房间的空气分层现象与通风的“木桶效应”.doc

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1、房间的空气分层现象与通风的“木桶效应”重庆大学龙恩深一、房间的空气分层现象在进行室内热环境分析、负荷计算、能耗模拟研究时，一般需要假定采暖、空调设计温度（如冬季18℃、夏季26℃），并且认为室内空气温度的空间分布是均匀一致的。但实际上，房间或建筑内的空气温度分布是非常不均恒的，尤其是采暖空调设备运行时更为显著。这种不均匀性表现在水平截面上受出风口和气流组织的影响很大，在垂直剖面上随高度的分层现象。由于温度较低的空气密度较大，因此总是在房间或建筑内位置较低的区域聚集，而把密度较小的热空气向上挤压，空气密度差是房

2、间或建筑内部自然通风的驱动力。这方面的感性认识是很容易获得的。如，夏天没有空调的建筑，住户的楼层越高，空气温度会明显感觉升高；当你进入到这样的建筑，越往上面的楼层，感觉会越热，读者都会有亲身感受。再如，夏天露天停放的汽车，车室内温度分层现象十分明显，作者反复进行过实测，上下区域的温差可高达20℃以上。对于自然状态的顶层密闭房间，上下区域的气温差值可达5℃以上。二、通风的“木桶效应”大家知道，盛水的木桶是由许多木板箍成的。若其中一块木板很短，则该木桶的盛水量就被最短的木板所限制。这就是所谓的“木桶效应”。墙、窗

3、、地、顶、门等构件就如一块块木板，建筑或房间犹如它们箍成的加有顶盖的“木桶”，可移动或可开启的构件犹如木桶的长度可调的“短板”，其储存冷量和热量的能力取决于这些“短板”。当室外环境处于舒适区，“木桶效应”是无需讨论的，因为这时“木桶”根本没有必要储存冷量或热量，将短板调到长度最小（门窗全开），通过自然通风使建筑与环境融合，有利于充分释放桶内浊气和余热。当室外气候恶劣时，“短板”的调节分为夏季和冬季、采暖空调设备是否启动等几种情况。在夏季没有启动空调设备调控环境的情况下，将短板调到长度最小——打开所有门窗加强自

4、然通风，对排放“桶”内余热、改进室内热环境是有利的。在冬季没有启动采暖设备调控环境的情况下，将短板调到长度最大——关闭所有门窗防止自然通风，对蓄存“桶”内热源、提升室内热环境是非常重要的。但由于房间有大面积活动构件，必然存在缝隙（相当于木桶有砂眼），室外冷空气乘虚而入，沉入房间下部，热空气被推向上部，从缝隙溜走；“木桶”内空气的自然对流降低了温度水平，存留的是温度较低的空气，缝隙越大，室温与环境越接近。为了堵住“木桶”的漏洞，严寒地区居住的人们用纸糊窗缝，设置多重门斗，来自生活的朴素经验却是人类智慧的结晶。在冬季

5、依靠采暖设备调控环境的情况下，保持“木桶”的密闭也是非常重要的。这时采暖的室内热空气温度比不采暖时更高，冷热空气的密度差更大，室外冷空气侵入、室内热空气逃跑的驱动力更强，“木桶”的储热能力减弱。对于安装于窗台下的散热片采暖方式，当窗户关闭不严时，散热片的热空气与洞口直接形成“短路”，不能达到房间活动区；对于顶部散流器送热风或分体空调的采暖方式，由于热风出口位置较高，当送风速度较低时热气不能到达活动区，而直接从上部缝隙溜走；这是许多长江流域采用顶部送风的家用中央空调和壁挂式分体空调，冬季采暖效果极差的根本原因——“木桶

6、”里始终盛有大半桶冷空气，而它恰恰是人体活动的主要区域。而地板采暖方式从根本上扰乱了空气分层现象，即使“木桶”存在漏洞，热空气也是先经过人体活动的主要区域被部分利用而溜走，加之大面积地板的辐射效果，“木桶”里始终存有热空气，必然感觉较为舒适。在夏季启动空调设备调控室内环境的情况下，“木桶效应”与冬季有本质的不同。空调室内机或散流器吹出的冷空气缓缓下沉，经过人体主要活动区域后，在“木桶”的下部区域聚集，温度较高的空气被向上推挤，最后从“木桶”（建筑或房间）的短板洞口溢出，造成冷量损失。当室外处于静风状态时，即使木桶

7、存在洞口，室外的热空气很难到达“木桶”的中下部区域。这是夏季空调时即使窗户半开，室内仍然感觉凉爽的主要原因。但是当室外风速较大时，热空气会强制进入室内扰乱“木桶”的空气分层格局，“木桶”内储量有限的冷空气被失控的热风卷席，必然导致室内舒适性彻底破坏。由此可见，顶部散流器、吊顶冷却、壁挂机、风机盘管都是较好的空调送风方式；而冷地板空调加剧了空气分层，仅靠辐射作用很难保证空调效果。对于长江流域的大型商场，当进出通道及大门设置较多、面积较大时，相当于“木桶”底部洞开，漏掉的冷量是难以预料的；楼层数越多，“压力”越大，漏走量

8、越大。难怪离商场数米以外感到凉气袭人了。以上对房间的空气分层现象与通风的“木桶效应”的研究，很好地解释了长江流域和南方地区居民空调时，大门虚掩、窗户半开的行为习惯的形成原因。