工業(yè)廠房中旋流型屋頂通風(fēng)器作用下自然通風(fēng)特性研究

孟曉靜 ，徐揚(yáng)帆 ，付林志 ，康思遠(yuǎn)

（1.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，西安 710055；2.西部綠色建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055）

0 引言

旋流型屋頂通風(fēng)器是利用自身的渦輪葉片捕捉迎風(fēng)面風(fēng)力，從而推動(dòng)渦輪葉殼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，增加了室內(nèi)通風(fēng)量的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生能耗。自然通風(fēng)是利用自然風(fēng)動(dòng)力和存在溫差的空氣循環(huán)動(dòng)力進(jìn)行通風(fēng)，不需要消耗機(jī)械動(dòng)力，是一種經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)方式［1-10］。但是在工業(yè)廠房中常常存在自然進(jìn)排風(fēng)口面積不足或室內(nèi)外溫差過小導(dǎo)致自然通風(fēng)將不能滿足室內(nèi)熱環(huán)境要求。因此，旋流型屋頂通風(fēng)器輔助自然通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)降低建筑能耗，改善室內(nèi)熱環(huán)境具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)旋流型屋頂通風(fēng)器通風(fēng)特性以及建筑自然通風(fēng)特性進(jìn)行了大量研究。OBAIDI等［11］綜述了熱帶地區(qū)影響旋流型屋頂通風(fēng)器通風(fēng)效果的因素以及改進(jìn)通風(fēng)器實(shí)現(xiàn)混合系統(tǒng)的諸多方案。RASHID等［12］在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中使用了靜止圓筒和旋轉(zhuǎn)圓筒物理模型，對(duì)模型中氣流的浮升力和切向力進(jìn)行分解，結(jié)果表明在低雷諾數(shù)下旋流型屋頂通風(fēng)器的通風(fēng)效率高，高雷諾數(shù)時(shí)應(yīng)該重新考慮葉片幾何形狀。LIEN等［13］研究了旋流型屋頂通風(fēng)器上的空氣動(dòng)力特性，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)器上的作用力及其轉(zhuǎn)速隨室外風(fēng)速呈線性增加。LAI［14］使用低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)不同類型的旋流型屋頂通風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)效果測(cè)試，結(jié)果表明直徑為0.5 m的通風(fēng)器比直徑為0.36或0.15 m的通風(fēng)器獲得的通風(fēng)效率高，但是這種差異并不明顯。王巧寧等［15-16］研究了建筑房間風(fēng)壓自然通風(fēng)影響因素，其中包括建筑體型，開窗方式等。方慧等［17］采用氣體示蹤法測(cè)量日光溫室通風(fēng)量，得到了熱壓風(fēng)壓耦合作用的通風(fēng)流量計(jì)算方程。折倩娜等［18］通過數(shù)值模擬的方法研究了減小工業(yè)廠房單側(cè)進(jìn)風(fēng)口面積對(duì)熱壓通風(fēng)量的影響。上述文獻(xiàn)是針對(duì)旋流型屋頂通風(fēng)器通風(fēng)特性或建筑自然通風(fēng)特性進(jìn)行的研究，但在實(shí)際的工業(yè)廠房中，人們往往利用安裝在屋頂?shù)男餍屯L(fēng)器輔助自然通風(fēng)系統(tǒng)來改善室內(nèi)熱環(huán)境。

因此，本文研究工業(yè)廠房中旋流型屋頂通風(fēng)器作用下，自然通風(fēng)系統(tǒng)在不同室外風(fēng)速下對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響規(guī)律，為工業(yè)廠房自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

1 物理模型及計(jì)算方法

1.1 物理模型

本文以咸陽市某鍛件車間為原型建立物理模型，如圖1所示。

圖1 工業(yè)廠房物理模型Fig.1 Physical model of the industrial building

廠房尺寸15 m×10 m×10 m，廠房上部排風(fēng)窗尺寸為2 m×0.5 m，下部設(shè)有門和窗，尺寸分別為3 m×3 m，2 m×0.5 m。廠房地面中間熱源尺寸為4 m×3 m×1 m，通過對(duì)鍛件車間生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)查，熱源散熱量為18 kW/m2。屋頂安裝5個(gè)旋流型屋頂通風(fēng)器，直徑為900 mm。外部計(jì)算域的選取對(duì)整個(gè)模擬結(jié)果會(huì)造成較大影響，YOSHIHIDE等［19］指出假如單一建筑物理模型高度為H，外流場(chǎng)應(yīng)設(shè)置為距離建筑物橫向和頂部邊界至少5 H，流出邊界應(yīng)設(shè)置在建筑物后至少10 H，且計(jì)算域中包含的建筑物不應(yīng)超過建議的阻塞率（3%）。本模型外部計(jì)算域尺寸為158 m×115 m×60 m，實(shí)際阻塞率為0.11%，符合上述要求。旋流型屋頂通風(fēng)器在不同室外風(fēng)速下的通風(fēng)量由生產(chǎn)廠家提供，如圖2所示。

圖2 旋流型屋頂通風(fēng)器的通風(fēng)量Fig.2 Ventilation rate of turbine roof ventilators

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

采用CFD數(shù)值模擬軟件FLUENT研究工業(yè)廠房在旋流型屋頂通風(fēng)器作用下的自然通風(fēng)特性。自然通風(fēng)作用下的流場(chǎng)屬于自然對(duì)流紊流流場(chǎng)，選用Realizable K-ε湍流模型，并選擇浮升力影響，對(duì)于流體介質(zhì)采用Boussinesq假設(shè)。由于廠房內(nèi)部熱源和壁面存在輻射換熱，選擇DO輻射模型，采用分離式求解器進(jìn)行方程求解，壓力速度耦合求解采用SIMPLEC算法，方程的離散采用二階迎風(fēng)格式。

本文模擬西安市夏季工況，根據(jù)GB 50019-2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》夏季室外計(jì)算溫度30.6 ℃，室外大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101 325 Pa）。

由于存在外流場(chǎng)，廠房的上下窗口、門的氣流方向無法確定，因此，廠房的上下窗口、門設(shè)置為interior內(nèi)部邊界使氣流自由出流。在夏季，室內(nèi)外溫差較小，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量對(duì)熱環(huán)境和自然通風(fēng)的影響可以忽略，將廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)為絕熱壁面。熱源設(shè)置為定熱流18 kW/m2，旋流型屋頂通風(fēng)器為速度出口，外流場(chǎng)進(jìn)風(fēng)口為X方向，邊界條件為速度入口，由于背風(fēng)向回旋氣流區(qū)不確定，因此外流場(chǎng)出口定義為壓力出口。

我國很多城市和地區(qū)只有靜風(fēng)的頻率超過了50%，西安夏季室外平均風(fēng)速為1.9 m/s。因此，研究室外風(fēng)速對(duì)自然通風(fēng)特性影響時(shí)，考慮了6種不同室外風(fēng)速，即 0.2，0.6，1.0，1.4，1.8，2.2 m/s。

1.3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證

為了提高收斂效率以及保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本模型外部計(jì)算域采用三維六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在工業(yè)熱廠房周圍進(jìn)行加密處理，選取室外風(fēng)速1.0 m/s，在網(wǎng)格數(shù)量為313萬，409萬，583萬，697 萬時(shí)廠房通風(fēng)量分別為 13.96，14.81，14.56，14.35 kg/s，其中583萬網(wǎng)格與697萬網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差最小，考慮到數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算時(shí)間的長短，本文選取網(wǎng)格數(shù)量為583萬的網(wǎng)格劃分，其中，工業(yè)熱廠房開口處和壁面網(wǎng)格大小分別為0.05，0.2 m，生成網(wǎng)格130萬；外部計(jì)算域網(wǎng)格大小設(shè)置0.2 m，梯度為1.2，生成網(wǎng)格453萬。

1.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性，對(duì)文獻(xiàn)［20］中復(fù)合通風(fēng)工況進(jìn)行模擬，對(duì)比文獻(xiàn)［20］中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示，同一高度測(cè)點(diǎn)位置上的溫度模擬計(jì)算比試驗(yàn)結(jié)果稍高，但總體溫度變化規(guī)律基本一致。對(duì)數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析，得到最大相對(duì)誤差為0.46%，最小相對(duì)誤差為0.08%，平均相對(duì)誤差為0.27%，誤差范圍可以接受，因此本文所采用的數(shù)值模擬方法是可靠的。

圖3 垂直測(cè)點(diǎn)溫度試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Fig.3 Comparison of experimental values and simulation values of temperatures at vertical measuring points

2 模擬結(jié)果分析

室外風(fēng)速是影響旋流型屋頂通風(fēng)器通風(fēng)量的主要因素。本文對(duì)不同室外風(fēng)速下的工業(yè)廠房自然通風(fēng)量、氣流組織以及室內(nèi)溫度分布進(jìn)行分析，進(jìn)而提出旋流型屋頂通風(fēng)器作用下自然通風(fēng)優(yōu)化措施。

2.1 不同室外風(fēng)速對(duì)通風(fēng)量的影響

在不同室外風(fēng)速下工業(yè)熱廠房各個(gè)窗孔空氣流量如圖4所示，空氣流量為正值表示進(jìn)風(fēng)；負(fù)值表示排風(fēng)。

圖4 各個(gè)窗孔空氣流量Fig.4 Air flow rate through each orifice

由圖4可知，迎風(fēng)向上部開口隨室外風(fēng)速的增大，首先排風(fēng)量減小隨后進(jìn)風(fēng)量增大；背風(fēng)向上部開口始終是排風(fēng)形式，受到風(fēng)壓作用的影響較小，排風(fēng)量變化不大；迎風(fēng)向下部開口始終是進(jìn)風(fēng)形式，隨著室外風(fēng)速的增大進(jìn)風(fēng)量增大，這是風(fēng)壓和熱壓相互增益的結(jié)果；背風(fēng)向下部開口隨室外風(fēng)速的增大首先進(jìn)風(fēng)量減小隨后排風(fēng)量增大；旋流型屋頂通風(fēng)器排風(fēng)量隨室外風(fēng)速增大而線性增大。

室外風(fēng)速0.2，0.6 m/s時(shí)工業(yè)廠房氣流組織表現(xiàn)為下部開口進(jìn)風(fēng)，上部開口排風(fēng)，如圖5（a）所示，此時(shí)的室內(nèi)通風(fēng)形式以熱壓通風(fēng)為主導(dǎo)。在室外風(fēng)速0.6 m/s增加至1.0 m/s時(shí)背風(fēng)向下部開口由進(jìn)風(fēng)口轉(zhuǎn)換為排風(fēng)口，如圖5（b）所示，這是因?yàn)殡S著迎風(fēng)向下部開口進(jìn)風(fēng)量增加，當(dāng)背風(fēng)向下部開口受到的風(fēng)壓作用大于熱壓作用時(shí)，氣流就會(huì)在迎風(fēng)向下部開口和背風(fēng)向下部開口之間形成穿堂風(fēng)，導(dǎo)致背風(fēng)向下部開口的通風(fēng)形式發(fā)生變化。在室外風(fēng)速1 m/s增加至1.4 m/s時(shí)，迎風(fēng)向上部開口氣流由排風(fēng)轉(zhuǎn)換為進(jìn)風(fēng)，如圖5（c）所示，造成這種結(jié)果有2個(gè)原因，其一是迎風(fēng)向上部開口處的風(fēng)壓對(duì)熱壓起到削弱作用，其二是因?yàn)殡S著室外風(fēng)速的增加，旋流型屋頂通風(fēng)器排風(fēng)量的增加也會(huì)使迎風(fēng)向上部開口的通風(fēng)形式發(fā)生改變。

圖5 不同室外風(fēng)速下廠房氣流組織示意Fig.5 Schematic diagram of air distribution in the building at different outdoor wind velocities

室外風(fēng)速對(duì)旋流型屋頂通風(fēng)器聯(lián)合自然通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)量的影響如圖6所示。室外風(fēng)速0.2 m/s增加至0.6 m/s時(shí)，廠房內(nèi)通風(fēng)量變化不大。這是因?yàn)榇藭r(shí)室內(nèi)通風(fēng)形式以熱壓通風(fēng)為主，室外風(fēng)速0.6 m/s迎風(fēng)向下部開口進(jìn)風(fēng)量雖有增加，但背風(fēng)向下部開口進(jìn)風(fēng)量減少，所以廠房內(nèi)通風(fēng)量增幅并不明顯。室外風(fēng)速1.0 m/s增加至2.2 m/s時(shí)，廠房內(nèi)通風(fēng)量增幅明顯，這是因?yàn)槭彝怙L(fēng)速1.0 m/s時(shí)室內(nèi)通風(fēng)形式已經(jīng)處于熱壓主導(dǎo)通風(fēng)向風(fēng)壓主導(dǎo)通風(fēng)的過渡期，隨著室外風(fēng)速的增加室內(nèi)通風(fēng)形式變?yōu)轱L(fēng)壓主導(dǎo)，通風(fēng)量增幅明顯。因此，旋流型屋頂通風(fēng)器作用下自然通風(fēng)系統(tǒng)由熱壓通風(fēng)主導(dǎo)時(shí)，室外風(fēng)速對(duì)工業(yè)廠房通風(fēng)量的影響較小，工業(yè)廠房自然通風(fēng)設(shè)計(jì)可以不考慮風(fēng)壓的影響；當(dāng)旋流型屋頂通風(fēng)器作用下自然通風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)壓通風(fēng)主導(dǎo)時(shí)，工業(yè)廠房通風(fēng)量隨室外風(fēng)速的增加而增大，工業(yè)廠房自然通風(fēng)設(shè)計(jì)需考慮風(fēng)壓的影響。

圖6 工業(yè)廠房通風(fēng)量Fig.6 Ventilation rate of the industrial building

2.2 不同室外風(fēng)速對(duì)廠房室內(nèi)溫度的影響

室內(nèi)垂直溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在距離熱源1.5 m處，高度方向測(cè)點(diǎn)間距為0.5 m。不同室外風(fēng)速下工業(yè)廠房室內(nèi)垂直溫度分布如圖7所示。室外風(fēng)速小于1.0 m/s時(shí)，廠房內(nèi)垂直溫度隨室外風(fēng)速的增加而稍有升高。在室外風(fēng)速大于1.4 m/s時(shí)，工業(yè)廠房室內(nèi)垂直溫度隨室外風(fēng)速的增加而降低。造成這種室內(nèi)溫度隨室外風(fēng)速的增大先升高后降低的原因可通過廠房垂直橫截面流線來分析，如圖7所示。

圖7 工業(yè)廠房室內(nèi)垂直溫度分布Fig.7 Vertical temperature distribution in the industrial building

由圖8（a）可知，室外風(fēng)速為0.2 m/s時(shí)，工業(yè)廠房以熱壓通風(fēng)為主，氣流組織良好，室外風(fēng)速對(duì)其影響較小。而室外風(fēng)速0.6 m/s時(shí)，工業(yè)廠房上部有渦旋氣流產(chǎn)生（如圖8（b）），同時(shí)廠房通風(fēng)量與室外風(fēng)速為0.2 m/s相比增幅不大，因此廠房室內(nèi)垂直溫度反而升高。由圖8（c）可知室外風(fēng)速1.0 m/s時(shí)廠房上部渦旋氣流相比室外風(fēng)速0.6 m/s有所增大，這是由于迎風(fēng)向下部進(jìn)風(fēng)量增加，背風(fēng)向下部開口排風(fēng)量較小所導(dǎo)致，此時(shí)廠房內(nèi)總體通風(fēng)量雖有增加，但氣流組織對(duì)廠房溫度分布有顯著影響，所以室外風(fēng)速1.0 m/s廠房室內(nèi)溫度相比室外風(fēng)速0.6 m/s在高度3～6 m處稍有升高，在高度6～9.5 m處廠房室內(nèi)垂直溫度有所降低是旋流型屋頂通風(fēng)器通風(fēng)量增大的結(jié)果。由圖8（d）可以看出室外風(fēng)速1.4 m/s時(shí)廠房上部渦旋氣流消失，這是背風(fēng)向下部開口以及旋流型屋頂通風(fēng)器排風(fēng)量增加的結(jié)果，此時(shí)通風(fēng)量的增加使廠房室內(nèi)溫度下降明顯。當(dāng)廠房內(nèi)通風(fēng)形式由風(fēng)壓主導(dǎo)時(shí)，氣流在迎風(fēng)向上部開口處產(chǎn)生渦旋，并未與背風(fēng)向上部開口形成穿堂風(fēng)，這對(duì)室內(nèi)氣流組織有不利影響。

圖8 工業(yè)廠房Y=7.5 m橫截面流線Fig.8 Streamline of the industrial building at Y=7.5 m cross-section

不同室外風(fēng)速下工業(yè)廠房室內(nèi)溫度分布如圖9所示，熱源上方的熱羽流隨室外風(fēng)速的增加向下風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)移。因此，在實(shí)際生產(chǎn)工藝允許的情況下，應(yīng)避免工作人員在熱源下風(fēng)側(cè)活動(dòng)。當(dāng)室外風(fēng)速為0.2 m/s時(shí)，廠房室內(nèi)溫度相比室外風(fēng)速 0.6，1.0 m/s較低（如圖 9（a）～9（c）），這說明室外風(fēng)速0.2 m/s時(shí)廠房內(nèi)氣流組織良好，可有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境。由圖9（d）可知室外風(fēng)速1.4 m/s廠房室內(nèi)溫度下降明顯，室內(nèi)熱環(huán)境主要受到迎風(fēng)向下部進(jìn)風(fēng)氣流的影響，迎風(fēng)向上部開口的進(jìn)風(fēng)氣流并沒有改善室內(nèi)熱環(huán)境。根據(jù)室內(nèi)流場(chǎng)分析，旋流型屋頂通風(fēng)器作用下自然通風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)壓通風(fēng)主導(dǎo)時(shí)，廠房迎風(fēng)向上部開口處的進(jìn)風(fēng)氣流會(huì)產(chǎn)生渦旋，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有不利影響，同時(shí)進(jìn)風(fēng)氣流出現(xiàn)短路現(xiàn)象，對(duì)改善室內(nèi)熱環(huán)境沒有起到作用，此時(shí)，應(yīng)該關(guān)閉迎風(fēng)向上部開口。

圖9 工業(yè)廠房Y=7.5 m橫截面溫度云圖Fig.9 Temperature nephogram of industrial building Y=7.5 m cross-section

3 結(jié)論

（1）旋流型屋頂通風(fēng)器作用下自然通風(fēng)系統(tǒng)在室外風(fēng)速小于0.6 m/s時(shí)廠房內(nèi)通風(fēng)形式由熱壓通風(fēng)主導(dǎo)，室外風(fēng)速1.0 m/s時(shí)廠房內(nèi)通風(fēng)形式處于熱壓通風(fēng)向風(fēng)壓通風(fēng)的過渡期，室外風(fēng)速大于1.4 m/s時(shí)廠房內(nèi)通風(fēng)形式由風(fēng)壓通風(fēng)主導(dǎo)。

（2）旋流型屋頂通風(fēng)器作用下自然通風(fēng)系統(tǒng)由熱壓通風(fēng)主導(dǎo)時(shí)，室外風(fēng)速對(duì)工業(yè)廠房通風(fēng)量的影響較小；由風(fēng)壓通風(fēng)主導(dǎo)時(shí)，工業(yè)廠房通風(fēng)量隨室外風(fēng)速的增加而增大。

（3）旋流型屋頂通風(fēng)器作用下自然通風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)壓通風(fēng)主導(dǎo)時(shí)，廠房迎風(fēng)向上部開口進(jìn)風(fēng)氣流出現(xiàn)短路現(xiàn)象，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境有不利影響，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉。