蒲 靜 蔣福建 牛東興 袁艷平

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031 2.中鐵科學(xué)研究院有限公司 成都 610032）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化的快速發(fā)展，工業(yè)建筑的規(guī)模、數(shù)量以及建設(shè)速度在世界上已屬前列，其能耗已占到工業(yè)生產(chǎn)總能耗的10%以上[1]。與普通民用建筑相比，工業(yè)建筑的生產(chǎn)廠房具有設(shè)備多、體量大及內(nèi)部有較大通敞空間等特點(diǎn)，其生產(chǎn)過(guò)程往往會(huì)散發(fā)大量熱量[2]，需消耗較多通風(fēng)空調(diào)能耗來(lái)控制其熱環(huán)境，這一問題在二類工業(yè)建筑中尤為明顯[3]。因生產(chǎn)工藝的需求，在二類工業(yè)建筑中，連續(xù)排列的多個(gè)高溫設(shè)備將組成長(zhǎng)寬比較大的帶狀體熱源，并在此類熱源之間形成高溫廊道，這種熱廊道普遍存在于機(jī)械加工、冶金和陶瓷等行業(yè)。在熱廊道中，兩側(cè)高溫?zé)嵩吹臒彷椛浜蜔釋?duì)流共同作用將可能造成局部區(qū)域過(guò)熱，而高溫的工作環(huán)境會(huì)對(duì)工人健康和生產(chǎn)效率產(chǎn)生負(fù)面影響[4-6]。因此，廊道熱環(huán)境的形成和控制亟待關(guān)注。

對(duì)工業(yè)建筑熱環(huán)境的研究方法通常為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬。其中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的主要目的是揭示人員活動(dòng)區(qū)在各類工業(yè)熱源作用下熱環(huán)境的實(shí)際情況，以為工作環(huán)境的保障與改善研究提供背景支撐。劉顯晨等人[7]對(duì)某一有大量熱源散熱的高大空間廠房不同高度和不同熱源處的空氣溫度進(jìn)行了測(cè)試，以明確現(xiàn)有熱環(huán)境狀況，并分析影響自然通風(fēng)效果的主要因素；孟曉靜等人[8,9]對(duì)西安某熱軋廠房的室內(nèi)輻射熱強(qiáng)度和定向平均輻射溫度等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，以揭示強(qiáng)熱源工業(yè)廠房?jī)?nèi)部的對(duì)流輻射特性；Tian 等人[10]對(duì)車間的室內(nèi)溫度和風(fēng)速進(jìn)行了測(cè)試，以明確通風(fēng)優(yōu)化的數(shù)值模擬研究；為了獲得符合實(shí)際的水電站機(jī)電設(shè)備散熱量以正確指導(dǎo)電站內(nèi)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，羅琦[11,12]對(duì)三個(gè)電站的設(shè)備散熱量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；Wang 等人[13]則測(cè)試了強(qiáng)熱源自然通風(fēng)工業(yè)廠房夏季和冬季的空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度和WBGT 等數(shù)據(jù)，以探究高溫環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)WBGT 的影響因素。現(xiàn)有研究揭示了不同類型工業(yè)廠房的熱環(huán)境特性，但缺乏對(duì)大長(zhǎng)寬比帶狀熱源形成的熱廊道關(guān)注，其熱環(huán)境特性尚不明確，難以指導(dǎo)廊道環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行。

據(jù)此，為掌握高溫廊道現(xiàn)有熱環(huán)境特性，為其廠房與環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供優(yōu)化措施，本文以建陶廠房的窯爐車間為對(duì)象，對(duì)其廊道熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。獲取了在自然通風(fēng)條件下，廊道熱源表面溫度和垂直方向上的空氣溫度分布數(shù)據(jù)，總結(jié)了現(xiàn)有熱環(huán)境特征，研究結(jié)果可為其通風(fēng)方案的有效設(shè)計(jì)提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 測(cè)試對(duì)象

四川省夾江縣是西部最大的陶瓷生產(chǎn)中心，其主要生產(chǎn)陶瓷類型為建筑陶瓷。因生產(chǎn)過(guò)程干燥和燒成工序的要求，窯爐設(shè)備連續(xù)排列，從而在兩排設(shè)備間形成大長(zhǎng)寬比的熱廊道。故本文將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)象定為夾江縣某建陶廠窯爐車間，廠房長(zhǎng)和寬分別為230m 和45m。其中窯爐車間長(zhǎng)145m，寬15.2m，廊道寬5.2m，廠區(qū)平面圖、立面圖及測(cè)點(diǎn)布置如圖1 和圖2所示，其中圖1 虛線框部分即為窯爐車間，其東、西側(cè)分別與制粉車間和制釉車間相鄰，南側(cè)為打包車間。測(cè)試窯爐車間除東側(cè)有隔墻外，其他均為開敞區(qū)域，且東側(cè)制粉車間設(shè)備幾乎對(duì)進(jìn)風(fēng)沒有阻礙作用。

圖1 廠房平面圖及測(cè)點(diǎn)布置（單位:m）Fig.1 The horizontal layout of the plant and locations of measurement point(unit:m)

圖2 廠房立面圖及測(cè)點(diǎn)布置（單位:m）Fig.2 The vertical layout of the plant and locations of measurement point(unit:m)

廠房現(xiàn)有降溫方式為熱壓主導(dǎo)條件下的自然通風(fēng)，北墻和南墻分別布置有高度為1.8m 的一排進(jìn)風(fēng)側(cè)窗，屋頂設(shè)有高度為1.5m 的兩排天窗排風(fēng)。整個(gè)生產(chǎn)工藝為瓷磚坯體從原料區(qū)依次送入窯爐進(jìn)行干燥和燒成，然后經(jīng)過(guò)上釉、磨邊等工序，最后送往成品區(qū)。窯爐是陶瓷生產(chǎn)重要的部件，其內(nèi)部工作溫度可達(dá)到1000℃以上，窯爐兩側(cè)每隔2h有工人進(jìn)行日常巡查檢修工作，單次停留時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)30min，如圖3所示廊道即為工人工作崗位，其中兩側(cè)窯爐尺寸為140m×3m×3m，主煙管外徑約為0.9m，輔煙管外徑約為0.6m。熱源面積大且溫度水平高，其散熱量也大。

圖3 廠房窯爐區(qū)廊道實(shí)景圖Fig.3 Real view of the corridor of the kiln plant area

1.2 測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試時(shí)間為2020年7月20日～23日，測(cè)試期間廠區(qū)生產(chǎn)正常運(yùn)行。測(cè)試內(nèi)容包括廊道兩側(cè)熱源表面溫度和各測(cè)點(diǎn)1.5m、3m、4.5m、5.5m 高度處的空氣溫度。室內(nèi)空氣溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖1 和圖2所示，兩窯爐中間廊道測(cè)點(diǎn)布置按窯爐預(yù)熱—燒成—冷卻生產(chǎn)過(guò)程，從北至南依次布置測(cè)點(diǎn)為①-④，測(cè)點(diǎn)距離兩側(cè)熱源均為2.6m；西側(cè)窯爐靠制釉車間測(cè)點(diǎn)為⑤，東側(cè)窯爐靠外墻測(cè)點(diǎn)為⑥，測(cè)點(diǎn)均布置在距離熱源1m 處。為防止熱源高溫?zé)彷椛鋵?duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在自記儀探頭外包鋁箔紙。測(cè)試車間窯爐總共70 段，每段2m，窯爐表面溫度測(cè)點(diǎn)按每5 段布置一個(gè)，分別對(duì)煙氣管道、窯頂、上窯墻和下窯墻進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)示意圖如圖4所示。

圖4 表面溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of surface temperature measuring point

1.3 測(cè)試儀器

測(cè)試所用儀器匯總?cè)绫?所示，其中空氣溫度和熱流密度的測(cè)量間隔均為15min，表面溫度的測(cè)量間隔為3h，測(cè)量時(shí)間總計(jì)3 天。

表1 測(cè)試所用儀器Table 1 Measurement instrumentation specifications

2 實(shí)測(cè)結(jié)果

2.1 熱源表面溫度

對(duì)于有高溫?zé)嵩吹墓I(yè)廠房來(lái)說(shuō)，各種熱源以輻射和對(duì)流的方式向廠區(qū)大量散熱，廠房?jī)?nèi)空氣溫度較高[15,16]。因此，確定廊道熱源強(qiáng)度，從源頭改善廊道熱環(huán)境，具有重要意義。本次測(cè)量采用紅外測(cè)溫儀和紅外熱成像儀分別對(duì)東西側(cè)窯爐表面溫度進(jìn)行了測(cè)試，窯爐頂部溫度較為均勻，故不考慮分段測(cè)量。窯爐及煙氣管道不同段表面溫度如表2和表3所示。

表2 東側(cè)窯爐不同段表面溫度情況/℃Table 2 The surface temperature of different sections in the east kiln/℃

表3 西側(cè)窯爐不同段表面溫度情況/℃Table 3 The surface temperature of different sections in the west kiln/℃

從上表可以看出，兩窯爐表面溫度分布不均且差異較大。這是由于東側(cè)窯爐是燒制瓷磚胚體作用，西側(cè)窯爐是干燥瓷磚胚體作用，而燒成工序溫度要求遠(yuǎn)高于干燥過(guò)程。故東側(cè)窯爐表面溫度高于西側(cè)窯爐，東側(cè)窯爐窯墻最高溫度122.6℃，西側(cè)窯爐窯墻最高溫度74.9℃。窯爐外表面溫度隨內(nèi)部溫度的變化而變化，其中在燒成狀態(tài)下溫度水平最高，窯爐內(nèi)部溫度高達(dá)1000℃以上，而預(yù)熱和冷卻階段工作溫度相對(duì)較低。選取東側(cè)窯爐燒成段（第43 段窯墻和53 段煙管）為例，其實(shí)景照片和紅外熱成像照片如圖5所示。從（a），（b）圖可以發(fā)現(xiàn)，窯墻表面溫度均超過(guò)80℃，距離燒成磚越近窯墻溫度越高，從（c），（d）圖可以發(fā)現(xiàn)車間內(nèi)部煙氣管道表面溫度低于上窯墻溫度。根據(jù)GBZ1-2010《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[17]中規(guī)定，工作人員經(jīng)常停留或靠近的高溫地面或壁板，其表面溫度不應(yīng)大于40℃，瞬間最高溫度也不宜大于60℃，而工人經(jīng)常靠近的窯墻高溫段表面溫度均超過(guò)60℃規(guī)定限值。

圖5 熱源局部實(shí)景圖和熱成像圖Fig.5 Local view and thermal image of the heat source

2.2 室內(nèi)空氣溫度

測(cè)試期間天氣為陰轉(zhuǎn)小雨，故選取沒有降雨的21 號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，室外逐時(shí)平均溫度變化如圖6所示，室外平均氣溫25℃，日最高氣溫29℃，室外無(wú)持續(xù)風(fēng)向，風(fēng)力等級(jí)為1～2 級(jí)。圖7 給出了窯爐區(qū)廊道各測(cè)點(diǎn)垂直方向24h 的逐時(shí)空氣溫度變化情況。

圖6 室外逐時(shí)平均溫度Fig.6 The average outdoor air temperature by hour

圖7 各測(cè)點(diǎn)垂直方向上的逐時(shí)平均溫度（圖(a)～(f)依次對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)①～⑥）Fig.7 Hourly mean air temperature in the vertical direction of each measuring point

空氣測(cè)點(diǎn)①～④依次對(duì)應(yīng)窯爐段為24、38、52、66，⑤和⑥測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)窯爐段為45 段，其中24 段前為預(yù)熱段，窯爐內(nèi)部溫度較低，24～38 段內(nèi)部開始升溫向燒成段過(guò)渡，之后進(jìn)入高溫?zé)啥危?6 段以后溫度開始逐步下降向冷卻段過(guò)渡。從圖7 可以看出，廊道空氣溫度隨著窯爐表面溫度的變化而變化。①～④測(cè)點(diǎn)溫度先升高，后稍有降低，③測(cè)點(diǎn)空氣溫度最高，廊道平均空氣溫度37.5℃。即熱源表面溫度越高，空間范圍內(nèi)空氣溫度越高。而熱源東側(cè)⑥測(cè)點(diǎn)由于距側(cè)墻進(jìn)風(fēng)口較近，在風(fēng)口作用范圍內(nèi)，垂直方向4.5 和5.5m 處溫度較低。而距離風(fēng)口越遠(yuǎn)溫度越高，1.5m 和3m 測(cè)點(diǎn)由于距熱源較近，空氣溫度最高達(dá)48℃；除⑥測(cè)點(diǎn)外，其他區(qū)域測(cè)點(diǎn)空氣沿垂直方向的溫度梯度較小，說(shuō)明熱空氣沒有形成明顯的溫度分層；這主要是由于東側(cè)側(cè)墻風(fēng)口進(jìn)入的冷空氣在掠過(guò)熱源表面時(shí)溫度逐漸升高，到中間廊道區(qū)域時(shí)冷空氣溫度與區(qū)域熱空氣溫差逐漸減少至零。此外，各測(cè)點(diǎn)24h 逐時(shí)空氣溫度隨室外氣溫波動(dòng)較小，故廊道熱環(huán)境主要是由于室內(nèi)強(qiáng)熱源影響。

考慮到工人工作崗位，將距離地面1.5m 高定義為工作區(qū)，表4 給出了廊道不同熱源段測(cè)點(diǎn)工作區(qū)溫度。從上表發(fā)現(xiàn)廊道熱源高溫段工作區(qū)溫度超過(guò)40℃，工作區(qū)平均氣溫為38.5℃。文獻(xiàn)[14]指出工作地點(diǎn)的氣溫超過(guò)38℃即為高溫作業(yè)，故在現(xiàn)有熱壓主導(dǎo)自然通風(fēng)作用下，廊道工作區(qū)屬于高溫作業(yè)場(chǎng)所。

表4 廊道工作區(qū)空氣溫度Table 4 Air temperature in corridor working area

3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.1 車間熱源散熱分析

熱源表面溫度一定程度上決定了廠房?jī)?nèi)熱源強(qiáng)度，故分別對(duì)上述測(cè)試的熱源散熱量進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于室內(nèi)設(shè)備和管道，可只考慮輻射換熱和自然對(duì)流換熱，綜合為復(fù)合換熱過(guò)程，其表面散熱量簡(jiǎn)化計(jì)算式[18]：

式中：Q為管道或設(shè)備表面散熱量，W；為散熱熱流密度，W/m2；A為設(shè)備及管道的外部表面積，m2；sα為綜合換熱系數(shù)，W/(m2·K)，按式（2）和式（3）計(jì)算；Tw為設(shè)備及管道的外表面溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃。Tw和Ta的取值均按實(shí)測(cè)的表面溫度和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)取值。

對(duì)于圓筒壁[19]：

對(duì)于平壁[19]：

管道表面散熱損失按求算術(shù)平均值的方法處理，按式（4）計(jì)算；設(shè)備表面散熱損失按求表面積加權(quán)平均值的方法處理，按式（5）計(jì)算[19]。

式中：n為測(cè)點(diǎn)數(shù)，個(gè)；x1，x2，…，xn-1，xn為管道或設(shè)備各段的表面散熱熱流密度，W/m2；A1，A2，…，An-1，An為各區(qū)域面積，m2。散熱量計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 窯爐車間熱源散熱量Fig.8 Heat dissipation of heat source in kiln workshop

計(jì)算得到本次調(diào)研廠房窯爐車間熱源總散熱量為1795kW，車間余熱強(qiáng)度約為93W/m3。由圖8可以看出，東側(cè)熱源散熱量高于西側(cè)，由于窯墻表面溫度水平較高、散熱面積較大，故廊道兩側(cè)窯墻是車間最大的熱源。車間熱源單位設(shè)備表面積散熱損失如表5所示。

表5 車間熱源參數(shù)Table 5 The parameters of workshop heat source

從表5 可以看出，車間熱源散熱不均勻，上窯墻的單位面積損失高達(dá)其他熱源的3 倍，熱源最小單位面積損失為193W/m2。根據(jù)相關(guān)保溫規(guī)范[19-21]的說(shuō)明：常年運(yùn)行工況設(shè)備、管道及附件保溫后外表面溫度為100℃時(shí)，允許的最大散熱損失均不得超過(guò)84W/m2?？梢园l(fā)現(xiàn)，窯爐車間熱力設(shè)備和管道保溫工程的單位面積熱損遠(yuǎn)高于規(guī)定值。

3.2 窯爐廊道熱環(huán)境分析

強(qiáng)熱源工業(yè)建筑內(nèi)部往往散發(fā)大量輻射，僅用空氣溫度很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)人體舒適。文獻(xiàn)[22-24]指出，對(duì)于過(guò)熱環(huán)境或輻射換熱環(huán)境普遍以操作溫度作為熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此本文以操作溫度作為廊道熱環(huán)境對(duì)人體熱感覺影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)ASHRAE 手冊(cè)[25]中操作溫度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式：

式中：t0為操作溫度，℃；ta為空氣平均溫度，℃；A為相對(duì)風(fēng)速vr的函數(shù)，本文取0.5[25]；tr為平均輻射溫度，℃。平均輻射溫度是指一個(gè)假定的黑色等溫面的表面溫度，人在其中產(chǎn)生的熱損失與在真實(shí)的內(nèi)表面溫度不均勻的環(huán)境的熱損失相等，可由面積加權(quán)法按式（7）計(jì)算[26-28]。

式中：ti為表面i的溫度，℃；B為表面面積，m2。

根據(jù)以上公式對(duì)測(cè)試6 個(gè)測(cè)點(diǎn)的操作溫度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 夏季各位置操作溫度Fig.9 Operating temperature of each measuring location in summer

本文以文獻(xiàn)[29]中使用的操作溫度35℃限值作為工業(yè)建筑操作溫度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，從圖9 可以看出，廊道除了①測(cè)點(diǎn)外，其他測(cè)點(diǎn)操作溫度均超過(guò)35℃，最高操作溫度46.6℃，廊道平均操作溫度41.2℃，現(xiàn)有熱環(huán)境較為惡劣。對(duì)于高溫?zé)嵩垂I(yè)建筑，廠房?jī)?nèi)熱源以對(duì)流和輻射的形式向室內(nèi)散發(fā)熱量，因此合理的通風(fēng)方式降低廠區(qū)熱對(duì)流作用和有效的隔熱措施減少熱源熱輻射作用對(duì)于熱環(huán)境的改善具有重要意義。

假設(shè)空氣溫度變化對(duì)熱源表面溫度的影響可以忽略不計(jì)，即保持平均輻射溫度不變，通過(guò)式（6）和式（7）計(jì)算廊道各位置達(dá)到操作溫度35℃的空氣溫度限值，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。從圖10 可以看出，①測(cè)點(diǎn)由于熱輻射作用較弱，故通過(guò)合理的氣流組織使空氣溫度控制在35℃即可滿足要求。③和④測(cè)點(diǎn)由于兩側(cè)熱源溫度水平較高，導(dǎo)致平均輻射溫度較大，故達(dá)到規(guī)定操作溫度限值的空氣溫度較低，操作溫度為35℃的空氣溫度控制值為18℃。顯然在實(shí)際情況中通過(guò)通風(fēng)的方式使廠房溫度達(dá)到18℃是不現(xiàn)實(shí)的，必定消耗大量通風(fēng)與制冷能耗。因此，對(duì)于內(nèi)熱源輻射熱量較大的廠房，可以考慮采取有效的隔熱措施，例如采用隔熱板降低熱源對(duì)工作區(qū)的輻射熱量，效果比較顯著[30]。以規(guī)范[17]規(guī)定的工作人員經(jīng)常停留或靠近的高溫地面或壁板，其表面溫度不應(yīng)大于40℃為依據(jù)，若采取有效的防輻射措施使廊道熱源表面溫度達(dá)到規(guī)定要求，通過(guò)式（6）和式（7）計(jì)算，則達(dá)到操作溫度限值的空氣溫度為30℃。這一結(jié)果與上述計(jì)算的空氣溫度控制值18℃相比，在實(shí)際環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中更為合理。因此，強(qiáng)熱源廠房降低其內(nèi)部熱源輻射作用是熱環(huán)境改善的重點(diǎn)方向。

圖10 維持操作溫度要求的各位置空氣溫度Fig.10 Air temperature at each measuring location as required by operating temperature

4 結(jié)論

為探究大長(zhǎng)寬比高溫廊道熱環(huán)境特性，以?shī)A江縣某建陶廠房的窯爐車間為例，對(duì)表面溫度和室內(nèi)溫度進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）在現(xiàn)有熱壓主導(dǎo)的自然通風(fēng)降溫方式下，窯爐車間廊道工作區(qū)平均氣溫38.5℃。中間廊道空氣沿垂直方向沒有形成明顯的溫度分層。廊道逐時(shí)空氣溫度變化不明顯，熱廠房空氣溫度隨室外氣溫變化不大，主要受強(qiáng)熱源影響?，F(xiàn)有側(cè)墻自然通風(fēng)方式與熱源形式不匹配，室外新風(fēng)由于熱源的遮擋無(wú)法直接作用于廊道工作區(qū)。東側(cè)熱源表面溫度范圍為43.7～122.6℃，西側(cè)熱源表面溫度范圍為42.5～90.9℃，兩熱源高溫段表面溫度均超過(guò)規(guī)定的60℃熱表面溫度限值。熱源散熱量計(jì)算結(jié)果表明窯爐車間余熱強(qiáng)度約為93W/m3。

（2）選取操作溫度作為廊道熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)廊道平均操作溫度41.2℃，最高操作溫度46.6℃。若不采取防輻射措施，僅采用合理的氣流組織，則達(dá)到操作溫度限值的空氣溫度控制值為18℃。若采取有效的隔熱措施使廊道熱源表面溫度保持在規(guī)范規(guī)定的40℃，則達(dá)到操作溫度限值的空氣溫度為30℃。這一結(jié)果與空氣溫度控制值18℃相比，在實(shí)際環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中更為合理，能顯著降低通風(fēng)或制冷能耗。因此，對(duì)于強(qiáng)熱源廠房減少其內(nèi)部熱源輻射作用是熱環(huán)境改善的重點(diǎn)方向。