通風口對工業熱廠房自然通風的影響分析

張 大 衛

(廣東省建筑設計研究院,廣東 廣州 510010)

0 引言

自然通風不僅能有效實現室內環境的降溫，改善冶金廠房和機械制造廠房高溫車間的勞動條件。而且具有節約常規能源、減少環境污染，能使人精神愉快,工作效率提高等特點，在當今建筑界及工業領域引起了高度重視。早期，為了滿足各種高大型工業廠房的生產需求，保障工人身體健康及工作區環境的舒適性，蘇聯學者和工程師對工業廠房的自然通風作了大量的研究。其中，蘇聯學者H.E.懦可夫斯最先創立了通風的理論基礎，莫斯科的勞動保護科學研究所對工業建筑的自然通風問題做了多年的研究，得出了相關的計算方法及一些避風天窗的構造[1]。

隨著計算機的發展與普及，人們開始將計算機技術運用到對自然通風的研究中來，這對自然通風的研究起到了推動作用。1974年,丹麥的P.V.Nilsen首次利用計算流體力學CFD(Computational Fluid Dynamics)方法對室內空氣流動進行了數值模擬[2]。Fracastoro G V[3]采用CFD方法對單區和兩區建筑的熱壓驅動的單側通風進行了研究，得出了室內垂直溫度分布，通風量及室內溫度隨時間的變化關系。隋學敏[4]分析了不同建筑結構參數及熱源強度對房間自然通風的影響。萬鑫等[5]認為，過去模擬研究中的模型過于簡化，與實際存在一定的差距。

以上研究多以民用建筑為研究對象，而對內部有高溫熱源的高大工業廠房室內熱環境的研究則相對較少。為此，以高大工業熱廠房為研究對象，分析進排風口等自然通風口參數對廠房夏季自然通風效果的影響。

1 熱軋廠房室內熱環境實測值與模擬值對比驗證分析

1.1 現場實測

在實測過程中，根據工位選取典型的4個測位，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速值，每個測位得12組溫度值，12組風速值。具體熱源及測位分布見圖1。

1.1.1實測內容

1)該廠房所在地室外環境溫度值、風速值等相關氣象參數；

2)廠房內各朝向部分典型進風口處的空氣溫度和風速；

3)廠房內部工作區沿垂直方向空氣的溫度值和速度值。

1.1.2測試數據的整理與分析

根據國內外研究成果可知[6,7]：室內溫度是構成室內熱環境的基礎，嚴重影響室內人員的安全健康與工作效率。因此重點分析了實測數據中的溫度指標，測試結果如圖2所示。

1.2 CFD數值模擬物理模型的建立

1.2.1模型建立

本文以高大工業熱廠房為研究對象，通過現場實測，并結合模擬計算驗證CFD數值模擬在此類工業建筑自然通風設計應用中的準確性。在此基礎上分析自然通風口參數變化對室內熱環境的影響。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建模軟件對工業熱廠房進行幾何建模。考慮到模擬計算的高效性與經濟性，在模型建立中對該廠房進行了必要的簡化。

1)忽略了墻體和屋頂的厚度及相關細節結構；

2)將各熱源簡化為立方體形態；

3)忽略了廠房立柱、鋼架等附屬部件；

4)忽略排風氣樓中的各個支撐部件。

1.2.2網格劃分

本次數值模擬采用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格步長200 mm尺寸網格進行劃分，生成有限體積單元網格，單元網格為以六面體網格為主的非結構網格。在物理模型的網格劃分過程中，不斷細化最小初始步長、成長比率及最大終極步長，直至數值計算結果與網格數無關時為止。

1.2.3室外環境參數及邊界條件

針對該高大工業熱廠房物理模型，以該地區夏季最熱月工況下午13：00時室外及室內實測數據用做數值模型有效性驗證及模擬分析的邊界條件(見表1)。

表1 室外環境溫度與風速

1)進風口。

位于外墻進風口邊界類型均設為壓力入口pressure-inlet，相對壓力設為0 Pa；其中進風口空氣溫度為307.8 K。

2)氣樓排風口。

位于廠房屋頂處的氣樓排風口邊界類型設為自由出口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；精鋼冷床區段熱源為893 K；包裝區熱源溫度為413 K。

4)圍護結構壁面溫度(見表2)。

表2 廠房夏季最熱月各朝向圍護結構壁面溫度

1.3 模擬值與實測值的對比驗證分析

夏季最熱月數值模擬工況有效性驗證如下：

針對該廠房夏季最熱月工況，對比驗證分析該工業廠房P1,P2,P3及P4四個測試區位沿豎直方向上的12個測試點的空氣溫度模擬值與實測值的變化規律。其結果見圖3～圖6。

圖3～圖6表示了P1,P2,P3及P4四個測位沿豎直方向上的12個測試點的空氣溫度模擬值與實測值的對比變化。由圖可知，實測數據與模擬數據基本吻合，進一步分析知各測點的空氣溫度平均誤差值為2.36%；驗證了CFD數值模擬在夏季最熱月模擬工況下的準確性。

2 建筑結構形態對廠房內熱環境的影響的數值模擬分析

上文對比分析了廠房內工作區熱環境的實測值與模擬值，驗證了在自然通風條件下CFD數值模擬結果的可靠性。在此基礎上，研究廠房進排風口中心高度差這一參數的改變對廠房內工作區熱環境的影響。

2.1 工況說明

在進、排風口面積不變的前提下研究其風口中心高度差的變化對廠房內熱環境的影響。

進風口底部距地面高度H:1.2 m;

排風口高度H：9.5 m;

數值計算模型變量：進、排風口高度差分別為原始尺寸的50%，75%，125%，150%。

2.2 模擬結果及分析

由圖7～圖10可以看出，隨著廠房進出風口中心高度差的增大，廠房內工作區的溫度總體呈遞減趨勢。這是由于隨著進出風口中心高度差的增加，廠房內熱壓越大，進入到廠房內的通風量越大。所以其工作區的溫度隨之降低。

3 結語

首先驗證了計算流體力學CFD用于模擬高大工業熱廠房夏季自然通風所得結果的可靠性。其次，從數值模擬結果可知隨著廠房進排風口中心高度差的增大，廠房內工作區的溫度總體呈遞減趨勢，有利于改善廠房內工作區的熱環境。