工業熱廠房熱壓通風與機械排風聯合運行研究

邢驍孟曉靜茍紅松

1中鐵隧道勘察設計研究院有限公司

2西安建筑科技大學材料與礦資學院

3中國中鐵二院工程集團有限責任公司

工業熱廠房中垂直溫度梯度較大，通常采用熱壓通風排除室內余熱。然而，當廠房不能保證足夠的自然進，排風口面積或是室內熱源強度過大時都會導致熱壓通風不能滿足工作區衛生要求。在實際工程中通常人們在廠房屋頂或側墻增設機械排風裝置以期獲得更大通風量，從而形成熱壓通風與機械排風相結合的復合通風方式[1]。但在自然通風基礎上加入機械通風就可能對通風效果造成增益或抑制影響[2]。如何使機械通風和熱壓通風相互增益、共存，而不是相互抵消、排斥[3]，是關系到復合通風設計和運行管理的關鍵問題。本文搭建了具有集中熱源和屋頂機械排風裝置的復合通風實驗模型，并在實驗基礎上利用CFD 數值模擬技術建立了復合通風數值預測模型，旨在研究工業熱廠房中機械排風口數量及其分布形式和機械排風量對復合通風效果的影響規律。

1 實驗模型

復合通風實驗臺[1]，如圖1所示。

圖1 實驗模型

2 數值預測模型

2.1 數值計算

使用FLUENT 6.3數值模擬軟件，建立了與實驗模型尺寸相同的物理模型，如圖2所示。

數值計算采用 Realizablek-ε模型，Tet/Hybrid 元素選項和TGrid選項網格，模型控制方程通用式則表示為[4]：

式中：φ為通用變量，代表u、v、w、T變量；Γ為廣義擴散系數。

2.2 模型驗證

針對該物理模型，基于前期實驗數據，數值模型的有效性驗證和網格無關性驗證所涉及的邊界條件設置如表1所示。

表1 邊界條件設置一覽表

為驗證數值模擬方法的可靠性，將實驗中垂直方向溫度測試數據與數值模擬對比，如圖3所示。將實驗中自然進，排風口風速與數值模擬對比，如圖4所示。

圖3 實驗與模擬垂直方向上溫度分布

圖4 實驗與模擬自然進堯排風口處速度大小

表2 垂直方向測點溫度實驗與模擬結果的誤差表

表3 自然進袁排風口速度大小實驗與模擬結果的誤差

通過對比實驗與數值模擬垂直方向上的溫度分布和自然進、排風口風速，將兩者各測點的相對誤差及平均誤差匯總如表2、表3所示。

總體上看，數值模擬結果和實驗結果基本吻合，在工程測量誤差范圍內呈現一致性規律，從而驗證了復合通風數值預測模型的可靠性[5]。

3 工業熱廠房復合通風模型

3.1 物理模型與邊界條件

以復合通風數值預測模型為基礎建立了工業熱廠房復合通風模型，如圖5～8所示。

圖5 廠房側視圖

圖6 廠房俯視圖

圖7 廠房立面圖

圖8 廠房斜視圖

廠房尺寸：長×寬×高=10 m×8 m×10 m。廠房的體形系數為0.545，窗墻比為0.216。自然進、排風窗，大門，屋頂機械排風機，側墻機械排風機編號如圖5～8所示。

工業熱廠房復合通風模型的控制方程、湍流模型及邊界條件設置與復合通風數值預測模型相同，邊界條件如表4所示。

表4 邊界條件及尺寸大小一覽表

3.2 數值模擬工況

工作區位于熱源兩側P1和P2，工作區垂直方向分布18個溫度測點，測點間距為0.5 m。工作區平均溫度取垂直方向上0～2 m范圍內溫度測點的平均值，測點布置如圖9所示。

圖9 工作區測點布置

機械排風口設置四種開啟模式，單個風機選取2000m3/h，4000m3/h，6000m3/h，8000m3/h，10000m3/h，15000m3/h和20000m3/h七檔排風量，如表5所示。

表5 機械排風口的開啟模式

3.3 通風量計算結果及分析

文獻[1]通過實驗方法發現了自然排風口短路現象。本文基于數值模擬技術提出了對氣流短路現象進行定量表述的有效通風量和有效通風比兩個參數，其中有效通風量表示復合通風系統中對建筑室內熱環境起到改善作用未被短路的通風量，當機械通風為排風時有效通風量表示為式（2）。有效通風比表示復合通風系統中有效通風量與機械通風量的比值，當有效通風比小于100%時，表明自然通風口被機械通風短路，當機械通風為排風時，有效通風比表示為式（3）。

式中：Ge為有效通風量；Gjp為機械排風量；Gzp為自然排風口通風量；Gzj為自然進風口通風量；ηe為有效通風比。

3.3.1 模式一通風量計算結果及分析

本模式屋頂排風機開啟十臺，復合通風量隨機械排風量的變化如表6。

表6 復合通風量隨機械排風量的變化一覽表

由表6可知，隨機械排風量增加，自然排風口由排風逐漸轉變為進風。當自然排風為進風時，表明自然排風口被短路，此時有效通風比小于100%。

由圖10可知，隨機械排風量增加，有效通風量增加，而自然排風量先減小后增大。當廠房為熱壓通風時，有效通風量等于自然排風量。當單個風機排風量為2000m3/h時，機械排風量與自然排風量大小基本相同。當單個風機排風量為4000～6000m3/h時，自然排風量徘徊在0 kg/s左右，表明機械排風量為13.05～19.57 kg/s時自然排風口處于被短路的過渡階段。當單個風機排風量大于6000m3/h時，自然排風口短路現象加劇。

圖10 通風量隨機械排風量的變化規律（模式一）

3.3.2 模式二通風量計算結果及分析

本模式屋頂排風機開啟編號為3和3′兩臺，復合通風量隨機械排風量的變化如圖11所示。

圖11 通風量隨機械排風量的變化規律（模式二）

由圖11可知，隨機械排風量的增加有效通風量增加，而自然排風量減小，該模式下的自然排風口在風機額定風量內未被短路。

3.3.3 模式三通風量計算結果及分析

本模式屋頂排風機開啟編號為 1，1′，3，3′，5 和 5′六臺，復合通風量隨機械排風量的變化如圖12所示。

圖12 通風量隨機械排風量的變化規律（模式三）

由圖12 可知，當單個風機排風量為 6000～10000m3/h，即機械排風量為11.73～19.56 kg/s 時，自然排風口處于被短路的過渡階段。當單個風機排風量大于10000m3/h時，自然排風口短路現象加劇。

3.3.4 模式四通風量計算結果及分析

本模式側墻排風機開啟六臺，復合通風量隨機械排風量的變化如圖13所示。

圖13 通風量隨機械排風量的變化規律（模式四）

由圖13 可知，當單個風機排風量為 8000～10000m3/h，即機械排風量為15.64～19.56 kg/s 時，自然排風口處于被短路的過渡階段。當單個風機排風量大于10000m3/h時，自然排風口短路現象加劇。

3.3.5 對比模式三與模式四通風量

對比圖12與圖13，發現機械排風量相同情況下，自然排風口被短路的過渡階段不同。進一步研究，將單個風機排風量為 10000 m 3 /h 時，模式三和模式四的各個自然排風口通風量整理如圖14所示。

圖14 單個風機排風量為10000 m 3 /h時的自然排風口通風量

由圖14 可知，當單個風機排風量為 10000 m 3 /h時，屋頂排風機開啟六臺模式下12個自然排風口全都被短路，而側墻排風機開啟六臺模式下自然排風口僅在距離側墻風機較近的 1，1′ ，6 和 6′ 四個排風口被短路，距離側墻風機較遠的8個自然排風口均為排風狀態。因此，當機械排風量相同時，側墻排風機不易引起自然排風口整體短路，且通過關閉距離側墻排風機較近的自然排風口可避免短路。

3.4 溫度效率計算結果及分析

采用工作區溫度效率[6]對工業熱廠房復合通風效果進行評價。

式中：ET為溫度效率；tp為排風溫度；to為進風口溫度；tn為工作區平均溫度。

3.4.1 對比模式一與模式二溫度效率

模式一與模式二通風效率隨機械排風量的變化規律，如圖15所示。

圖15 模式一與模式二通風效率隨機械排風量的變化規律

由圖15可知，兩種模式下溫度效率隨機械排風量的變化規律與文獻[1]實驗結論基本一致，即隨機械排風量增大，溫度效率整體上都是先增大后降低。模式一下，當單個風機排風量等于 2000m3/h 時（總機械排風量為 20000m3/h），溫度效率為最大值，即此時臨界排風量為6.52 kg/s，最佳增益溫度效率為6.83。模式二下，當單個風機排風量等于10000m3/h時（總機械排風量為 20000m3/h），溫度效率為最大值，即此時臨界排風量亦為6.52 kg/s，最佳增益溫度效率為6.29。

對比兩種復合通風模式可知，屋頂排風口分散布置與集中布置的臨界排風量相同。當機械排風量等于臨界排風量時，屋頂排風口分散布置最佳增益溫度效率更高。

3.4.2 對比模式三與模式四溫度效率

模式三與模式四通風效率隨機械排風量的變化規律，如圖16所示。

由圖16可知，隨機械排風量增大，兩種模式下的溫度效率整體上都是先增大后降低。當單個風機排風量等于4000m3/h時，兩種模式下的溫度效率均為最大值，即此時臨界排風量等于7.82 kg/s。模式三下，最佳增益溫度效率為7.81，模式四為6.50。當機械排風對溫度效率起增益效果時，模式三的溫度效率始終大于模式四。當單個風機排風量大于6000m3/h時，模式四的溫度效率大于模式三，這是因為屋頂排風模式相對側墻排風模式更容易引起自然排風口短路。

圖16 模式三與模式四通風效率隨機械排風量的變化規律

以上研究亦可發現，最佳增益溫度效率都出現在復合通風中自然排風量與機械排風量大小最接近的情況下。這表明工業熱廠房中熱壓通風與機械排風聯合運行下的復合通風設計，機械排風量宜等于復合通風中熱壓作用下的自然排風量。

4 結論

本文搭建了具有集中熱源和屋頂機械排風裝置的復合通風實驗臺，并在實驗基礎上利用CFD數值模擬技術建立了復合通風數值預測模型，研究了體形系數為 0.545，窗墻比為 0.216和室內熱源強度為150 W/m3的工業熱廠房中機械排風口數量及其分布形式和機械排風量對復合通風效果的影響規律。主要結論如下：

1）提出了對氣流短路現象進行定量表述的有效通風量和有效通風比兩個參數。隨機械排風量的增加，有效通風量增加而有效通風比減小。當有效通風比小于100%時表明自然排風口被短路。

2）屋頂排風口分散布置與集中布置時臨界排風量相同。當機械排風量等于臨界排風量時，屋頂排風口分散布置最佳增益溫度效率更高，即屋頂排風口分散布置的復合通風模式優于排風口集中布置。

3）屋頂機械排風比側墻機械排風更容易引起自然排風口短路，而當機械排風對溫度效率起增益效果時屋頂機械排風模式優于側墻機械排風。

4）為避免自然排風口短路，機械排風口距離自然排風口不宜過近，且機械排風量宜等于復合通風中熱壓作用下的自然排風量。

[1]王怡,邢驍,孟曉靜,等.工業廠房復合通風系統臨界排風速度實驗研究[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2016,48(5):745-750.

[2]LI Yuguo.Analytical of Natural Ventilation a Summary of Existing Analytical Solutions[R].IEA-ECBCS ANNEX 35 Technical Report.

[3]王松華,李安桂.兩風口多元通風模型的溫度場特性[J].建筑熱能通風空調,2004,23(5):5-9.

[4]張旺達,李安桂.四種湍流模型用于室內氣流流動預測的性能比較[C]//2005年全國暖通空調專業委員會空調模擬分析學組學術交流會論文集.北京:中國建筑學會,2005.

[5]Jones Setal.Ground respnese to dynamic compaction[J].Journal of Geotechnical Engineering,1984,110(6):757-772.

[6]馬仁民.通風的有效性與室內空氣品質[J].暖通空調,2000,30(5):20-23.