工業高溫廠房中工位空調的應用

劉 歡

(中益誠達建設集團有限公司,河北 唐山 063000)

1 工位送風空調與整體降溫空調的比較

隨著人們生活水平的提高,人們對生產生活環境質量也越來越重視,空調作為日常生活中常見的改善環境的設備也就經常出現在生產生活場所中。但是對于高大空間工業廠房來說,往往空調區域僅僅在下部空間或少數幾個工位及檢修通道,而上部空間不需要空調,甚至對于有工藝要求的車間廠房需要設備維持某一高溫溫度,因此不能采用廠房整體降溫的方法來滿足人員舒適的要求,而且這種做法也存在缺點:

1)采用廠房整體降溫的措施既不經濟也不節能;

2)對于有工藝溫度要求的廠房會影響產品質量;

3)冷風到達人的呼吸區距離長,空氣品質較差;

4)不便于工位人員根據自身的實際情況進行自主調節,舒適性較差。

相比較而言工位送風是一種相對節能的降溫方式,舒適性也相對較高。工位送風他能改變局部范圍內的空氣參數,在局部工作區域形成一個小氣候,從而達到通風降溫的效果。其次:

1)工位送風空調冷風到達人的呼吸區距離短,空氣齡較小,因此空氣品質也比較好;

2)工位送風可根據個人自身感官去調節適合自己的風量、風向及溫度,進一步提高了舒適性;

3)對于有工藝生產要求的廠房,工位送風形成的局部小氣候不會影響整個生產流程,因此產品的質量也不會受到影響,因而工位送風能在保證產品質量的基礎上提高人員的舒適性;

4)一般工位送風空調出風口設定的溫度較高,且人員離開崗位時可隨之關閉工位送風口,在一定程度上又降低了空調的運行能耗低。

因此,對于工藝要求保證夏季局部人員活動地區舒適性環境的廠房,采用工位送風空調的方式因送冷風射流自然下沉特性[1],既能夠有效地降低工作區域的溫度,保持一個舒適的工作環境,達到節能的目的,又能保證生產工藝不受影響。

2 工位送風空調的技術要求

在工作人員長期停留的工作地點,當熱環境達不到衛生標準的要求或其熱輻射強度大于等于350 W/m2時,應采取局部送風措施,來降低工作地點的溫度,以改變工作地點的空氣環境,降低輻射熱對人體的影響,提高工作人員的舒適性。

采用工位送風空調來降低工作環境溫度時,冷風的送風風速比較關鍵,當所取風速過大時容易造成人員的“吹風感”會引起不舒適的感覺,當風速過低時,冷風不能順利送達人員工作的區域,不能達到降溫隔熱的作用,因此,送風風速的選取也是很關鍵的,一般來說,輕勞動工作地點的風速宜取2～3 m/s,中勞動工作地點的風速宜取3～5 m/s,重勞動工作地點的風速宜取4～6 m/s[3]。

工位送風空調的送風口宜采用旋轉送風口,當工作人員活動范圍較大時,方便調節送風方向,也可以根據工作位置的的變化改變空調送風位置,提高自主調節性。尤其是檢修通道的工位送風空調,人員檢修設備時往往位置變化較頻繁,如采用固定風向的風口,容易造成工作區域溫度并不能有效地降低,即降低了人員的舒適度,也會造成一定的能源浪費。

醫學研究證明,送風氣流自上而下或是從一邊吹向人體時,人體前部和背部均能均勻的受到降溫作用。因此,工位送風氣流宜從人體的前側上方傾斜向下吹到頭、頸和胸部,也可以從上向下垂直送風[3],這樣能更好的起到降溫作用,也能讓工作人員感覺到更舒適。送風氣流方向嚴禁背后傾斜吹向人體軀干,因為大部分工作面是在人體的前方,這樣會導致受熱面吹不到風,從而溫度降不下來,而后背迎著冷風,導致“前熱后冷”,起不到降溫作用反而引起人的不舒適感。

采用工位送風時,送風氣流的寬度不宜太大,一般情況,使操作人員被包圍在送風氣流中為宜,這樣效果較好,而且相對節能。一般情況下,送風氣流到達人體的寬度可取1 m,當勞動強度較輕時為節約投資,可適當較少,同樣的,當勞動強度較大時,為了更好的改善局部環境,提高人體舒適性,送風氣流寬度可適當加大。

3 工位送風空調計算

以某公司硅橡膠車間廠房為例簡單介紹一下工位送風空調的計算步驟:

某硅業公司一硅橡膠車間廠房長48.5 m,寬30 m,高9 m,建筑面積為1 455 m2,如采用整體降溫的方法則需要523.8 kW的冷負荷,而該廠房僅有7個工位,且相對集中,如對廠房進行整體降溫則會造成極大的能源浪費。因此初步設計方案為進行局部降溫,采用局部送風的方法達到降溫目的,因廠房輻射照度、廠房相對濕度等部分參數甲方暫不能提供,所以進行了以下估算:

1)根據甲方提供的設備區域的溫度利用黑體輻射基本定律計算黑體輻射力來作為廠房輻射照度的參考:

廠房設備區域(工位附近)的溫度為50 ℃左右,則黑體輻射力為:Eb=Co(T/100)4=5.67×[(273+50)/100]4=617.15 W/m2。按照甲方要求工作地點的夏季送風溫度取30 ℃,工作勞動強度為輕度勞動,工作地點的平均風速取1.5 m/s。

2)根據甲方提供的圖紙及需局部送風的位置(即工位位置),送風口至工作地點的距離S取1.5 m,因操作范圍較大,因此送風口選擇旋轉送風口,經過多次風口試算,取最優試算結果:旋轉送風口500×453 mm送風口,當量直徑do=0.524 m,有效面積Fo=0.216 m2(選自國家標準圖集《風口的選用安裝》(10K121))則:

①工作地點的氣流寬度為:

ds=6.8(as+0.145do)=6.8×(0.087×1.5+0.145×0.524)=1.4 m

②送風口的出口風速:

根據工作地點的氣流寬度及工作地點的寬度(取1.0 m),通過查圖得出相應的系數b=0.18,c=0.27,則送風口的出口風速為:

vo=vg/b(as/do+0.145)=1.5/0.18×(0.087×1.5/0.524+0.145)=3.28 m/s

③每個工位的送風量為:

L=3 600×Fo×vo=3 600×0.216×3.28=2 550m3/s

④送風口的出口溫度:

工作地點周圍的室內溫度取40 ℃則:

to=tn-(tn-tg/c)(as/do+0.145)=40-(40-30)/0.27×(0.087×1.5/0.524+0.145)=25.4 ℃

⑤單個工位的空氣耗冷量:

廠房的空氣相對濕度取40%,則由送風溫度及相對濕度送風口空氣焓通過查i-d圖可得:io=46.3 kJ/kg,同理可查得進風機空氣焓ig=88.6 kJ/kg,則單個工位的空氣耗冷量為:

Qo=Lρ(ig-io)/3 600=2 550×1.2×(88.6-46.3)/3 600=31.725 kW

式中各字母代表的意義為:

ds—送至工作地點的氣流寬度,m;

a—風口的紊流系數,對于旋轉送風口,采用0.087;

s—送風口至工作點的距離,m;

d0—圓形送風口直徑,可采用送風口至工作地點距離的20%～30%,m;

v0—送風口的出口風速,m/s;

vg—工作地點的平均風速[2],輕作業2～4 m/s,中作業3～5 m/s,重作業5～7m/s;

b—系數;

L-送風量,m3/h;

F0—送風口的有效截面積,m2;

t0—送風口的出口溫度,℃;

tn—工作地點周圍的室內溫度,℃;

tg—工作地點溫度,℃;

c—系數;

Q0—耗冷量,kW;

ig—風口空氣焓,kJ/kg;

i0—進風機空氣焓,kJ/kg。

dE—工作地點的寬度;dx—送至工作地點氣流寬度圖1 系數b和c

上述計算過程,是根據已知的各項參數及工作送風適宜的風速、 氣流寬度、 工作面寬度試算求得的,在進行工位送風空調計算時,需要進行試算,最后取最優的結果,這樣才能保證既滿足工位送風要求,有能最大限度的節約能源,實現設計方案的最優化。

由上述計算過程及結果可知采用工位送風空調整個廠房所需冷量為:31.725×7=222.08 kW,比傳統的將整個廠房降溫空調節約57.6%的能源。因此,采用工位送風空調,既使人員工作的地方提高了舒適性,又節約了大部分能源。改善了工作地點環境,使該工作地點溫度達到了工業企業衛生標準要求。

通過兩年時間的使用,該廠房工作區域的溫度、風速等參數均達到了設計要求,運行成本較低,能有效控制工作區域溫度,且使用簡單、方便,而且采用的旋轉送風口也避免了“前烤后寒”的現象,大大提高了舒適性。對于高大空間的廠房而言,工位送風空調系統是節能、經濟、有效地空調方式,在工業高溫廠房中值得推廣應用。