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空调建筑空气幕作用压差的正确计算方法
摘要 本文分析了空调建筑空气幕实际承受的作用压差，指出目前国内现有的空气幕设计计算方法均只考虑总作用压差中的1～2项，存在严重误差。阐明空气幕总作用压差应全面计算热压、风压、机械压及平衡压，并对各压差组成项的影响因素和计算进行了讨论，提出了总作用压差的具体计算方法。

关键词 空调 空气幕 作用压差
　　不设空气幕的空调建筑大门在5Pa正压作用下每平方米面积外泄的冷量相当于三百多平方米建筑所耗冷量。因此人员出入频繁的大门口要设计安装空气幕。但相当多的空调建筑空气幕实际未能起到应有作用。究其原因，从根本上说，是目前使用的空气幕设计计算方法不当造成的，其中空气幕作用压差计算不当是最主要的问题。空气幕是一种平面射流。平面射流在两侧压力不平衡时产生弯曲，偏向压力较小一侧。对空气幕而言，弯曲达到一定程度后就失去封闭作用。因而空气幕必须具有足够的抗弯能力，以抵抗相应的作用压差。因此，空气幕作用压差是空气幕设计后一个最重要的条件参数，其确定是空气幕计算的第一步，也是最重要的一步。但是国内对于空气幕总作用压差空竟由几部分组成，只计算某一部分会有多大误差，没有清楚的认识和明确的把握。目前国内广泛应用的几种计算方法，均是计算单一热压或单一风压作用下的空气幕的，虽然人们已认识到这是不合理的，但是目前还未有成熟的符合我国实际情况的方法[1]，从而造成空气幕计算结果偏小的后果。为此，有必要对空调建筑的空气幕作用压差进行全面深入的分析，以便正确确定空气幕作用压差。
　　建筑内外空气总作用压差的形成建立在建筑物空气质量平衡的基础上。人们早已认识到它与热压Δph及风压Δpw有关。但这并非全部。对建筑物空气流动的原因进行全面分析，可知还有两项对总作用压差有重大影响的部分目前未引起足够注意。首先是建筑物特别是空调建筑内机械送风和排风量不平衡导致的室内外空气压差，称为机械压Δpm，如空调建筑保持的正压。其次是建筑物自然渗透发生变化引起的室内外空气压差变化，称为平衡压Δpe。实际建筑物内外交外压差即部作用压差Δpz是这四个因素综合作用的结果，可用其代数和表示，即
　　　　Δpz =Δpw +Δph +Δpm -Δpe时 ………………..（1）

1 风压Δpm
　　室外空气以一定速度流动，碰到建筑物后速度降低转化为静压而形成风压Δpw，可用下式表示：
△Pw =CWρWＶW2/2 (Ｐa) ………………..(2)
　　式中　Cw----建筑风压系数，或称空气动力系数，用以表达动压转化为静压的程度；
　　　　　ρw----室外空气密度，kg/m3.
　　　　　vw----室外风速，m/s.
　　Cw是建筑物在风场中相对于风向的形状和方位的函数，在有关的手册和专著中可查到。表1给出了长方形建筑的风压系
数，可以大致上了解风压系数的分布情况。室外风速vw一般采用国家建筑气象参数标准中给出的季节最大频率和风向的数据，这种数据是在地面以上10m高度获得的。实际上由于地形、高度和树木及其他建筑遮挡的原因，一般建筑表面附近的风速往往低于气象参数标准给出的室外风速，而10m以上的风速则高于此数：
　　长方形建筑的风压系数Cw 　　　　　　　　　　　　表1
建筑方位
垂直
偏斜
迎风面
0.95
0.70
侧面
-0.4
-
背风面
-0.15
-0.50
　　　　 　　　　　　　　　　　　 （3）
　　其中k=0.11～0.14。非高层建筑可不考虑此问题。
　　现有以自然通风计算法为基础的空气幕计算方法认为只要不是迎风面，为避免复杂计算，可忽略风压，仅计算热压引起的空气流动[2]。这种方法对以增大通风量业排除余热为目标的工业建筑通风是有好处的，因为它能加大计算的安全系数。但对以减小通过大门风量为目标的空调建筑空气幕设计，是不合适的，因为不能充分考虑可能的最大压力，会造成计算结果偏小，使得空过空气幕的风量增加从而加大冷热量的消耗。由表1，可知即使不是迎风面，风压系数仍有相当数值。另外，对于空调建筑物，由于夏季冷气的流动方向是由内而外，背风面负压加剧这种流动。因而空气幕计算中不论迎风在还是背风面，风压都不应忽略。

2 热压Δph
　　室内外空气温度不同而产生密度差，使同一高度上承受的气柱压力不同，导致空气从冷侧向热侧流动的压力称为热压。热压用以下公式表式：
　　　　 　　　　　　　　（4）
　　　　 　　　　　　 （5）
　　式中　Ch----热压系数；Ch是建筑物内部纵向隔断状况的函数。对高大厂房之类无内部纵向隔断的场合等于1.0；
　各层楼之间的楼梯间和电梯间均有门隔断的现代建筑，Ch是等于0.65[3]。
其余根据内部纵向隔断程度在此区间取值；
　　　　　ρc，ρh-----分别是冷、热侧空气密度，kg/m3；
　　　　　H，h-----分别是大门高度，建筑物最高排风点高度，m；
　　　　　HZ-----空气幕作用下中和面高度，由地面起算，m；
　　　　　q, μ-----分别是空气幕效率和空气幕作用下大门的流量系数；
　　　　　Fm-----大门面积，m2；
　　　　　Fp-----与大门处空气流动方向相反的空气流动总净面积，m2；
　　　　　Fm-----与大门处空气流动方向相同的空气流动总净面积，m2；
　　由于现代空调建筑都采用铝合金门窗，气密性高，其缝隙的μF值在10-5，大大小于一般工业厂房的10-3水平，所以二楼以上的一般房间几乎没有渗透，应将注意力集中于大门、屋顶排风口等处。
　　中和面主度HZ主要与建筑高度、进排风面积比等因素有关。对一般建筑物为建筑高度的0.4～0.7倍。而建筑气密性好的建筑，在设有带空气幕的开敞大门时，可能超出此范围。

3 机械压Δpm
　　为防止未经处理的空气无组织流入室内，空调建筑往往通过送风量大于排风量的方式保持室内正压。这种由送风和排风量的不平衡造成的室内外交困压差称为机械压。机械压与风压、热压叠加使室内外压差增大。根据我国暖通空调设计规范规定，空调房间的正压不应大于50Pa。一般空调房间按5Pa正压设计，实际上，由于设计和设备情况的不同，空调房间的正压从0到50Pa甚至更大，有一个很大的分布范围。
　　机械的大小于送排风量之差及外围护结构上的开孔或缝隙面积有关，可按下式计算：
　　 　　　　　　　　　　（6）
　　式中　Cm-----机械压系数，当排风量大于进风量，Cm =1；否则Cm =-1；
　　　　　ρ-----进排风平均空气密度，kg/m3;
　　　　　Lj、Lp-----分别是进风量，排风量，m3/s；
　　　　　∑Fi-----进排风总净面积，m2，含设有空气幕的敞开大门在内。有效大门面积按下式计算：
　　 　　　　　　（7） q-----空气幕效率系数。
　　在没有确切的排风量数据时，上式中的Lj、Lp也可以用建筑物总的送风机和排风机容量代替。但因送排风管道阻力可能不同，会产生一定误差。
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4 平衡压Δpe
　　当风压、热压、机械压共同作用建立起室内外空气压差后，空气在此压差作用下将从围护结构上的孔洞和缝隙向压力较小一侧渗透，使得压差逐渐下降，直至进出建筑物的空气量平衡，形成一个新的稳定的总作用压差为止。这种建筑物为保持空气渗入和渗出量平衡而产生的压差变化，称不平衡压。平衡压与风压、热压、机械压的大小和围护结构的气密性有关，可在后三项之和的0～30%之间[4]，必须通过整个建筑物的空气质量平衡计算才可算出：
　　 　　（8）
　　式中I表示迎风面，o表示背风面，风压与计算点方位有关，热压与计算点的高度有关，可用计算机采用叠代法计算。不便要用上述方法计算时，也可采用以下结果偏大的公式近似计算[5]：
　　 　　　　　　　　　 （9）
　　式中 -----分别是迎风面、背风面的风压，用式（1）计算；
　　F′，F′′-----分别是空气幕作用下迎风面、背风面的总开口（缝隙）净面积，策m2。
　 其中设空气幕的大门面积按式（7）计算。

5 各压差成分对总作用压差的影响及比例
　　如上所述，建筑物内外空气总作用压差Δp是风压、热压、机械压和平衡压四个因素综合作用的结果。可否忽略某些因素，只计算其中的1～2项呢？以下通过一个例子来考察。
　　【例】某空调建筑总高27m，内设直接采光的中庭，中庭顶部设有排风口，面积总计0.4 m2，大门们地迎风面，宽B=4.4 m，高H=2.5 m。单层铝合金窗，窗缝总长L=2000 m；其他门处于背风面，是经常关闭的，门缝总长L=30 m；室内温度tn=26℃，ρ=1.181kg/m3，室外夏季空调计算温度tw=35℃，ρ=1.146kg/m3；室外平均风速1.6m/s；室内新风量为9.8 m3/s，机械排风量为8 m3/s。计算空气幕总作用压差并比较热压、风压、机械压、平衡压各部分相对大小。
　　【解】根据Δpz =Δpw +Δph +Δpm -Δpe 由式（2）～（9），分别计算出风压、热压、机械压、平衡压的数值，列于表2。计算细节说明如下：
　　　计算例　　　　　　　　　　　　　　表2
压差组成
热压Δph
风压Δpw
设备压Δpm
平衡压Δpe
总压差Δpz
计算值（Pa）
-0.75
1.39
-1.70
0.54
-1.59
比例
0.47
0.87
1.07
0.34
1
　　（1）设计算对象近似矩形建筑，查得迎风面风压系数Cw=0.95，背风面风压系数Cw =-0.15，不考虑风速沿高度的变化。
　　（2）车间建筑设计对称，除大门以外，迎见面和背风面的其他空气流动面积（缝隙面积）分布均匀，可认为相等。
　　（3）由[9]表3.23推得铝合金窗窗缝μF≈3.2×10-5，由[5]表4-4门缝μF=0.01
　　（4）取空气幕效率q=0.8，据[4]空气幕射流角30°， ，可用侧送空气幕的大门流量系数值。查[5]表4-3得μ=0.425，则包含空气幕的大门的迎风面空气流动面积F′和北风面空气流动面积F′′分别为：
　F′=4.4×2.5×(1-0.8)×0.245+2000×3.20×10-5/3=0.56m2
F′′=30×0.01+2000×3.20×10-5×2/3+0.4×0.64=0.3+0.043+0.256=0.599
　　(5)考虑到空调送排风系统管道的复杂，计算热压时不计机械送排风开口的影响。分析表2数据可看出：
　　（1）由于总作用压差是代数和，因而有可能出某项压差绝对值大于总压差的现象。
　　（2）夏季空调建筑热压所占比例很小。其原因首先是因为空调内外温差较小，如果按冬季空调，室内20℃，室外-10℃时，经试算热压将达2.93Pa，其绝对值大于总压差。其次现代空调建筑门窗气密性大大提高，使得中和面高度降低，热压减少。若按一般双层钢窗流量系数μF=0.0014计，经试算热压可达6.91Pa，其绝对值亦大于总压差。由此可知，对夏季密闭良好的空调建筑，仅计算单一热压来确定空调建筑空气幕时，计算结果将偏小。本例中小50%以上，其他情况下偏小程度与风速、温差、排风比和密闭程度有关。
　　（3）设备压所占比例相当大。本例中空调建筑为保持正压而设置的风机设备造成的压力绝对值比总作用压差还大，若忽略不计将造成重大误差。
　　（4）风压所占比例较高。娄室外风速较高时，风压绝对值有大于总作用压差的可能。但由于平衡压也随风速增大且与风压方向相反，部分抵消了风压的作用，故若用单一风压计算空气幕将有偏大和偏小两种可能，其偏离程度与风速、温差、排风比和密闭程度有关。

6 结论

　　1．目前国内使用的空气幕设计方法未全面考虑空调建筑空气幕所实际随的压力，采用单一热压或风压做计算压差，计算结果严重偏小，不宜用于空调建筑物空气幕计算。
　　2．空调建筑空气幕总作用压差应综合考虑热压、风压、机械压及平衡压，按式（1）～（9）计算。

参考文献
　　1秦红，空气幕现有设计计算方法应用与扩展分析，2002年全国暖通空调制冷年学术年会论文集
　　2 孙一坚，简明通风设计手册，北京：中国建筑工业出版社，1999
　　3 1989 ASHRAE Handbook-Heating, Ventilating, and Air Conditioning Fundamentals
　　4 Faye C. McQuiston, Jerild D. Parker. Heating, Ventilation and Air Conditioning Analysis and Design. Second Edition. New York: John Wiley & sons pub. Com., 198.
　　Nils R. Grimm, Robert C. Rolsaler. Handbook of HVAC Design. New York: McGraw-Hill pub. com, 1990
　　6 井上宇市著，范存养等译，空气调节手册，北京：中国建筑工业出版社，1986。