1
第六章气流分布与室内环境清华大学 建筑学院建筑技术科学系
2004年
2
第 1讲 通风有效性的评价方法
3
气流分布与热湿环境和空气品质的关系
广义上讲，受控对象所需要的热湿环境和室内空气品质都是通过合适的气流分布形成的（不论是自然对流，还是强制通风）
狭义的气流分布指的是上（下、侧、中）送上（下、
侧、中）回或置换送风、个性化送风等具体的送回风形式；而广义的气流分布，是指一定的送风口形式和送风参数所带来的室内气流相关参数分布 (Air
Distribution)。
4
理想的气流分布形式
两种典型的理想气流分布是均匀混合和活塞流动
均匀混合：室内各种参数都完全一样（空间各处均存在理想的搅拌装置：搅拌但不带入热量等）
活塞流动：送入的空气完全占有原来空气的位置，
二者不发生质量和能量交换
实际情况都不是均匀混合和活塞流动，因此不同的气流分布会形成完全不同的热湿环境和室内空气品质
5
均匀混合时的室内参数
已知房间体积 V(m3)，送风量
Q(m3/s)，单位体积余热量
（显热） q(W/m3)、余湿量
W(g/m3s)、污染源 S(g/m3s)；
送风温度 ti、绝对湿度 di、污染物浓度 Ci
p
ni
p
in C
qt
QC
qVtt
niin Wt
Q
WVdd
niin SC
Q
SVCC
Q
V
n
房间的温度、湿度和污染物浓度由源强度和名义时间常数（换气次数的倒数）确定，
与源的具体位置无关
6
活塞流动时的室内参数
已知房间体积 V(m3)，送风量 Q(m3/s)，单位体积余热量（显热） q(W/m3)、余湿量
W(g/m3s)、污染源 S(g/m3s)；送风温度 ti、绝对湿度 di、污染物浓度 Ci
房间的温度、湿度和污染物浓度在经过源之前等于送风参数，经过源之后等于均匀混合后的参数，即由源强度和名义时间常数（换气次数的倒数）确定
7
实际气流分布形式
三种典型的送风形式：
混合通风、置换通风、
个性化送风
8
实际送风的气流形式
几种典型的气流形式：上送上回、上送下回、下送下回、侧送上下回
9
实际气流的评价方法
实际的气流分布都不会是理想的气流形式，
空间各处的参数是不均匀的，且受送回风形式（风口位置、类型和数量，风量）、送风参数、污染源的强度和位置影响，因此需要对实际气流分布好坏进行评价的方法
根据通风气流的目的，气流分布的评价分为三个方面
通风有效性
排污有效性
能量利用有效性与热舒适
10
通风有效性评价的三个方面
空气龄
换气效率
可及性
11
1 空气龄 (Air Age)
最早于 20世纪 80年代由
Sandberg提出。空气龄是指送风到达房间某点的时间。
在房间内污染源分布均匀且送风为全新风时，
某点的空气龄越小，说明该点的空气越新鲜，
空气品质就越好。
12
与空气龄相关的两个参数
残余时间 (Residual lifetime)
空气从当前位置到离开房间的时间
驻留时间 (Residence time )
空气离开房间时空气龄
p r l r
13
空气龄、残余时间和驻留时间示意图点 P
进口出口进口出口
τ r1
τ p
τ r
14
空气龄的频率分布函数和累积分布函数
从统计角度来看，房间中某一点的空气由不同的空气微团组成，这些微团的年龄各不相同。因此该点所有微团的空气年龄存在一个频率分布函数 f(τ )和累计分布函数 F(τ )
)()(
0
Fdf
1)(0)0( FF
15
空气龄与频率分布函数和累积分布函数的关系
0
)( dfp
0
)](1[ dFp
16
几处典型的空气龄或时间
出口处的空气龄
出口这一点的空气龄
平均驻留时间
出口空气驻留时间的质量平均
房间平均空气龄
房间各点空气龄的体平均
17
示踪气体
利用示踪气体研究建筑物空气分布与渗透特性是通风实验测量的重要手段。
示踪气体的目的是准确标识室内空气流动特性，
因此必须具有 被动特性,即能够完全跟随空气流动。同时，作为在实验研究中的气体，必须具有可测性,即能够使用现有仪器比较方便地测量出气体的浓度。另外，实验中应用的示踪气体需要具有 稳定性,一般情况下不与空气及其他物质发生物理或化学反应，以及无毒性等。
常见的示踪气体包括甲烷,SF6、二氧化碳等。
18
示踪气体的常见释放方法
脉冲法（ pulse method）：在释放点释放少量的示踪气体，记录测量点处示踪气体浓度随时间的变化过程。
上升法（ step-up method）：在释放点连续释放固定强度源的示踪气体，记录测量点处示踪气体浓度随时间的变化过程。
下降法（或衰减法）（ step-down or decay
method）：房间中示踪气体的浓度达到平衡状态后，停止释放示踪气体，记录测量点处示踪气体浓度随时间的变化过程。
19
脉冲法测空气龄
在通风房间的入口释放少量示踪气体，记录被测点的浓度变化过程
频率分布函数
空气龄公式
0
( ) ( )
()
( / )()
pp
p
CC
f
mQCd
00
0
( ) ( )
( / )()
pp
p
p
C d C d
mQCd
Q为送风量； m为脉冲法释放的示踪气体的质量
20
上升法测空气龄
在房间入口处恒定释放示踪气体，记录被测点的浓度随时间变化情况
累积分布函数
空气龄公式
( ) ( )()
( ) ( / )
pp
p
CCF
C m Q
00
( ) ( )[ 1 ] [ 1 ]
( ) ( / )
pp
p
p
CCdd
C m Q
为上升法中示踪气体的释放速率。m?
21
下降法测空气龄
待通风房间各点浓度平衡后，停止示踪气体加入，测量被测点的浓度变化过程
累积分布函数
空气龄公式
0
()
( 0 )
p
p
p
Cd
C
()1 ( )
(0 )
p
p
CF
C
22
2 换气效率
对于理想,活塞流,的通风条件，房间的换气效率最高。此时，房间的平均空气龄最小，它和出口处的空气龄、房间的名义时间常数存在以下的关系,
11
22p e n
23
换气效率的定义及含义
定义实际通风条件下房间平均空气龄与活塞流下的比值为换气效率（该值不大于 1），它反映了新鲜空气置换原有空气的快慢与活塞通风下置换快慢的比较
100%
2
n
a
p
24
常见送回风形式的换气效率
η a≈ 100％
(a)近似活塞流
η a＝ 50～ 100％
(b)下送上回
η a≈ 50％
(d)上送上回
η a＝ 50％
(c)顶送上回
25
房间平均空气龄的测量方法
脉冲法
上升法
下降法
0
0
)
)(
)(
1(
)
)(
)(
1(
d
C
C
d
C
C
e
e
e
e
p
其中 Ce(?)是出口处的浓度
0
0
2
)(
)(
2
1
dC
dC
e
e
p
0
0
)(
)(
dC
dC
e
e
p
26
以下降法为例证明平均空气龄公式（ 1）
0
()
( 0 )
p
p
p
Cd
C
0)(
)0()0()0(
M
VCVCM p
V
ep dCQMdVCM
0
)()0()()( )()(' eQCM
0
1
0
1
0
1
0
1'
0
1
0
)()()(
))(()]([)(
dMdMM
MddMdC
QQQ
QQe
27
以下降法为例证明平均空气龄公式（ 2）
0
00
001
)(
)(
)0(
)(
)0(
)(
)0(
)(
dC
dC
M
dCQ
M
dM
VC
dV dC
dV
e
ee
V
V
p
pVp
28
空间各点的换气效率
空间各点的换气效率
空间各点的换气效率可以大于 1，反映了新鲜空气替换原有空气的有效程度
%1 0 0
p
n
p?
29
3 送风可及性
传统的气流组织评价指标，如空气龄和换气效率，均反映的是稳态情况
近年来的恐怖袭击和反恐通风，以及
SARS期间有害病毒传播的范围，使人们越来越关注有限时间内送风的有效性
30
送风可及性的定义
在流场不变的条件下，假设某送风口的空气含有示踪气体（其余风口不含示踪气体，房间内部也无源），且浓度为 Cs,i，
则该送风口对空间任一位置在时间?时的可及性定义为
is
0 i
is C
dttC
A
,
,
)(
)(
31
可及性的物理意义
可及性是流场自身的特性，与示踪气体无关
可及性反映了在一定时间内，各风口送风到达空间各点的相对程度
单一风口经过足够长时间后，空间各点的可及性均为 1
多个风口经过足够长时间后，在空间各点的可及性和为 1
32
送风可及性的性质
00zyxA is?),,,(,
0zyxA is ),,,(,
1),,,(4),,,(lim, izyxSV EzyxA is
M
1i
isM1s zyxAzyxA ),,,(),,,(,...,
33
送风污染物浓度的表达式
当房间初始浓度均匀时，若已知各入口的送风浓度且无内部源时，各点从开始时刻到目前的时平均浓度可表达为：
M
i
isis ACCC
1
,0,0 )()()(C
34
稳态送风可及性
稳态时的送风可及性反映了空间各点的空气有多少来自这个风口，有多少来自那个风口
根据送风可及性的大小，可以确定各风口对空间各处的影响程度，从而可更有针对性地调节各送风口的参数来改变空间各处的值
35
小结
可以用空气龄、换气效率和送风可及性三种指标评价某种通风形式的通风效率
空气龄可以用示踪气体方法测量，有三种释放示踪气体的方法
换气效率中的房间平均空气龄可以通过测量房间排风处的示踪气体浓度变化过程而得到
可及性反映了各送风口的空气在给定时间到达空间各处的有效程度
36
思考题
试分析采用示踪气体测量空气龄的三种释放方法的优缺点：（ 1）脉冲法；（ 2）上升法；
（ 3）下降法（或衰减法）
试推导均匀混合通风时空气龄、驻留时间、
换气效率、可及性的表达式
证明送风可及性在单个送风口的通风房间中具有下列基本性质：
As(x,y,z,t)是 t的单调递增函数。
1),,,(0zyxA s
1),,,(lim),,,( zyxAzyxA ss
0),,,(lim)0,,,( 0 zyxAzyxA ss
第六章气流分布与室内环境清华大学 建筑学院建筑技术科学系
2004年
2
第 1讲 通风有效性的评价方法
3
气流分布与热湿环境和空气品质的关系
广义上讲，受控对象所需要的热湿环境和室内空气品质都是通过合适的气流分布形成的（不论是自然对流，还是强制通风）
狭义的气流分布指的是上（下、侧、中）送上（下、
侧、中）回或置换送风、个性化送风等具体的送回风形式；而广义的气流分布，是指一定的送风口形式和送风参数所带来的室内气流相关参数分布 (Air
Distribution)。
4
理想的气流分布形式
两种典型的理想气流分布是均匀混合和活塞流动
均匀混合：室内各种参数都完全一样（空间各处均存在理想的搅拌装置：搅拌但不带入热量等）
活塞流动：送入的空气完全占有原来空气的位置，
二者不发生质量和能量交换
实际情况都不是均匀混合和活塞流动，因此不同的气流分布会形成完全不同的热湿环境和室内空气品质
5
均匀混合时的室内参数
已知房间体积 V(m3)，送风量
Q(m3/s)，单位体积余热量
（显热） q(W/m3)、余湿量
W(g/m3s)、污染源 S(g/m3s)；
送风温度 ti、绝对湿度 di、污染物浓度 Ci
p
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p
in C
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QC
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niin Wt
Q
WVdd
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Q
SVCC
Q
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房间的温度、湿度和污染物浓度由源强度和名义时间常数（换气次数的倒数）确定，
与源的具体位置无关
6
活塞流动时的室内参数
已知房间体积 V(m3)，送风量 Q(m3/s)，单位体积余热量（显热） q(W/m3)、余湿量
W(g/m3s)、污染源 S(g/m3s)；送风温度 ti、绝对湿度 di、污染物浓度 Ci
房间的温度、湿度和污染物浓度在经过源之前等于送风参数，经过源之后等于均匀混合后的参数，即由源强度和名义时间常数（换气次数的倒数）确定
7
实际气流分布形式
三种典型的送风形式：
混合通风、置换通风、
个性化送风
8
实际送风的气流形式
几种典型的气流形式：上送上回、上送下回、下送下回、侧送上下回
9
实际气流的评价方法
实际的气流分布都不会是理想的气流形式，
空间各处的参数是不均匀的，且受送回风形式（风口位置、类型和数量，风量）、送风参数、污染源的强度和位置影响，因此需要对实际气流分布好坏进行评价的方法
根据通风气流的目的，气流分布的评价分为三个方面
通风有效性
排污有效性
能量利用有效性与热舒适
10
通风有效性评价的三个方面
空气龄
换气效率
可及性
11
1 空气龄 (Air Age)
最早于 20世纪 80年代由
Sandberg提出。空气龄是指送风到达房间某点的时间。
在房间内污染源分布均匀且送风为全新风时，
某点的空气龄越小，说明该点的空气越新鲜，
空气品质就越好。
12
与空气龄相关的两个参数
残余时间 (Residual lifetime)
空气从当前位置到离开房间的时间
驻留时间 (Residence time )
空气离开房间时空气龄
p r l r
13
空气龄、残余时间和驻留时间示意图点 P
进口出口进口出口
τ r1
τ p
τ r
14
空气龄的频率分布函数和累积分布函数
从统计角度来看，房间中某一点的空气由不同的空气微团组成，这些微团的年龄各不相同。因此该点所有微团的空气年龄存在一个频率分布函数 f(τ )和累计分布函数 F(τ )
)()(
0
Fdf
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15
空气龄与频率分布函数和累积分布函数的关系
0
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16
几处典型的空气龄或时间
出口处的空气龄
出口这一点的空气龄
平均驻留时间
出口空气驻留时间的质量平均
房间平均空气龄
房间各点空气龄的体平均
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示踪气体
利用示踪气体研究建筑物空气分布与渗透特性是通风实验测量的重要手段。
示踪气体的目的是准确标识室内空气流动特性，
因此必须具有 被动特性,即能够完全跟随空气流动。同时，作为在实验研究中的气体，必须具有可测性,即能够使用现有仪器比较方便地测量出气体的浓度。另外，实验中应用的示踪气体需要具有 稳定性,一般情况下不与空气及其他物质发生物理或化学反应，以及无毒性等。
常见的示踪气体包括甲烷,SF6、二氧化碳等。
18
示踪气体的常见释放方法
脉冲法（ pulse method）：在释放点释放少量的示踪气体，记录测量点处示踪气体浓度随时间的变化过程。
上升法（ step-up method）：在释放点连续释放固定强度源的示踪气体，记录测量点处示踪气体浓度随时间的变化过程。
下降法（或衰减法）（ step-down or decay
method）：房间中示踪气体的浓度达到平衡状态后，停止释放示踪气体，记录测量点处示踪气体浓度随时间的变化过程。
19
脉冲法测空气龄
在通风房间的入口释放少量示踪气体，记录被测点的浓度变化过程
频率分布函数
空气龄公式
0
( ) ( )
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pp
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CC
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mQCd
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Q为送风量； m为脉冲法释放的示踪气体的质量
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上升法测空气龄
在房间入口处恒定释放示踪气体，记录被测点的浓度随时间变化情况
累积分布函数
空气龄公式
( ) ( )()
( ) ( / )
pp
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( ) ( / )
pp
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为上升法中示踪气体的释放速率。m?
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下降法测空气龄
待通风房间各点浓度平衡后，停止示踪气体加入，测量被测点的浓度变化过程
累积分布函数
空气龄公式
0
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p
p
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2 换气效率
对于理想,活塞流,的通风条件，房间的换气效率最高。此时，房间的平均空气龄最小，它和出口处的空气龄、房间的名义时间常数存在以下的关系,
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22p e n
23
换气效率的定义及含义
定义实际通风条件下房间平均空气龄与活塞流下的比值为换气效率（该值不大于 1），它反映了新鲜空气置换原有空气的快慢与活塞通风下置换快慢的比较
100%
2
n
a
p
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常见送回风形式的换气效率
η a≈ 100％
(a)近似活塞流
η a＝ 50～ 100％
(b)下送上回
η a≈ 50％
(d)上送上回
η a＝ 50％
(c)顶送上回
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房间平均空气龄的测量方法
脉冲法
上升法
下降法
0
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其中 Ce(?)是出口处的浓度
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以下降法为例证明平均空气龄公式（ 1）
0
()
( 0 )
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Cd
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0)(
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M
VCVCM p
V
ep dCQMdVCM
0
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0
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0
1
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1
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1'
0
1
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dMdMM
MddMdC
QQQ
QQe
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以下降法为例证明平均空气龄公式（ 2）
0
00
001
)(
)(
)0(
)(
)0(
)(
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)(
dC
dC
M
dCQ
M
dM
VC
dV dC
dV
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ee
V
V
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pVp
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空间各点的换气效率
空间各点的换气效率
空间各点的换气效率可以大于 1，反映了新鲜空气替换原有空气的有效程度
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p
n
p?
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3 送风可及性
传统的气流组织评价指标，如空气龄和换气效率，均反映的是稳态情况
近年来的恐怖袭击和反恐通风，以及
SARS期间有害病毒传播的范围，使人们越来越关注有限时间内送风的有效性
30
送风可及性的定义
在流场不变的条件下，假设某送风口的空气含有示踪气体（其余风口不含示踪气体，房间内部也无源），且浓度为 Cs,i，
则该送风口对空间任一位置在时间?时的可及性定义为
is
0 i
is C
dttC
A
,
,
)(
)(
31
可及性的物理意义
可及性是流场自身的特性，与示踪气体无关
可及性反映了在一定时间内，各风口送风到达空间各点的相对程度
单一风口经过足够长时间后，空间各点的可及性均为 1
多个风口经过足够长时间后，在空间各点的可及性和为 1
32
送风可及性的性质
00zyxA is?),,,(,
0zyxA is ),,,(,
1),,,(4),,,(lim, izyxSV EzyxA is
M
1i
isM1s zyxAzyxA ),,,(),,,(,...,
33
送风污染物浓度的表达式
当房间初始浓度均匀时，若已知各入口的送风浓度且无内部源时，各点从开始时刻到目前的时平均浓度可表达为：
M
i
isis ACCC
1
,0,0 )()()(C
34
稳态送风可及性
稳态时的送风可及性反映了空间各点的空气有多少来自这个风口，有多少来自那个风口
根据送风可及性的大小，可以确定各风口对空间各处的影响程度，从而可更有针对性地调节各送风口的参数来改变空间各处的值
35
小结
可以用空气龄、换气效率和送风可及性三种指标评价某种通风形式的通风效率
空气龄可以用示踪气体方法测量，有三种释放示踪气体的方法
换气效率中的房间平均空气龄可以通过测量房间排风处的示踪气体浓度变化过程而得到
可及性反映了各送风口的空气在给定时间到达空间各处的有效程度
36
思考题
试分析采用示踪气体测量空气龄的三种释放方法的优缺点：（ 1）脉冲法；（ 2）上升法；
（ 3）下降法（或衰减法）
试推导均匀混合通风时空气龄、驻留时间、
换气效率、可及性的表达式
证明送风可及性在单个送风口的通风房间中具有下列基本性质：
As(x,y,z,t)是 t的单调递增函数。
1),,,(0zyxA s
1),,,(lim),,,( zyxAzyxA ss
0),,,(lim)0,,,( 0 zyxAzyxA ss
