一种适用于高大空间建筑的涡旋通风系统及方法与流程

本发明涉及暖通空调领域，具体涉及一种适用于高大空间建筑的涡旋通风系统及方法。

背景技术

在建筑设计中，高大空间建筑的通风方法一直是设计关注的要点和难点。高大空间建筑一般是指空间高度大于5m，体积大于1万m³的建筑，在公用民用建筑方面主要指影剧院、音乐厅、大会堂、体育馆、展览馆等建筑。此外，工业建筑中也存在这类大型的车间、厂房。由于高大空间顶棚高、容积大，室内产生的热量向上升腾，在顶棚下积聚大量热量，导致整个空间垂直温度梯度大，温度有分层现象发生；高大空间的外墙与地板面积之比较大，导致外界界面对室内空间的自然对流影响较大，冬季易在四周造成下降冷气流；由于居留区的人员设备比较密集，地面部分散热量所占总负荷比例比较大；高大空间建筑室内体积大，换气次数小。体育馆、礼堂等建筑都属于高大空间建筑，其跨度大、层高比普通建筑高，玻璃幕墙多，在投入使用后具有人员短期密集的特点，并且使用功能多样化，对环境要求较高。

通风系统效果的好坏主要取决于通风量和通风气流组织。由于高大空间建筑体量巨大，因此通风量往往也较大，因此为了提高通风效率，降低通风能耗，高大空间建筑通风系统对气流组织的要求要远远高于一般建筑。特别是工业建筑，往往都为高大空间结构，且室内往往有多种散发余热、污染物的工艺，需要更加合理的通风系统对室内环境进行控制。高大空间建筑的通风主要需要控制靠近地面的下部区域，即工作区的通风，而现有的大多数通风方式都面向整个高大空间，导致通风量巨大，能耗很高，且由于气流组织不够合理高效，导致往往最终控制效果不够理想。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于高大空间建筑的涡旋通风系统及方法，用以解决现有技术中大多数通风方式都面向整个高大空间，导致通风量巨大，通风效果不够理想等问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种适用于高大空间建筑的涡旋通风系统，用于为高大空间建筑内部的工作区进行通风，所述的涡旋通风系统包括一组进风口以及设置在所述工作区顶部的一个排风口，所述的一组进风口安装在所述在高大空间建筑的墙壁上，其特征在于，所述的一组进风口围绕着所述工作区的外圆周分布，所述的排风口位于所述工作区的外圆周圆心的正上方；

所述的涡旋通风系统还包括一组使得从进风口进入的风以涡旋流动的方式扩散至工作区的导流板，所述的导流板与所述进风口相互平行设置，所述的导流板位于所述进风口的出口处；

所述的导流板包括导流板框、旋转轴以及多个导流叶片，所述的旋转轴以垂直于所述导流板框底端的方向与所述导流板框的顶端与底端连接，所述的导流叶片的两端通过所述的旋转轴转动连接在所述导流板框上，所述的导流叶片与导流板框之间设置有导风通道，所述的导风通道用于使从所述进风口进入的风换向至与所述工作区的外圆周相切的方向。

进一步地，所述的导流叶片为长方形，相邻的两个导流叶片相互平行设置，所述的导流叶片与所述导流板框的夹角度数与沿所述工作区外圆周所作的切线与该导流板框的顶边所形成的夹角度数相同；所述的一组导流板中所有导流叶片均沿着所述工作区的外圆周以相同的旋转方向设置。

进一步地，所述排风口距离工作区底部的垂直距离h，单位为m：

其中，a为工作区横截面积，单位为m²。

进一步地，所述的涡旋通风系统还包括可调节送风量的送风装置，所述的送风装置安装在所述进风口的进口处。

进一步地，所述的进风口内部设置有用于调节进风量的调节格栅。

一种适用于高大空间建筑的涡旋通风方法，该方法采用所述的适用于高大空间建筑的涡旋通风系统对工作区进行通风。

进一步地，该方法将进风口进入的风，经过导流板导流至相同的气流旋转方向，使得进入的风以涡旋流动的方式扩散流动至工作区，然后通过排风口排出。

进一步地，所述进风口的进风速度u0与工作区横截面积a之间满足的约束关系为：

其中：

进风速度u0的单位为m/s；

工作区横截面积a的单位为m²。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点:

1、由于柱状空气涡旋具有明显的卷吸力，能利用较小的通风量将聚积在房间下部的大密度污染物卷吸到屋顶排风装置排出室外，从而有效较低风量，提高通风效率；

2、通过涡旋通风在下部工作区的汇聚作用，限制污染物扩散到工作区以外的区域，从而有效提升了室内整体环境；

3、当送风为新鲜空气时，新鲜空气会首先流经工作区，再通过柱状空气涡旋运动到房间上部，可以有效降低工作区的空气龄，提升通风控制区内的换气效率；

4、当工作区内有间歇释放的污染源时，可以通过在污染物开始释放时加大涡旋通风系统通风量，从而将释放的污染物立即排出室外；当污染物释放结束后，涡旋通风系统可以在很短时间内将剩余污染物排出室外，随后即可降低涡旋通风系统风量或者关闭涡旋通风系统，这样就降低了系统通风量和系统运行时间，从而达到节能目的。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中提供的涡旋通风系统示意图；

图2为本发明的一个实施例中提供的导流板结构示意图；

图3为本发明的一个实施例中提供的导流叶片设置方向示意图；

图4为本发明的又一个实施例中提供的导流叶片设置方向示意图；

图5为本发明的一个实施例中提供的入风口、导流板及排风口位置示意图；

图6为本发明的又一个实施例中提供的入风口、导流板及排风口位置示意图；

图7为本发明的又一个实施例中提供的入风口、导流板及排风口位置示意图；

图8为利用本发明提供的涡旋通风方法及系统对室内污染物进行通风后的室内压力分布图；

图9利用本发明提供的涡旋通风方法及系统对室内污染物进行通风后的室内下部工作区速度矢量图；

图10为利用本发明提供的涡旋通风方法及系统对室内污染物进行通风后的室内污染物浓度分布等值面图。

图中标号代表：1-进风口，2-排风口，3-导流板，4-送风装置，11-调节格栅，31-导流板框，32-导流叶片。

具体实施方式

工作区是高大空间建筑的一部分，是建筑内部人员经常停留的地方，在这个区域内包括了人员、污染物以及空气，在本发明中工作区的长宽比不超过1.2:1，当高大空间建筑内的实际工作区的长宽比超过1.2:1时，将实际工作区划分成多个工作区。

以下是发明人提供的具体实施例，以对本发明的技术方案作进一步解释说明。

实施例一

本发明中的涡旋气流是一种旋转汇聚，辐合上升的气流运动形式，当为高大空间建筑内部的工作区，即待通风区进行通风时从设置于所述高大空间建筑墙壁上的进风口进入的送风气流，经过导流板的导流作用后，使得送出的风都沿同一时针方向流动，在高大空间建筑内部的下部形成环流，即提供角动量送风，同时配合顶部排风口的排风气流作用，在工作区顶部排风口和下部空间之间形成柱状空气涡旋，将下部空间内的污染物汇聚、卷吸并排出室外。

由于涡旋气流，尤其是柱状空气涡旋具有明显的卷吸力，能利用较小的通风量将聚积在房间下部的大密度污染物卷吸到屋顶排风口排出室外，从而有效较低风量，提高通风效率，通过涡旋气流在工作区的汇聚作用，限制污染物扩散到工作区以外的区域，从而有效提升了室内整体环境。

在此基础之上，本发明公开了一种适用于高大空间建筑的涡旋通风系统，用于为高大空间建筑内部的每一个工作区进行通风，包括一组进风口1以及设置所述工作区顶部的一个排风口2，所述的一组进风口1围绕着所述工作区的外圆周分布，所述的排风口2位于所述工作区的外圆周圆心的正上方；

所述的涡旋通风系统还包括一组使得从进风口1进入的风以涡旋流动的方式扩散至工作区的导流板3，所述的导流板3与所述进风口1相互平行设置，所述的导流板3位于所述进风口1的出口处；

所述的导流板3包括导流板框31、旋转轴以及多个导流叶片32，所述的旋转轴以垂直于所述导流板框31底端的方向与所述导流板框31的顶端与底端连接，所述的导流叶片32的两端通过所述的旋转轴转动连接在所述导流板框31上，所述的导流叶片32与导流板框31之间设置有导风通道，所述的导风通道用于使从所述进风口1进入的风换向至与所述工作区的外圆周相切的方向。

如图1所示，本发明提供了一种适用于高大空间建筑的涡旋通风系统，由于涡旋气流的生成需要满足3个基本条件：底部平面，上升气流和下部角动量气流，柱状空气涡旋中存在显著的负压梯度，切向和轴向速度，在本发明提供的系统中，通过顶部的排风口2提供上升气流，工作区的地面是底部平面，进风口1以及导流板3的配合提供角动量气流，生成涡旋气流用于通风。

在高大空间建筑中通过排风口2、进风口1以及导流板3，在房间内生成柱状空气涡旋，将高大空间建筑下部工作区内的余热、污染物在柱状空气涡旋的涡旋汇聚区内收集汇聚，并通过柱状空气涡旋的涡管输送区输送至工作区顶部的排风口2排出室外。

导流板3中每个导流叶片32的两端通过所述的旋转轴转动连接在所述导流板框31上，相邻两个导流叶片32之间可以是相互平行的，也可以存在夹角，只要能将从所述进风口进入的风换向至与所述工作区的外圆周相切的方向即可。

如图2所示，作为一种优选的实施方式，为了使导流板3中进入的风量更多，导流板3的整体形状为格栅状，其中每个导流叶片32之间是相互平行并且整体可旋转设置的，即导流叶片32都利用转轴固定在导流框架31上，导流叶片32竖向布置，每个导流板3中所有导流叶片32开启角度范围为水平方向0°～180°，因此导流板3中相邻两个导流叶片32与导流板框31顶面与底面之间或导流叶片32与导流板框31的顶面、底面以及侧面之间形成了两端通透并且中空的导风通道，通过调节导风通道与导流板框31之间的夹角，从所述进风口进入的风换向至与所述工作区的外圆周相切的方向，从而提供了下部角动量气流。

排风口2可以是抽风扇，也可以是连接排风风机的排风管，可将室内的空气排出建筑外，从而提供了上升气流。

为形成涡旋气流，导流叶片32的形状可以为弧形，整个导风通道形成弧形，使得通过导流叶片32的气流改变其原有的方向，使之换向至与所述工作区的外圆周相切的方向，从而具有角动量，导流叶片32的形状也可以是方形，通过改变导流叶片32与导流板框31的夹角，从而改变平行四边形导风通道的夹角，使得风换向至与所述工作区的外圆周相切的方向，使之具有角动量。

进一步地，所述的导流叶片32为长方形，，相邻的两个导流叶片32相互平行设置，所述的导流叶片32与所述导流板框31的夹角度数与沿所述工作区外圆周所作的切线与该导流板框31的顶边所形成的夹角度数相同；所述的一组导流板1中所有导流叶片32均顺着相同的旋转方向设置。

一组导流板1中所有导流叶片32均顺着相同的旋转方向设置也就是说的一组导流板1中所有导流叶片32均顺着相同的时针方向设置，该时针方向包括顺时针方向或逆时针方向。

沿所述工作区外圆周所作的切线与该导流板框31的顶边所形成的夹角度数的获得，包括沿工作区垂直设置的一个圆柱体区域，在该圆柱体区域的外圆周上，选择与导流板框31的顶边具有相同高度的一圈圆周，从该圆周上做切线，该切线与导流板框31的顶边相交所形成的夹角度数即为沿所述工作区外圆周所作的切线与该导流板框31的顶边所形成的夹角度数。

其中工作区外圆周是指将工作区包含在内的圆周，该圆周可以是工作区的外接圆周，也可以是面积远大于工作区面积的圆周，如图3所示，图中方块可以看作是污染源，如果污染源是按照图3的形式布置的，为了让涡旋通风最大程度生效，需要让工作区外圆周囊括污染源所在的位置，因此导流叶片32与导流板框31的夹角就要小一些，让送工作区外圆周的面积更大；如果是图4的污染源布置形式，使导流叶片32与导流板框31的夹角大一些，让工作区外圆周面积减小，可以增强涡旋的排污效果，因此导流叶片32与导流板框31的夹角与工作区外圆周半径有关，也就是说，导流叶片32与导流板框31的夹角与工作区外圆周的弧度有关，设置的导流叶片32与所述导流板框31的夹角度数与沿所述工作区外圆周所作的切线与该导流板框31的顶边所形成的夹角度数相同，使得导流叶片32与导流板框31的夹角与工作区外圆周半径产生联系，随着工作区外圆周面积的更改，调整导流叶片32与所述导流板框31的夹角度数。

导流板3中导流叶片32的与所述导流板框31的夹角影响到通风的效果，在本实施例中，如图5所示的当工作区位于高大空间建筑内部一侧时，利用高大空间建筑的三面墙设置4个进风口1及导流板3，三个导流板3中导流叶片32与所述导流板框31的夹角为90°，另外一个导流板3中导流叶片32与所述导流板框31的夹角为20°，从而形成同一顺时针方向的角动量送风，以形成柱状空气涡旋通风。

如图6所示的当工作区位于高大空间建筑内部中部时，利用高大空间建筑的两侧墙壁设置4个进风口1及导流板3，其中2个导流板3中导流叶片32与所述导流板框31的夹角为90°，2个导流板3中导流叶片32与所述导流板框31的夹角为26°，从而形成同一逆时针方向的角动量送风，以形成柱状空气涡旋通风。

当工作区的长宽比大于1.2时，则将整个实际工作区划分为多个工作区，对于每一个工作区需要一个涡旋通风系统进行通风时，可根据图7布置进风口1、排风口2以及导流板3，在房间一侧和房间中部的设计方法如图5以及图6的实施例中所示，相邻的两组涡旋通风系统所形成的柱状空气涡旋呈相反的时针方向提供角动量送风，从而形成多组互不干涉的柱状空气涡旋阵列，满足大范围通风需求。

优选地，为使涡旋通风系统中排风口2能够提供尽可能多的上升气流，使得涡旋气流能够稳定产生，所述排风口2距离工作区底部的垂直距离h，单位为m：

其中，a为工作区横截面积，单位为m²。

在本发明中，从进风口1进入的风可以是自然风，也可以是机械送风，可选地，所述的涡旋通风系统还包括可调节送风量的送风装置4，所述的送风装置4安装在所述进风口1的进口处。

当室内余热和污染物强度不高时，可降低送风装置4和屋顶排风口1中的风机功率，从而实现降低通风系统能耗。

可选地，当进风口1进入的风为自然进风时，所述的进风口1的内部设置有用于调节进风量的调节格栅11，以调整室外自然进气量的大小。

当高大空间建筑室内有间歇释放的污染源时，可以通过在污染物开始释放时加大涡旋通风系统通风量，从而将释放的污染物立即排出室外；当污染物释放结束后，涡旋通风系统可以在很短时间内将剩余污染物排出高大空间建筑室外，随后即可降低涡旋通风系统风量或者关闭涡旋通风系统，这样就降低了系统通风量和系统运行时间，从而达到节能目的。

实施例二

本发明还公开了一种适用于高大空间建筑的涡旋通风方法，该方法采用实施例一中所述的适用于高大空间建筑的涡旋通风系统对工作区进行通风。

该方法用于为高大空间建筑内部的工作区进行通风，具体地，该方法将进风口进入的风，经过导流板导流至相同的气流旋转方向，使得进入的风以涡旋流动的方式扩散流动至工作区，然后通过排风口排出。

本发明中的涡旋流动是一种旋转、辐合上升的气流运动形式，当为高大空间建筑内部的工作区，即待通风区进行通风时从进风口进入的送风气流，经过导流板的导流作用后，使得送出的风都沿相同的时针方向流动，在高大空间建筑内部的下部形成环流，即提供角动量送风，同时配合顶部排风口的排风气流作用，在工作区顶部排风口和下部空间之间形成柱状空气涡旋，将下部空间内的污染物汇聚、卷吸并排出室外。

由于涡旋气流，尤其是柱状空气涡旋具有明显的卷吸力，能利用较小的通风量将聚积在房间下部的大密度污染物卷吸到屋顶排风口排出室外，从而有效较低风量，提高通风效率，通过涡旋气流在工作区的汇聚作用，限制污染物扩散到工作区以外的区域，从而有效提升了室内整体环境。

在本发明中，当从设置于所述高大空间建筑四周墙壁上的进风口进入的送风气流为新鲜空气时，新鲜空气会首先流经工作区，再通过柱状空气涡旋运动到高大空间建筑内部的上部，可以有效降低工作区内的空气龄，提升通风控制区内的换气效率。

优选地，为了提供稳定的涡旋气流，从而将工作区下部的污染物吸到屋顶排风口排出室外，达到良好的换气效果，所述进风口的进风速度u0与工作区横截面积a之间满足关系为：

实施例三

为了验证本发明提供的涡旋通风方法及系统的对高大空间建筑室内通风效果以及对高大空间建筑室内污染物的控制作用，根据实际使用情况建立了数值模型，模型的长宽高分别为20m×10m×6m，角动量送风装置尺寸为2m×1m，排风装置尺寸为2m×2m。验证中屋顶排风速度为2m/s。通过研究模型地面中部污染源释放污染物的运动规律来判断本发明的通风效果。

本验证中涉及的气体流动为马赫数小于0.3的低速流动，故将空气视为理想不可压缩气体。湍流模型采用雷诺应力模型(rsm)进行计算，控制方程式在上面假设的基础上，得到湍流数学模型的各时均值控制方程。空间无粘项格式选用二阶迎风格式，并采用simple算法对离散方程进行求解，当速度项和压力项残差值均小于10^-3，同时温度和组分的残差值均小于10^-6时，控制方程组收敛，此时即可得到计算域内各个位置的速度、压力与污染物浓度分布。

最终建立控制方程组如下所示：

连续性方程：

动量方程：

污染物扩散方程：

上式中c是局部质量浓度；d是质量扩散系数；是扩散通量向量，μ为层流动力粘性系数；ρ为空气密度；βc为流体体积膨胀系数。

验证实例结果如图8-10所示。由图8可知，涡旋通风情况下室内存在明显的以涡管为核心的负压梯度。房间中部污染源释放的污染物会被负压梯度所吸引，从而进入涡管中，从而被输送至屋顶排风装置排出室外。

如图9所示，在通风控制区内，通风气流从房间四周向中间涡管位置汇聚。这就保证了污染物很难进行无组织扩散，在工作区内存在的污染物最终都会被汇聚到柱状空气涡旋的涡管位置，通过涡旋输送到屋顶排风装置处排出室外。

如图10所示，从房间下部污染源释放的污染物主要被集中在涡管附近，几乎没有扩散到通风控制区的其他部分。这就保证了房间内大部分位置的洁净，从而保障了通风控制区内的空气品质。