郭 敏,廖義德*,談文鑫,陳 方,劉曉丹

(1.武漢工程大學 機電工程學院,湖北 武漢 430074;2.中國石油大慶石化公司,黑龍江 大慶 163714)

0 引 言

大型地下建筑如隧道等由于處于地勢較低處,空氣往往容易沉積,特別機動車輛使用的隧道,受尾氣排放的影響,隧道里的空氣質(zhì)量比較惡劣,這對經(jīng)過隧道的人危害較大,容易引發(fā)交通事故[1].目前采用的通風方法主要是使用了鼓風機鼓風,鼓風機安裝在隧道頂部,采用強制排風的方式來促進空氣的流通,這種方式對于比較小的空間有一定的作用,對較長空間較大的地下建筑就沒用明顯的用途;并且鼓風機在鼓風的時候很容易出現(xiàn)自循環(huán)的情況,風機出口的空氣很容易串到進口,這樣只能在鼓風機附近造成空氣流動,不能達到換氣的效果.大型地下空間采用建造煙囪(豎井)方式,使室內(nèi)和外界聯(lián)通,然后采用鼓風機將空氣排出,新鮮空氣入口等得到補充,這種方式是較為合理的換氣方式.但此種方法消耗能量較大,鼓風機在隧道的使用壽命內(nèi)都要運轉(zhuǎn),噪音污染嚴重,這樣消耗大量的能源.

1 煙囪效應原理及換氣方案

1.1 煙囪效應

煙囪效應[2]是從底部到頂部具有通暢的流通空間的建筑物中,空氣(包括煙氣)靠密度差的作用,沿著通道很快進行擴散或排出建筑物的現(xiàn)象.即戶內(nèi)空氣沿著有垂直坡度的空間向上升或下降,造成空氣加強對流的現(xiàn)象.目前應用比較成熟的例子是澳大利亞千米“太陽塔”工程,澳大利亞EnviroMission公司正在準備建造一個規(guī)模龐大的太陽能風力發(fā)電站,即“太陽塔”工程.

1.2 隧道通風換氣方案

如圖1所示,太陽能熱水器置于建筑物頂部,當熱水溫度達到所需溫度時,循環(huán)泵工作,熱水經(jīng)過保溫管傳送至隧道底部的煙囪(豎井)口,通過多層并列帶散熱片的小直徑散熱管進行散熱,從而使煙囪底部空氣溫度升高.空氣受熱,密度會發(fā)生變化,其格拉小夫數(shù)增加,使空氣沿著豎井上升,此時底部空氣由地下空間內(nèi)的空氣得到填充,只要實現(xiàn)持續(xù)加熱,底部就會吸入大量空氣,而地下建筑內(nèi)的空氣可以通過入口或其他通風口得到補充,從而起到排氣的效果[3].

圖1 排氣豎井(煙囪)及其管道布置

太陽能熱水器將太陽能直接轉(zhuǎn)換為熱能用來加熱水,這樣能量的利用率遠超過太陽能轉(zhuǎn)換為電能后再轉(zhuǎn)換為熱能.目前太陽能熱水技術應用比較成熟,并且也在集體供暖和工程供熱中得到實際應用.此種方法是將熱能通過水這種介紹傳遞到地下建筑底部,采用循環(huán)的方式,可以減少能量的損失.

2 理論分析計算

取豎井(煙囪)高H,直徑為D,熱水的溫度為60 ℃,環(huán)境溫度20 ℃.

2.1 數(shù)學模型

取豎井內(nèi)部一體積為ΔV的微元進行分析[3],假設豎井底部即進口空氣密度為ρin,出口空氣密度為ρout,則微元的質(zhì)量為Δm=ρinΔV,垂直方向的位移為z,浮力為:

ΔF浮=ρoutΔVg

(1)

有:

(2)

整理得:

(3)

從式(1)、(2)、(3)中可以看出加速度與密度的關系.底部加熱為60 ℃,頂部溫度平均為20℃左右,密度對應分別為:1.06 kg/m3和1.205 kg/m3.則

2.2 壓強計算

豎井結構處在重力場內(nèi),設進口壓力為pin,出口壓力為pout,則有

(4)

形成的真空度為

(5)

從式(4)、(5)中可以看出真空度與煙囪的高度及進口密度有關系,提高進口的溫度可以使進口密度ρin下降,使Δρ增大.

2.3 速度分析

(6)

2.4 設備處理的有效體積或長度計算

考慮到運行過程中氣體在上升過程的能量損失、沿程壓力損失等因數(shù),在穩(wěn)定后進口速度與出口速度存在一定的差距,此處取一系數(shù)η,則

vin=ηvout

(7)

此時的流量為

Q=Avin=πR2vin

(8)

由式(7)、(8)可知地下空間截面面積為S，當設備工作時間為t時，隧道有效換氣長度L為

(9)

由式(9)可以根據(jù)實際需要布置相應的排風豎井的數(shù)量和相隔距離.

2.5 相關參數(shù)的確定

利用煙囪效應原理通風換氣方式所需功率P(kW)為

P=ρQC(tw-t∞)=ρAvC(tw-t∞)=

(10)

將式(10)代入相關參數(shù)可以得到不同煙囪高度下達到良好的換氣效果時的所需功率與煙囪內(nèi)經(jīng)之間的關系曲線如圖2所示.

圖2 不同高度的煙囪在不同內(nèi)徑下的功率

從圖2中可知,同一煙囪內(nèi)經(jīng),若要得到大的排量就需要增加煙囪的高度,并且增加功率.

3 仿 真

使用Fluent6.3軟件的2D模型進行仿真,豎井高度H為40 m,內(nèi)徑D為1 m,加熱方式為在豎井底部兩米處井壁加熱到348 K,這樣設置比實際的散熱量要小,但是也可以有效地抵消由于忽略相關條件的影響,此計算速度應比理論計算速度小[5-6].其速度如圖3所示,豎井入口速度如圖4所示,出口處速度分布如圖5所示.

圖3 速度矢量圖

圖4 豎井入口處速度矢量圖

圖5 出口處速度分布圖

從仿真結果中得知,初始狀態(tài)出口處的速度可以達到5.6 m/s,可以推知穩(wěn)定后進出口的速度都接近該結果,比理論值略小,與預計的相同.

4 理論與仿真分析及能量分配

4.1 空氣在煙囪中速度對比

理論與仿真值對比及其偏差如表1所示,分別取煙囪不同過度處的速度進行對比.

表1 理論與仿真值對比及其偏差

通過速度的理論值和速度值比較,最大誤差為7.07%.誤差產(chǎn)生的原因[7]有:①理論計算時,速度系數(shù)η與實際的環(huán)境和設備工藝有一定的關系,一般不會小于0.5.②仿真時的加熱方式與理論原理相同,但是實現(xiàn)方式有一定差異.

4.2 能量利用與分配

太陽能熱水器加熱1t水若需要集熱板的面積為13.68 m2,在非惡劣天氣條件下能將水加熱至60 ℃左右,在陽光充足的天氣水溫可達到80～100 ℃,能量利用率約為60%.1t 60 ℃的熱水可以為系統(tǒng)提供能量為

E=CmΔt=4.2×103×103×40

=1.68×105kJ

若為一個20 kW的系統(tǒng)供能,使用時間為

可以通過太陽能熱水站的方式來解決熱水供應問題.這樣能量使用主要是利用太陽能,對于天氣條件不佳時,可以采用輔助能源,如電能加熱、鍋爐加熱等方式配合太陽能使用.保守估算此種方式通風排氣太陽能比例約為60%.根據(jù)具體的工程,選用相應的功率.

5 結 語

(1)利用煙囪效應的通風換氣方式與傳統(tǒng)的機械換氣方式將同體積的空氣排到外界所消耗的能量基本相同,這部分能量屬于設備的有用功,但是機械強制換氣方式能量損失較為嚴重,并且耗費的是全部電能.而煙囪效應的通風換氣方式60%能量可以由太陽能提供,這樣大大節(jié)約其他形式的能量.

(2)通過理論計算和和仿真結果對比,仿真結果基本上控制在允許的范圍內(nèi).可以根據(jù)室內(nèi)場所環(huán)境來確定煙囪的高度和內(nèi)經(jīng).

此種方式不僅可以用在隧道通風換氣,也適用于地下停車場、大型廠房、大型體育館、禮堂等場合.筆者對其原理進行初步探討,希望能對實際工程提供參考.

參考文獻：

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