会展中心的空调设计中，日本佐藤设计事务所在大面积的展览会场中，采用了无风道诱导风机空调系统，这是这种系统第一次在国内空调工程中应用，因此引起了国内空调界极大的兴趣，也引发了对这种系统在空调工程中可行性的激烈争论。
　　由于在广州国际会展中心的空调设计中，日方只提供了设计方案，而未提供设计所必需的计算资料，因此给国内设计人员的设计造成了很大的困难，同进也增加了这种能风空调系统神秘的色彩。为解决无风道诱导通风系统在空调工程应用过程中所缺少的设计计算资料，笔者从2001年中期开始，对这种系统进行了深入的研究，通过对其主要部件的改造，性能的测试，以及设计计算方法的研究，尤其是通过实际工程的实践，基本上掌握了这种系统工程空调工程的设计计算方法，为今后在国内空调工程中推广和应用这种先进系统提供一实用的设计资料。
　　
2 工作原理及系统的组成
　　
　　由[1]的分析可以知道，当空气由直径为D₀的喷品，以送风速度V₀向往一个不受周围界面表面限制的空间扩散时，由于射流边界与周围介质间的紊流动量交换，周围空气不断被卷入，沿射程方向，射流不断扩大，射流流量不断增加，射流轴心速度则逐渐衰减。如图1所示，无风道诱导风机空调系统的空调机组送出的空气不是像传统的空调系统那样，通过送风风道将经过处理的空气送到需要的地方，而是通过喷嘴直接送入空调空间，而诱导风机机组被置于射流主气流的流道中，当射流轴心速度下降时，利用诱导风机，使主气流获得新的动力，将处理过的空气送到指定的位置，通过改变诱导风机机组的送风口角度和方向，还可以调整冷、热气流的落差，防止了冷风过早进入工作区，导致人体不舒适，也解决了热风难以下送的难题，同时还可以使主气流转向，避免了送风死区的出现，减少了区域温差。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 无风道诱导风机空调系统示意图
　　
　　目前可利用的诱导风机机组有两种形式，一种形式为：诱导风机机组有三个送风口，且送风口的位置有5个方向可以安
装，回风口置于机组后部和两侧上部，这种被称为TOPVENT® 2的诱导风机为瑞典ABB公司在日本的控股公司富列克特（Flkt）公司的专利产品^[2]。另一种形式为：诱导风机采用上下角度分别可以调节30°的平面送风口，由于单机风口的宽度可以达到1800mm，因此可能形成很宽的平面射流，回风口可以设在机组后部，或者下部，这一产品已由笔者研制成功，并获得专
利。
　　
3 设计计算方法
　　
　　采用诱导风机替代传统的风道用于空调系统，其风险性远远大于常规有道空调系统，可能出现的问题是：①由空调机组送出的冷（热）风未能达到诱导风机处，就下落，结果在空调房间内出现明显的区域温差；②冷气流中途下落，导致明显的"吹风感"，引起人体不舒适；③送风不送到所有需要空调的区域，形成气流停滞区；④气流噪声问题；⑤热风下送总是。上述这些问题，归纳起来，在设计过程中需要解决的实际上就是：①气流组织计算问题；②气流组织形式问题。下面分别说明。
　　
　　3．1 气流组织计算
　　3．1．1 基本计算公式
　　虽然最近十年，CFD技术在气流组织设计中已得到一定的应用，但是由于影响因素繁多，其准确性沿无法替代以实验为基础的计算方法。国内外空调工程设计中采用的主要还是以实验为基础的计算方法。如图1所示，无风道诱导风机空调系统，实际上是多股喷口射流的叠加。气流组织计算的目的就是确定：①轴心速度衰减；②轴心轨迹，即射流落差；③轴心温度衰减规律。目前国际上使用的射流计算公式的形式基本相同^[3～5]，主要区别在于通过实验得到经验系数不尽相同。
　　轴心速度衰减公式：
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　（1） 　　
　　式中　V₀--出风口平均风速，m/s；
　　　　　V_x--射程X处轴心速度，m/s；
　　　　　K₁--轴心速度常数，无因次；
　　　　　A₀--出风口有效面积，m²。
　　　　　X--射程，m。
　　非等温射流轴心轨迹，即射流落差计算公式：
　　 　　　　　　　（2）
　　式中　Y--射流轴心偏离水平轴之距离，m；
　　　　　a₀--射流出口轴线与水平轴之夹角；
　　　　　y--系数，与风口形式和尺寸有关，y=0.47±0.06，无因次；
　　　　　K₂--轴心温度常数，无因次；
　　　　　Ar₀--阿基米德数。
　　轴心温度衰减规律：
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　（3）
　　式中　T_O--出风口送风温度，℃；
　　　　　T_X--射程X处轴心温度，℃；
　　　　　T_R--回风温度，℃；
　　诱导风机用于空调系统与用于通风系统时，最大的区别就是前者是非等温送风，而后者是等温送风，对于非等温射流，其射程、轴心轨迹、轴心速度衰减、轴心温度衰减都将受到阿基米德准数的影响^[3]。虽然气流组织已经是一个很老的课题，但是目前可供工程设计使用的较准确的计算公式并不完善，例如非等温送风的轴心速度衰减就缺乏可靠的计算公式，因此对于非等温送风，目前国外仍然采用式（2）进行计算^[3]。同时，采用什么样的公式进行计算尚存在较大的分歧。
　　3．1．2 轴心速度常数和轴心温度常数
　　在式（1）～（3）中，轴心速度常数K₁和轴心温度常数K₂对计算结果影响很大。K₁国亦称风口特性系数、送风口常数。国内在进行射流轴心速度衰减计算时，同时采用另一个与风口有关的经验系数，被称不紊流系数a^[6]，a和K₁之间存在以下换算关系：a=0.42/ K₁。轴心速度常数是一个与风口形式和具体结构有关的实验参数，它表示轴心动能损失^[3]，对于一种形式的风口，轴心速度常数历来被看成常数，但是最近研究发现轴心速度常数并非常数，它还与送风口风速有关^[3，7]。K₁、a和K₂虽然都是由试验确定的参数，使用简单，但是国内在计算过程中也存在一些问题：①式（1）有两种形式，当式（1）中的 采用D_O替代时，公式中常数 应除去；②不同的风口采用相同的轴心速度常数，目前通用的速度衰减和射流轴心轨迹计算公式，已将喷口的轴心速度常数和轴心温度常数具体数值写入公式中，因此采用其他风口（如矩形风口，条缝风口，旋流风口等），仍采用这些计算公式，将导致明显误差；③轴心速度常数取值过大，部分厂家，为了商业利益，任意提高风口射程（即轴心速度常数），最近在国内会展类建筑的空调设计中这已是司空见惯的事。虽然各类手册和教科书都登载有轴心速度常数和轴心温度常数表，但是表中风口形式过于笼统，因此准确性较差，对于一种形式、尺寸一定的风口，一般最好通过实验来确定。表1是目前常用的轴心速度常数和轴心温度常数。
　　
　　常用风口的轴心速度和轴心温度常数 表1

　　为了确保无风道诱导风机通风空调系统的可靠性，笔者委托国家空调设备质量监督检验中心对TOPVENT® 2型诱导风机机组和空调机组用DVN球型喷口性能进行了检测，图2为诱导风机用球型喷口的轴心速度常数K₁和图3是DVN球型喷口的轴心速度常数K₁的测试结果。
　　由图2和图3可以看出：①K₁并非一个常数；②虽然诱导风机上的三个喷口形式、尺寸完全相同，但是由于安装部位和出风角度不同，K₁不同；③射程超过6m之后，诱导风机喷口K₁基本不变；④对于DVN球型喷口，出口速度增加，射程增加，K₁减
少。
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 诱导风机机组球型喷口轴心速度常数K₁
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 DVN型球型喷口轴心速度常数K₁
　　
　　3．1．3 贴附射流的影响
　　诱导风机一般都是挂在天花下部，因此除了将喷嘴置于诱导风机的底部下送外，射流一般都会贴附在天花上，形成贴附射流，通常是将贴附射流视而不见为自由射流的一半，风口断面面积加倍，因此轴心常数等于自由射流的 ，即表1最大值6.2变成8.77。
　　对于贴附射流，人们最关心的是非等温射流的贴附长度，即射流分离距离，对于非等温附射流，式（4）是目前使用最广泛的一种计算公式^[8]：
　　 　　　　　　　（4）
　　式中 x_s--射流分离距离，m；ΔP--风口静压降，Pa。
　　
　　3．1．4 多股平行射流的影响
　　由于无风道诱导风机空调系统一般都是采用多台空调机组和多台诱导风机并列，因此实际上都为多股平行非等温射流，由式（5）可以看出^[1]，多股平行射流的速度衰减慢于单股射流，射流射程加长。
　　 　　　　　　　　　（5）
　　其中l--喷口之间的间距，m。
　　比较式（1）和式（5）可以看出，多股平行射流与单股射流的区别在于前者多了一项 ，图4表示了4种不同喷口间距下，相同的射程时，两种射流轴心速度的差异，由图可知，当喷口之间的间距超过了2m时，两种射流的差异已经非常小。
　　3．1．5 设计计算方法
　　利用式（1）～式（4）和实验所得喷口轴心速度常数K₁即可进行无风道诱导风机空调系统设计计算。设计步骤如下所述：
　　①根据送风量和空气分布器标准（JG/T-1999）规定：风口全压损失应不超过100Pa的原则，选择喷口的规格和数量；②利用式（4）计算喷嘴送风长度（轴心速度为0.5m/s）；③根据射流的出风夹角为22°的规律^[3]绘制送风射流分布图；④考虑到非等温射流的影响，第一排诱导风机设置在0.8倍喷嘴送风长度x_s之处，第一排诱导风机的数量按3m间距布置，诱导风机必须在送风气流范围内；⑤利用式（3）计算末端轴心温度T_x；⑥计算第一排诱导风机的送风长度（轴心速度为0.5m/s）； ⑦第二排诱导风机设置在0.8倍诱导风机喷嘴送风长度x_s之处；⑧第二排诱导风机的数量仍按3m间距布置，数量同第一排；⑨第三排以后的诱导风机数量和间距同前；⑩分别计算射流末端轴心温度。
　　设计实例：空调机组风量5000m³/h，选择3个DVN400球型喷口（喉口直径398mm），间距2m，喉口风速度4m/s，出风速度12.1m/s时，全压损失95.4Pa，静压损失85.8 Pa，送风温度10℃，室内温度26℃，轴心速度为0.5m/s时送风距离为17m，第一排诱导风机布置在13m处，每排4台，第一排处轴心温度为25℃，第二排诱导风机布置在离第一排诱导风机6m处，每排4台。诱导风机共6排，排间距6m，台间距3m，总射程50m。最后一排轴心温度已经接近室温。以上计算结果与CFD模拟结果大致一致，主要区别是轴心温度的升高CFD模拟结果明显低于上述计算，原因可能是，由于是多股水平射流送风，除了最外侧的，射流边界卷吸的主要是送风射流，并非是像单股射流那样卷吸的是室内空气，因此轴心温度升高速度明显低于用单股射流公式计算的结果，这是无风道诱导通风系统用于空调系统中的一个新发现。