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(yè)熱廠房中垂直溫度梯度較大，通常采用熱壓通風排除室內(nèi)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(nèi)熱源強度過大時都會導致熱壓通風不能滿足工作區(qū)衛(wèi)生要求。在實際工程中通常人們在廠房屋頂或側(cè)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(jié)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(guān)系到復合通風設計和運行管理的關(guān)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(shù)值模擬技術(shù)建立了復合通風數(shù)值預測模型，旨在研究工業(yè)熱廠房中機械排風口數(shù)量及其分布形式和機械排風量對復合通風效果的影響規(guī)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(shù)值預測模型

2.1 數(shù)值計算

使用FLUENT 6.3數(shù)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(shù)值計算采用 Realizablek-ε模型，Tet/Hybrid 元素選項和TGrid選項網(wǎng)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(shù)。

2.2 模型驗證

針對該物理模型，基于前期實驗數(shù)據(jù)，數(shù)值模型的有效性驗證和網(wǎng)格無關(guān)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(shù)值模擬方法的可靠性，將實驗中垂直方向溫度測試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比，如圖3所示。將實驗中自然進，排風口風速與數(shù)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(jié)果的誤差表

表3 自然進袁排風口速度大小實驗與模擬結(jié)果的誤差

通過對比實驗與數(shù)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?cè)绫?、表3所示。

總體上看，數(shù)值模擬結(jié)果和實驗結(jié)果基本吻合，在工程測量誤差范圍內(nèi)呈現(xiàn)一致性規(guī)律，從而驗證了復合通風數(shù)值預測模型的可靠性[5]。

3 工業(yè)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(shù)值預測模型為基礎建立了工業(yè)熱廠房復合通風模型，如圖5～8所示。

圖5 廠房側(cè)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(shù)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(cè)墻機械排風機編號如圖5～8所示。

工業(yè)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(shù)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(shù)值模擬工況

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

圖9 工作區(qū)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(jié)果及分析

文獻[1]通過實驗方法發(fā)現(xiàn)了自然排風口短路現(xiàn)象。本文基于數(shù)值模擬技術(shù)提出了對氣流短路現(xiàn)象進行定量表述的有效通風量和有效通風比兩個參數(shù)，其中有效通風量表示復合通風系統(tǒng)中對建筑室內(nèi)熱環(huán)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(tǒng)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(jié)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(zhuǎn)變?yōu)檫M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(xiàn)象加劇。

圖10 通風量隨機械排風量的變化規(guī)律（模式一）

3.3.2 模式二通風量計算結(jié)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(guī)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(nèi)未被短路。

3.3.3 模式三通風量計算結(jié)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(guī)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(xiàn)象加劇。

3.3.4 模式四通風量計算結(jié)果及分析

本模式側(cè)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(guī)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(cè)墻排風機開啟六臺模式下自然排風口僅在距離側(cè)墻風機較近的 1，1′ ，6 和 6′ 四個排風口被短路，距離側(cè)墻風機較遠的8個自然排風口均為排風狀態(tài)。因此，當機械排風量相同時，側(cè)墻排風機不易引起自然排風口整體短路，且通過關(guān)閉距離側(cè)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(jié)果及分析

采用工作區(qū)溫度效率[6]對工業(yè)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(qū)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(guī)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(guī)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(guī)律與文獻[1]實驗結(jié)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(guī)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(cè)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(guī)律

以上研究亦可發(fā)現(xiàn)，最佳增益溫度效率都出現(xiàn)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(yè)熱廠房中熱壓通風與機械排風聯(lián)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(jié)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(shù)值模擬技術(shù)建立了復合通風數(shù)值預測模型，研究了體形系數(shù)為 0.545，窗墻比為 0.216和室內(nèi)熱源強度為150 W/m3的工業(yè)熱廠房中機械排風口數(shù)量及其分布形式和機械排風量對復合通風效果的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）提出了對氣流短路現(xiàn)象進行定量表述的有效通風量和有效通風比兩個參數(shù)。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(yōu)于排風口集中布置。

3）屋頂機械排風比側(cè)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(yōu)于側(cè)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。

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