通風(fēng)口對工業(yè)熱廠房自然通風(fēng)的影響分析

張 大 衛(wèi)

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510010)

0 引言

自然通風(fēng)不僅能有效實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的降溫，改善冶金廠房和機(jī)械制造廠房高溫車間的勞動(dòng)條件。而且具有節(jié)約常規(guī)能源、減少環(huán)境污染，能使人精神愉快,工作效率提高等特點(diǎn)，在當(dāng)今建筑界及工業(yè)領(lǐng)域引起了高度重視。早期，為了滿足各種高大型工業(yè)廠房的生產(chǎn)需求，保障工人身體健康及工作區(qū)環(huán)境的舒適性，蘇聯(lián)學(xué)者和工程師對工業(yè)廠房的自然通風(fēng)作了大量的研究。其中，蘇聯(lián)學(xué)者H.E.懦可夫斯最先創(chuàng)立了通風(fēng)的理論基礎(chǔ)，莫斯科的勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所對工業(yè)建筑的自然通風(fēng)問題做了多年的研究，得出了相關(guān)的計(jì)算方法及一些避風(fēng)天窗的構(gòu)造[1]。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展與普及，人們開始將計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用到對自然通風(fēng)的研究中來，這對自然通風(fēng)的研究起到了推動(dòng)作用。1974年,丹麥的P.V.Nilsen首次利用計(jì)算流體力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)方法對室內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬[2]。Fracastoro G V[3]采用CFD方法對單區(qū)和兩區(qū)建筑的熱壓驅(qū)動(dòng)的單側(cè)通風(fēng)進(jìn)行了研究，得出了室內(nèi)垂直溫度分布，通風(fēng)量及室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。隋學(xué)敏[4]分析了不同建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)及熱源強(qiáng)度對房間自然通風(fēng)的影響。萬鑫等[5]認(rèn)為，過去模擬研究中的模型過于簡化，與實(shí)際存在一定的差距。

以上研究多以民用建筑為研究對象，而對內(nèi)部有高溫?zé)嵩吹母叽蠊I(yè)廠房室內(nèi)熱環(huán)境的研究則相對較少。為此，以高大工業(yè)熱廠房為研究對象，分析進(jìn)排風(fēng)口等自然通風(fēng)口參數(shù)對廠房夏季自然通風(fēng)效果的影響。

1 熱軋廠房室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測值與模擬值對比驗(yàn)證分析

1.1 現(xiàn)場實(shí)測

在實(shí)測過程中，根據(jù)工位選取典型的4個(gè)測位，從距地面0.5 m～6 m處沿豎直方向每隔0.5 m距離測量溫度值與風(fēng)速值，每個(gè)測位得12組溫度值，12組風(fēng)速值。具體熱源及測位分布見圖1。

1.1.1實(shí)測內(nèi)容

1)該廠房所在地室外環(huán)境溫度值、風(fēng)速值等相關(guān)氣象參數(shù)；

2)廠房內(nèi)各朝向部分典型進(jìn)風(fēng)口處的空氣溫度和風(fēng)速；

3)廠房內(nèi)部工作區(qū)沿垂直方向空氣的溫度值和速度值。

1.1.2測試數(shù)據(jù)的整理與分析

根據(jù)國內(nèi)外研究成果可知[6,7]：室內(nèi)溫度是構(gòu)成室內(nèi)熱環(huán)境的基礎(chǔ)，嚴(yán)重影響室內(nèi)人員的安全健康與工作效率。因此重點(diǎn)分析了實(shí)測數(shù)據(jù)中的溫度指標(biāo)，測試結(jié)果如圖2所示。

1.2 CFD數(shù)值模擬物理模型的建立

1.2.1模型建立

本文以高大工業(yè)熱廠房為研究對象，通過現(xiàn)場實(shí)測，并結(jié)合模擬計(jì)算驗(yàn)證CFD數(shù)值模擬在此類工業(yè)建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上分析自然通風(fēng)口參數(shù)變化對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。該廠房物理模型的基本尺寸為L×W×H=294 m×51 m×14.5 m。通過GIMBIT建模軟件對工業(yè)熱廠房進(jìn)行幾何建模?？紤]到模擬計(jì)算的高效性與經(jīng)濟(jì)性，在模型建立中對該廠房進(jìn)行了必要的簡化。

1)忽略了墻體和屋頂?shù)暮穸燃跋嚓P(guān)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)；

2)將各熱源簡化為立方體形態(tài)；

3)忽略了廠房立柱、鋼架等附屬部件；

4)忽略排風(fēng)氣樓中的各個(gè)支撐部件。

1.2.2網(wǎng)格劃分

本次數(shù)值模擬采用GAMBIT三維建模。在熱源面采用局部加密的方法，并在該表面以最小初始網(wǎng)格步長200 mm尺寸網(wǎng)格進(jìn)行劃分，生成有限體積單元網(wǎng)格，單元網(wǎng)格為以六面體網(wǎng)格為主的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。在物理模型的網(wǎng)格劃分過程中，不斷細(xì)化最小初始步長、成長比率及最大終極步長，直至數(shù)值計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)時(shí)為止。

1.2.3室外環(huán)境參數(shù)及邊界條件

針對該高大工業(yè)熱廠房物理模型，以該地區(qū)夏季最熱月工況下午13：00時(shí)室外及室內(nèi)實(shí)測數(shù)據(jù)用做數(shù)值模型有效性驗(yàn)證及模擬分析的邊界條件(見表1)。

表1 室外環(huán)境溫度與風(fēng)速

1)進(jìn)風(fēng)口。

位于外墻進(jìn)風(fēng)口邊界類型均設(shè)為壓力入口pressure-inlet，相對壓力設(shè)為0 Pa；其中進(jìn)風(fēng)口空氣溫度為307.8 K。

2)氣樓排風(fēng)口。

位于廠房屋頂處的氣樓排風(fēng)口邊界類型設(shè)為自由出口pressure-outlet。

3)熱源表面溫度。

加熱爐外表面溫度為409 K；粗軋鋼段熱源表面溫度為1 373 K；中軋鋼段熱源表面溫度為1 023 K；精鋼冷床區(qū)段熱源為893 K；包裝區(qū)熱源溫度為413 K。

4)圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度(見表2)。

表2 廠房夏季最熱月各朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度

1.3 模擬值與實(shí)測值的對比驗(yàn)證分析

夏季最熱月數(shù)值模擬工況有效性驗(yàn)證如下：

針對該廠房夏季最熱月工況，對比驗(yàn)證分析該工業(yè)廠房P1,P2,P3及P4四個(gè)測試區(qū)位沿豎直方向上的12個(gè)測試點(diǎn)的空氣溫度模擬值與實(shí)測值的變化規(guī)律。其結(jié)果見圖3～圖6。

圖3～圖6表示了P1,P2,P3及P4四個(gè)測位沿豎直方向上的12個(gè)測試點(diǎn)的空氣溫度模擬值與實(shí)測值的對比變化。由圖可知，實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)基本吻合，進(jìn)一步分析知各測點(diǎn)的空氣溫度平均誤差值為2.36%；驗(yàn)證了CFD數(shù)值模擬在夏季最熱月模擬工況下的準(zhǔn)確性。

2 建筑結(jié)構(gòu)形態(tài)對廠房內(nèi)熱環(huán)境的影響的數(shù)值模擬分析

上文對比分析了廠房內(nèi)工作區(qū)熱環(huán)境的實(shí)測值與模擬值，驗(yàn)證了在自然通風(fēng)條件下CFD數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上，研究廠房進(jìn)排風(fēng)口中心高度差這一參數(shù)的改變對廠房內(nèi)工作區(qū)熱環(huán)境的影響。

2.1 工況說明

在進(jìn)、排風(fēng)口面積不變的前提下研究其風(fēng)口中心高度差的變化對廠房內(nèi)熱環(huán)境的影響。

進(jìn)風(fēng)口底部距地面高度H:1.2 m;

排風(fēng)口高度H：9.5 m;

數(shù)值計(jì)算模型變量：進(jìn)、排風(fēng)口高度差分別為原始尺寸的50%，75%，125%，150%。

2.2 模擬結(jié)果及分析

由圖7～圖10可以看出，隨著廠房進(jìn)出風(fēng)口中心高度差的增大，廠房內(nèi)工作區(qū)的溫度總體呈遞減趨勢。這是由于隨著進(jìn)出風(fēng)口中心高度差的增加，廠房內(nèi)熱壓越大，進(jìn)入到廠房內(nèi)的通風(fēng)量越大。所以其工作區(qū)的溫度隨之降低。

3 結(jié)語

首先驗(yàn)證了計(jì)算流體力學(xué)CFD用于模擬高大工業(yè)熱廠房夏季自然通風(fēng)所得結(jié)果的可靠性。其次，從數(shù)值模擬結(jié)果可知隨著廠房進(jìn)排風(fēng)口中心高度差的增大，廠房內(nèi)工作區(qū)的溫度總體呈遞減趨勢，有利于改善廠房內(nèi)工作區(qū)的熱環(huán)境。