溫和地區某卷煙廠建筑通風分析與優化

李新中

中國建筑設計咨詢有限公司

0 引言

在影響建筑熱環境的眾多因素當中，通風對室內環境的影響是直接和瞬時的，其與室內空氣混合后，會立刻影響室內空氣的狀態[1]。當室外的空氣溫濕度未處于室內溫濕度舒適范圍時，自然通風和滲透會成為建筑的冷熱負荷，如果形成的冷熱負荷與室內原有的負荷是同向的關系，則會增加空調系統的能耗；反之，則可以利用自然通風降低系統能耗。因此自然通風的合理利用不僅是降低建筑能耗的有效措施之一，而且有利于降低室內污染物及CO2濃度。

本文以某卷煙廠易地技術改造項目為例，研究了影響聯合工房制絲車間自然通風的因素，提出合理改善建議，盡可能利用自然通風滿足非空調區域的室內溫濕度參數要求，并對改進后制絲車間的自然通風狀況下的熱環境評價。

1 研究方法及計算模型

采用計算流體動力學（CFD）分析方法，計算軟件采用FLUENT6.3。

聯合工房平面分區如圖1所示，其中A區為制絲車間，尺寸為367.5 m×120.0 m×18 m，車間跨度較大，內部構造相對簡單；車間的長度約為寬度的3倍，大部分區域的剖面形狀一致。

圖1 聯合工房平面分區示意圖

基于車間的尺寸特點，可認為氣流在長度方向上的流動規律基本一致，計算中將低雷諾數湍流模型的全三維模型簡化為二維模型[2]。在二維簡化過程中，將設置了通風采光窗的屋面整體視為出口邊界條件，出口邊界條件由數值風洞方法確定；將金屬隔柵視為局部無厚度的阻力部件，網架則采用多孔介質模型來處理。

3 車間通風量影響因素研究

3.1 熱源強度對制絲車間通風量影響研究

模擬分析了夏季工況，室外空氣溫度23℃，室內熱源熱流密度分別為 10 W/m2、20 W/m2、50 W/m2和100 W/m2四種工況。

對不同熱源強度下的通風量進行統計，可以看出，通風量與熱源強度大小基本無關，這是因為通風量除了與熱源強度有關外，還與建筑高度有關。由于本建筑高度較大，建筑高度對通風量影響更大；而熱源強度本身變化不大，其對通風量影響有限。

圖2 通風量與熱源強度關系

3.2 側窗位置對制絲車間通風量影響研究

側窗位置對制絲車間的通風量有著顯著影響[3-4]。制絲車間側窗的原中心位置位于左側墻體3.0 m高度，分別計算了下移0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m等六種工況，以分析側窗的不同高度位置對通風量影響（圖3）。

圖3 通風量隨側窗高度變化

從圖3可以看出，隨著側窗的下移通風量越來越大，但增大的趨勢隨著側窗位置下移漸緩。這是由于側窗的下移導致進、出風口的實際高差增大，進而增大了浮升力作用，從而導致通風量的增大。因此可以適當考慮側窗位置下移以增大通風量。

3.3 側窗、屋面阻力對通風量影響研究

模型中側窗和屋面分別作為進、出風口進行設定，通過改變側窗和屋面局部阻力系數來研究其對通風量的影響。

3.3.1 屋面局部阻力系數對通風量影響的敏感性分析

分別計算了側窗局部阻力系數ζ＝5.0、20、60和100等四種工況下，變化屋面局部阻力系數時通風量的變化（圖4）。

圖4 屋面局部阻力系數與通風量關系

從圖4中可以看出，當屋面的局部阻力系數大于1500以后，側窗局部阻力系數的改變對車間的通風量影響不大，說明屋面的局部阻力系數大到一定程度以后，側窗做法對通風量的影響趨于穩定，通風量對屋面阻力系數的變化更為敏感。

3.3.2 側窗局部阻力系數對通風量影響的敏感性分析

分別計算了屋面局部阻力系數ζ＝2.0、500、1000和1545.75等四種工況下，變化側窗局部阻力系數時通風量的變化（圖5）。

圖5 側窗局部阻力系數與通風量關系

從圖5中可以看出，當側窗的局部阻力系數大于20以后，屋面局部阻力系數的改變對車間的通風量影響不大，說明側窗的局部阻力系數大到一定程度以后，屋面做法對通風量的影響趨于穩定，通風量對側窗阻力系數的變化更為敏感。

3.4 氣流組織形式對通風量影響研究

分別模擬計算了四種工況，第一種是設計工況（西側通風口有窗戶、通風百葉及側墻頂部的通風窗），第二種是左側屋面半開，第三種是右側屋面半開，第四種是屋面全開。模型中屋面的局部阻力系數為1545.75，側窗的局部阻力系數為20，熱源強度為250 W/m2。

圖6 通風量變化

從氣流速度及溫度場分布情況來看，屋面全開時氣流組織狀況最好，工作區的流速均勻且速度適中，溫度分布較為均勻，沒有形成局部過熱情況。

圖6為各工況下通風量的變化情況，屋面全開時由于通風面積大，通風量也最大。綜合來看，屋面全開工況最好，其缺點主要為施工量較大。

4 制絲車間熱環境評價

本項目優化方案為車間屋面全開，側墻頂部設通風窗，車間的通風量為1125509 m3/h，換氣次數為3.3次/h。

對工作區取了五個典型位置，位置高度為1.5 m，水平方向取 15.0 m、30.0 m、45.0 m、60.0 m、75.0 m，統計各個位置的速度、溫度和相對濕度，并對熱環境PMV-PPD進行評價[5-6]。

設熱源為250 W/m2、濕源為100 g/(m3h)，取放松站立工作狀態下的勞動強度（人體活動量取1.2 met）和著工作服時的衣服熱阻（熱阻取1.0 clo）進行計算，結果如表1所示，從表1中計算可以看出，大部分區域的熱環境處于中性狀態。

表1 PMV-PPD計算結果

5 結論

1）通風量與車間內部熱源強度大小關系不大，通風量主要受到廠房高度影響；

2）側窗位置對車間通風量影響較大，隨著側窗的不斷下移，通風量逐漸增大；

3）屋面及側窗通風量均隨著局部阻力系數增大逐漸減小，敏感性分析結果表明，側窗的局部阻力系數變化對通風量改變更為敏感；

4）對氣流組織形式與通風量關系進行研究，研究了四種工況，從氣流速度分布及溫度場分布情況來看，屋面全開時氣流組織狀況最好；

5）根據制絲車間的優化通風方案，對車間現狀內部熱環境進行評價大部分區域熱環境處于中性狀態。