一种多股小风束形体适应性的个性化通风末端装置的制作方法

1.本发明涉及暖通技术空调设备领域，具体涉及一种多股小风束形体适应性的个性化通风末端装置。


背景技术：

2.建筑的主要功能是保证使用者不受室外天气条件的影响，并且提供舒适的室内环境。随着科技与经济的迅速发展，人们对于建筑有了更高的要求：更舒适、更高的空气质量、更节能。
3.根据清华大学建筑节能研究中心对我国建筑领域用能及排放的核算结果：2018年我国建筑建造和运行用能占全社会总能耗的37％，与全球比例接近。其中，暖通空调能耗在建筑能耗中占有很大比例。据统计，发达国家暖通空调能耗约为建筑能耗的65％。但即便建筑能耗如此之大，所营造的室内环境由于其热舒适性与室内空气品质的不足，也无法完全令人满意。这种现象在大多数使用传统集中系统：如混合通风和置换通风进行室内环境调节的办公建筑中更为突出。
4.为了提高室内人员的热舒适，改善室内空气品质，个性化通风(personalized ventilation，pv)作为一种将已调节好的新风直接输送到工作人员呼吸区的送风方式，越来越受到人们的重视。在这种送风方式下，使用人员可以根据自己的个性化需求单独控制空调送风，以实现一个满足个人要求的办公微环境。在办公建筑中，由于其这一特性，个性化通风系统在提高热舒适性、改善室内空气质量以及节能方面拥有巨大的潜力。
5.桌面个性化系统，由于其灵活性，可以带来更舒适的热环境、改善室内空气品质，因此成为最常用的一种个性化通风系统。
6.但是依然有研究发现由桌面个性化系统带来的不适。现有的桌面个性化通风装置，一般只单独考虑对头部送风或对胸部通风。对于向头部送风的端装置，通风不能完全覆盖头部，头部流场不均匀且中心速度非常高，从而会带来热不舒适的问题。湍流强度可以缩小全身和面部之间的热感觉差异，在供冷工况下，个性化通风系统采用较高的湍流强度可以降低通风风险，因而应该是有利的。但是为了保持更长和更集中的核心区域，以防止气流过多的掺混，通常采用低湍流强度的送风射流。有学者对个性化通风进行主观实验发现，30％的受试者报告了pv引起了眼睛干涩感。在气流流速增加的情况下，视疲劳现象会变得严重。并且靠近面部供应的个性化空气可能会增加眨眼和皮肤刺激，可能会感觉不舒服。在与置换通风结合的桌面个性化通风系统使用中，由于使用者呼出的气体分布可能会出现较大的不均匀性和空间差异，这会导致交叉感染。
7.因此，个性化通风末端应降低通风风险，尽可能保证气流间不掺混以保证将最洁净的新风送至使用者，并通过增大送风的面积，以减弱热不均匀，从而提升热舒适性。另外，个性化通风末端装置也应关注眼睛干涩、皮肤刺激等问题，尽可能提高使用者的适用体验。无论是在提升舒适性，还是在提升室内空气质量的方面，都有必要开发一种新型的个性化通风末端，以减轻上述个性化通风系统末端存在的问题，以带来更好的使用体验。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种多股小风束形体适应性的个性化通风末端装置，以解决现有技术中存在的问题。
9.为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种多股小风束形体适应性的个性化通风末端装置，包括形体适应性孔板、变频风机、连接软风管和控制面板。所述控制面板安装在办公桌的桌面上。
10.所述形体适应性孔板竖直设置在办公桌的一侧，形体适应性孔板的内部中空，形体适应性孔板面向办公桌的一侧设置有若干通风孔。
11.所述形体适应性孔板与连接软风管连接，连接软风管与变频风机连接，变频风机位于室外并与新风出风口连接。
12.使用时，使用者坐在所述办公桌的一侧且面向形体适应性孔板，使用者根据需求，通过控制面板控制变频风机调整到合适风量，新风通过形体适应性孔板吹向使用者的头部和胸部。
13.进一步，所述形体适应性孔板的纵切面呈倒t形。
14.进一步，所述形体适应性孔板的上边缘位于办公桌桌面的上方。
15.进一步，所述形体适应性孔板的下端设置有进风口，进风口通过静压箱与连接软风管连接。
16.本发明的有益效果在于：
17.1.根据使用者的个性化需求进行调节，可作为办公用个性化送风的末端设备；
18.2.相较于传统个性化送风末端，在保证送风量相同的条件下，新型个性化通风系统末端的风压仅为传统个性化通风系统末端的风压4.86％，远远降低了风压，提高舒适性；
19.3.兼顾了人体重要的散热部位：头部和胸部，避免了传统个性化通风末端只向头部或胸部送风可能会造成温度的不均匀性，进一步提升舒适性；
20.4.形体适应性孔板出风口由于主要应用孔板射流的汇合段，减少射流与室内空气的掺混，将新鲜空气直接送至使用者面部，提高使用者面部的空气质量；
21.5.结构简单，易于实现，价格低廉，安装使用方便。
附图说明
22.图1为本发明装置的示意图；
23.图2为形体适应性孔板的正视图；
24.图3为形体适应性孔板的射流示意图；
25.图4为本发明装置的安装示意图。
26.图中：形体适应性孔板1、进风口101、变频风机2、连接软风管3、控制面板4、办公桌5、送风散流器6和回风单层百叶7。
具体实施方式
27.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
28.实施例1：
29.本实施例公开了一种多股小风束形体适应性的个性化通风末端装置，包括形体适应性孔板1、变频风机2、连接软风管3和控制面板4。参见图1，所述控制面板4安装在办公桌5的桌面上。
30.所述形体适应性孔板1竖直设置在办公桌5的一侧，形体适应性孔板1的内部中空，形体适应性孔板1面向办公桌5的一侧设置有若干通风孔。所述形体适应性孔板1的上边缘位于办公桌5桌面的上方。
31.所述形体适应性孔板1的纵切面呈倒t形，形体适应性孔板1的尺寸根据使用者的体型确定。
32.参见图2，所述形体适应性孔板1的下端设置有进风口101，进风口101通过静压箱与连接软风管3连接。
33.所述连接软风管3与变频风机2连接，参见图4，变频风机2位于室外并与新风出风口连接，室内的天花板上安装有送风散流器6和回风单层百叶7。
34.使用时，使用者坐在所述办公桌5的一侧且面向形体适应性孔板1，使用者可根据需求，通过控制面板4控制变频风机2调整到合适风量，参见图3，新风通过形体适应性孔板1吹向使用者的头部和胸部，形体适应性孔板1根据使用者头部和胸部的尺寸经计算后，可保证送风以多股小风束的形式到达工作区，在送风的过程中，小风束之间不发生掺混。
35.本实施例所述形体适应性孔板1的设计可采用如下方法：
36.所述形体适应性孔板1的基本特征可用开孔率(或有效面积系数)k表示，即
[0037][0038]
式中：f0—孔口总面积；f1—孔板面积。
[0039]
根据《简明空调设计手册》，孔板射流的扩散角θ为9
°
～10
°
(一侧),选取10
°
的扩散角，当送风口距面部距离x0为40cm，为保证仍为小风束到达面部，孔间距l应保证：
[0040]
l＝2(x0tanθ r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0041]
式中：l—孔间距；x0—送风口距面部距离；θ—孔板射流的扩散角；r—孔口半径。
[0042]
本发明利用孔板送风风汇合段。考虑最不利情况，即送风的最远点为汇合段与起始段的交界处。由于中心温度和中心风速的衰减都是在汇合段内发生的，只取决于开孔率的大小和孔口特性，与射程无关。因此汇合段最远处(起始段)的中心速度可由下式计算：
[0043][0044]
式中：u
x
—汇合段最远处(起始段)的中心速度；u0—孔口出流速度；k1，k2，k3—分别为考虑射流受限、重叠及不等温的修正系数；k—开孔率；μ—孔口流量系数，由管道式孔板直接送出时，μ＝0.5。
[0045]
值得说明的是，通过对孔板出流的等温射流的研究表明，由各个小孔出流的射流在汇合为总流前存在一个汇合段。本实施例所述个性化送风末端装置利用孔板射流汇合段的特点，将桌面个性化cmp系统中的传统平头圆锥形风口，改变为拥有多个小型圆形风口的孔板。通过排布圆形孔口和设计孔板形状，兼顾人体散热最多的头部与胸部，设计了本专利的多股小风束形体适应性的个性化通风末端装置。
[0046]
本实施例所述装置用多股小风束代替单股大风束，并充分考虑使用者形体，以降低现有桌面个性化通风系统送风末端可能带来如眼睛干涩、皮肤刺激等不适，从而提高舒适性的个性化通风送风末端优化装置。通过优化传统个性化送风末端，将单股射流改变为多股不掺混的小风束射流，并兼顾头部和胸部，增大射流在使用者的作用面积，以此降低使用者面部的风压，通过可调风阀满足不同使用者对风量的个性化需求，从而提高个性化通风的舒适性。另外，由于射流主要应用汇合段，减少射流与室内空气的掺混，同时提高使用者吸入的空气质量。
[0047]
实施例2：
[0048]
本实施例主要结构同实施例1，进一步，实施例1中所述装置各个部件的尺寸设计如下：
[0049]
一、计算依据
[0050]
1、风口流量设定
[0051]
个性化通风系统可以接受的流量具体范围为7
–
15l/s，并且有研究显示，通风效果虽然随流速增加而增加，但当流速高于10l/s时通风效果保持不变。因此在本实施例中，末端装置的送风流量l设定为10l/s，即0.01m3/s。
[0052]
2、风口与使用者面部距离设定
[0053]
根据人体工程学，在办公室中，个性化通风系统风口与使用者面部的距离推荐为40cm-60cm。在本实施例中，风口与使用者面部距离x0设定为40cm，即0.4m。
[0054]
3、孔口出流风速与送风面积
[0055]
为避免孔口出流时产生较大的噪声并保证工作区流速处于合宜的范围，一般孔口出流风速u0≤4m/s，本实施例中孔口出流风速u0设定为3m/s。
[0056]
由式(4)可得到送风面积f0’
：
[0057][0058]
式中：l—送风流量，m3/s。
[0059]
4、孔口间距
[0060]
孔间距l应保证式(2)的要求：
[0061]
5、办公桌
[0062]
办公桌选择标准单人办公桌，尺寸为1200mm
×
800mm
×
750mm。
[0063]
二、孔板与孔口尺寸设计
[0064]
为了尽可能增加射流数量，以保证增大作用于使用者面部的送风面积，降低气流对皮肤及眼睛的刺激，减少气流间的掺混，从而提高桌面个性化通风系统的舒适性，设计时需尽可能减小射流孔口面积。为了保证射流间不进行掺混，设计9个圆形孔口，每个圆形孔口面积f’由式(5)可得：
[0065][0066]
圆形孔口半径r确定为0.01m，即10.0mm。
[0067]
因此孔口实际面积f由式(6)确定为：
[0068]
f＝πr2＝0.000314m2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0069]
因此，孔口实际总面积f0由式(7)确定为：
[0070]
f0＝9f＝9
×
0.000314＝0.00287m2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0071]
实际射流风速v为：
[0072][0073]
本实施例利用孔板送风汇合段。考虑最不利情况，即送风的最远点为汇合段与起始段的交界处，则使用者面部应为汇合段终点。当送风口距面部距离x0为40cm，为保证仍为小风束到达面部，孔间距l应保证为：
[0074]
l＝2(x0tanθ r)＝2
×
(400
×
tan10
°
10.0)＝161.06mm
[0075]
取孔间距l为160mm，即16cm。
[0076]
为兼顾头部与胸部的送风，将9个圆形孔口根据人体上半身的形体进行排布，由孔间距和圆形孔口尺寸可得到倒“t”型孔板尺寸。孔板尺寸设定为：320mm
×
300mm 300mm
×
460mm；
[0077]
因此，孔板面积f1为
[0078]
f1＝320
×
300 300
×
460＝234000mm2＝0.2340m2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0079]
三、静压箱校核设计
[0080]
为保证孔板均匀送风，应设置静压箱，静压箱内应保持较高而稳定的静压以作为稳压层。对于孔板送风，稳压层的高度应通过计算确定。
[0081]
稳压层高度h可由式(10)、式(11)确定：
[0082]
单位面积送风量ld(m3/m2·
h)为
[0083][0084][0085]
式中：l
d-孔板送风单位面积送风量，m3/m2·
h；s-稳压层内有孔板部分的气流最大流程，m；h-稳压层高度h，m。
[0086]
考虑到进风口，静压箱的高度设定为0.1m。
[0087]
四、面部风压理论计算对比
[0088]
1.传统个性化送风末端面部风压
[0089]
传统个性化通风系统cmp末端大多采用圆形孔口自由射流。当采用圆管时，无量纲紊流系数a为0.076。由于射流扩散角与无量纲紊流系数有如式(12)的规律，因此可得扩散角θ为14.49
°
。
[0090]
tgθ＝3.4a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0091]
式中：θ—射流扩散角；a—无量纲紊流系数。
[0092]
保证传统个性化送风末端的风量、出口风速与新型个性化送风末端一致，即风量l为0.01m3/s，出口风速u0为3.48m/s，送风面积可得：
[0093][0094]
圆管半径r：
[0095][0096]
圆管直径d0：
[0097]
d0＝2r＝2
×
30.2mm＝60.4mm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0098]
射流主体段轴心速度的衰减规律经典的表示如式(16)：
[0099][0100]
式中：u
x1
—计算断面距离x处的轴心速度，m/s；u
01
—风口出流的平均速度，m/s。
[0101]
可得u
x1
：
[0102][0103]
因此使用者面部风压
[0104][0105]
五、新型个性化送风末端面部风压
[0106]
新型个性化送风末端直接采用管道送风，孔口流量系数μ＝0.5；
[0107]
开孔率k可由式(1)计算得出：
[0108][0109]
本实施例中利用孔板送风风汇合段。考虑最不利情况，即送风的最远点为汇合段与起始段的交界处。由于中心温度和中心风速的衰减都是在汇合段内发生的，只取决于开孔率的大小和孔口特性，与射程无关。因此汇合段最远处(起始段)的中心速度可由式(3)计算：
[0110][0111]
取修正系数k1＝0.48，k2＝1.35，k3＝1；
[0112]
面部风速u
x
：
[0113][0114]
因此使用者面部风压
[0115][0116]
新型个性化通风系统末端与传统个性化通风系统末端的风压对比：
[0117][0118]
因此，通过验证可知，相较于传统个性化送风末端，在保证送风量相同的条件下，新型个性化通风系统末端的风压仅为传统个性化通风系统末端的风压4.86％，远远降低了风压，提高舒适性。
[0119]
实施例3：
[0120]
本实施例公开了一种多股小风束形体适应性的个性化通风末端装置，包括形体适应性孔板1、变频风机2、连接软风管3和控制面板4。参见图1，所述控制面板4安装在办公桌5的桌面上。
[0121]
所述形体适应性孔板1竖直设置在办公桌5的一侧，形体适应性孔板1的内部中空，形体适应性孔板1面向办公桌5的一侧设置有若干通风孔。
[0122]
参见图4，所述形体适应性孔板1与连接软风管3连接，连接软风管3与变频风机2连接，变频风机2位于室外并与新风出风口连接。
[0123]
使用时，使用者坐在所述办公桌5的一侧且面向形体适应性孔板1，使用者可根据需求，通过控制面板4控制变频风机2调整到合适风量，新风通过形体适应性孔板1吹向使用者的头部和胸部。
[0124]
实施例4：
[0125]
本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述形体适应性孔板1的纵切面呈倒t形。
[0126]
实施例5：
[0127]
本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述形体适应性孔板1的上边缘位于办公桌5桌面的上方。
[0128]
实施例6：
[0129]
本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述形体适应性孔板1的下端设置有进风口101，进风口101通过静压箱与连接软风管3连接。