建陶廠房窯爐車間大長寬比高溫廊道熱環境測試分析

蒲 靜 蔣福建 牛東興 袁艷平

（1.西南交通大學機械工程學院 成都 610031 2.中鐵科學研究院有限公司 成都 610032）

0 引言

隨著我國工業化的快速發展，工業建筑的規模、數量以及建設速度在世界上已屬前列，其能耗已占到工業生產總能耗的10%以上[1]。與普通民用建筑相比，工業建筑的生產廠房具有設備多、體量大及內部有較大通敞空間等特點，其生產過程往往會散發大量熱量[2]，需消耗較多通風空調能耗來控制其熱環境，這一問題在二類工業建筑中尤為明顯[3]。因生產工藝的需求，在二類工業建筑中，連續排列的多個高溫設備將組成長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械加工、冶金和陶瓷等行業。在熱廊道中，兩側高溫熱源的熱輻射和熱對流共同作用將可能造成局部區域過熱，而高溫的工作環境會對工人健康和生產效率產生負面影響[4-6]。因此，廊道熱環境的形成和控制亟待關注。

對工業建筑熱環境的研究方法通常為現場實測和數值模擬。其中現場實測的主要目的是揭示人員活動區在各類工業熱源作用下熱環境的實際情況，以為工作環境的保障與改善研究提供背景支撐。劉顯晨等人[7]對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行了測試，以明確現有熱環境狀況，并分析影響自然通風效果的主要因素；孟曉靜等人[8,9]對西安某熱軋廠房的室內輻射熱強度和定向平均輻射溫度等參數進行了測試，以揭示強熱源工業廠房內部的對流輻射特性；Tian 等人[10]對車間的室內溫度和風速進行了測試，以明確通風優化的數值模擬研究；為了獲得符合實際的水電站機電設備散熱量以正確指導電站內的通風空調系統設計，羅琦[11,12]對三個電站的設備散熱量進行了現場測試；Wang 等人[13]則測試了強熱源自然通風工業廠房夏季和冬季的空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度和WBGT 等數據，以探究高溫環境評價指標WBGT 的影響因素。現有研究揭示了不同類型工業廠房的熱環境特性，但缺乏對大長寬比帶狀熱源形成的熱廊道關注，其熱環境特性尚不明確，難以指導廊道環控系統的設計運行。

據此，為掌握高溫廊道現有熱環境特性，為其廠房與環控系統的設計提供優化措施，本文以建陶廠房的窯爐車間為對象，對其廊道熱環境參數進行了現場測試。獲取了在自然通風條件下，廊道熱源表面溫度和垂直方向上的空氣溫度分布數據，總結了現有熱環境特征，研究結果可為其通風方案的有效設計提供參考。

1 現場測試

1.1 測試對象

四川省夾江縣是西部最大的陶瓷生產中心，其主要生產陶瓷類型為建筑陶瓷。因生產過程干燥和燒成工序的要求，窯爐設備連續排列，從而在兩排設備間形成大長寬比的熱廊道。故本文將現場測試對象定為夾江縣某建陶廠窯爐車間，廠房長和寬分別為230m 和45m。其中窯爐車間長145m，寬15.2m，廊道寬5.2m，廠區平面圖、立面圖及測點布置如圖1 和圖2所示，其中圖1 虛線框部分即為窯爐車間，其東、西側分別與制粉車間和制釉車間相鄰，南側為打包車間。測試窯爐車間除東側有隔墻外，其他均為開敞區域，且東側制粉車間設備幾乎對進風沒有阻礙作用。

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

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

廠房現有降溫方式為熱壓主導條件下的自然通風，北墻和南墻分別布置有高度為1.8m 的一排進風側窗，屋頂設有高度為1.5m 的兩排天窗排風。整個生產工藝為瓷磚坯體從原料區依次送入窯爐進行干燥和燒成，然后經過上釉、磨邊等工序，最后送往成品區。窯爐是陶瓷生產重要的部件，其內部工作溫度可達到1000℃以上，窯爐兩側每隔2h有工人進行日常巡查檢修工作，單次停留時間可長達30min，如圖3所示廊道即為工人工作崗位，其中兩側窯爐尺寸為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 廠房窯爐區廊道實景圖Fig.3 Real view of the corridor of the kiln plant area

1.2 測試內容

測試時間為2020年7月20日～23日，測試期間廠區生產正常運行。測試內容包括廊道兩側熱源表面溫度和各測點1.5m、3m、4.5m、5.5m 高度處的空氣溫度。室內空氣溫度測點布置如圖1 和圖2所示，兩窯爐中間廊道測點布置按窯爐預熱—燒成—冷卻生產過程，從北至南依次布置測點為①-④，測點距離兩側熱源均為2.6m；西側窯爐靠制釉車間測點為⑤，東側窯爐靠外墻測點為⑥，測點均布置在距離熱源1m 處。為防止熱源高溫熱輻射對測試結果的影響，在自記儀探頭外包鋁箔紙。測試車間窯爐總共70 段，每段2m，窯爐表面溫度測點按每5 段布置一個，分別對煙氣管道、窯頂、上窯墻和下窯墻進行測量，測點示意圖如圖4所示。

圖4 表面溫度測點布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of surface temperature measuring point

1.3 測試儀器

測試所用儀器匯總如表1所示，其中空氣溫度和熱流密度的測量間隔均為15min，表面溫度的測量間隔為3h，測量時間總計3 天。

表1 測試所用儀器Table 1 Measurement instrumentation specifications

2 實測結果

2.1 熱源表面溫度

對于有高溫熱源的工業廠房來說，各種熱源以輻射和對流的方式向廠區大量散熱，廠房內空氣溫度較高[15,16]。因此，確定廊道熱源強度，從源頭改善廊道熱環境，具有重要意義。本次測量采用紅外測溫儀和紅外熱成像儀分別對東西側窯爐表面溫度進行了測試，窯爐頂部溫度較為均勻，故不考慮分段測量。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。這是由于東側窯爐是燒制瓷磚胚體作用，西側窯爐是干燥瓷磚胚體作用，而燒成工序溫度要求遠高于干燥過程。故東側窯爐表面溫度高于西側窯爐，東側窯爐窯墻最高溫度122.6℃，西側窯爐窯墻最高溫度74.9℃。窯爐外表面溫度隨內部溫度的變化而變化，其中在燒成狀態下溫度水平最高，窯爐內部溫度高達1000℃以上，而預熱和冷卻階段工作溫度相對較低。選取東側窯爐燒成段（第43 段窯墻和53 段煙管）為例，其實景照片和紅外熱成像照片如圖5所示。從（a），（b）圖可以發現，窯墻表面溫度均超過80℃，距離燒成磚越近窯墻溫度越高，從（c），（d）圖可以發現車間內部煙氣管道表面溫度低于上窯墻溫度。根據GBZ1-2010《工業企業設計衛生標準》[17]中規定，工作人員經常停留或靠近的高溫地面或壁板，其表面溫度不應大于40℃，瞬間最高溫度也不宜大于60℃，而工人經常靠近的窯墻高溫段表面溫度均超過60℃規定限值。

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

2.2 室內空氣溫度

測試期間天氣為陰轉小雨，故選取沒有降雨的21 號測試數據進行分析，室外逐時平均溫度變化如圖6所示，室外平均氣溫25℃，日最高氣溫29℃，室外無持續風向，風力等級為1～2 級。圖7 給出了窯爐區廊道各測點垂直方向24h 的逐時空氣溫度變化情況。

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

圖7 各測點垂直方向上的逐時平均溫度（圖(a)～(f)依次對應測點①～⑥）Fig.7 Hourly mean air temperature in the vertical direction of each measuring point

空氣測點①～④依次對應窯爐段為24、38、52、66，⑤和⑥測點對應窯爐段為45 段，其中24 段前為預熱段，窯爐內部溫度較低，24～38 段內部開始升溫向燒成段過渡，之后進入高溫燒成段，66 段以后溫度開始逐步下降向冷卻段過渡。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測點溫度先升高，后稍有降低，③測點空氣溫度最高，廊道平均空氣溫度37.5℃。即熱源表面溫度越高，空間范圍內空氣溫度越高。而熱源東側⑥測點由于距側墻進風口較近，在風口作用范圍內，垂直方向4.5 和5.5m 處溫度較低。而距離風口越遠溫度越高，1.5m 和3m 測點由于距熱源較近，空氣溫度最高達48℃；除⑥測點外，其他區域測點空氣沿垂直方向的溫度梯度較小，說明熱空氣沒有形成明顯的溫度分層；這主要是由于東側側墻風口進入的冷空氣在掠過熱源表面時溫度逐漸升高，到中間廊道區域時冷空氣溫度與區域熱空氣溫差逐漸減少至零。此外，各測點24h 逐時空氣溫度隨室外氣溫波動較小，故廊道熱環境主要是由于室內強熱源影響。

考慮到工人工作崗位，將距離地面1.5m 高定義為工作區，表4 給出了廊道不同熱源段測點工作區溫度。從上表發現廊道熱源高溫段工作區溫度超過40℃，工作區平均氣溫為38.5℃。文獻[14]指出工作地點的氣溫超過38℃即為高溫作業，故在現有熱壓主導自然通風作用下，廊道工作區屬于高溫作業場所。

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

3 實測結果分析

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內熱源強度，故分別對上述測試的熱源散熱量進行計算。對于室內設備和管道，可只考慮輻射換熱和自然對流換熱，綜合為復合換熱過程，其表面散熱量簡化計算式[18]：

式中：Q為管道或設備表面散熱量，W；為散熱熱流密度，W/m2；A為設備及管道的外部表面積，m2；sα為綜合換熱系數，W/(m2·K)，按式（2）和式（3）計算；Tw為設備及管道的外表面溫度，℃；Ta為環境溫度，℃。Tw和Ta的取值均按實測的表面溫度和環境溫度數據取值。

對于圓筒壁[19]：

對于平壁[19]：

管道表面散熱損失按求算術平均值的方法處理，按式（4）計算；設備表面散熱損失按求表面積加權平均值的方法處理，按式（5）計算[19]。

式中：n為測點數，個；x1，x2，…，xn-1，xn為管道或設備各段的表面散熱熱流密度，W/m2；A1，A2，…，An-1，An為各區域面積，m2。散熱量計算結果如圖8所示。

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

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

表5 車間熱源參數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其他熱源的3 倍，熱源最小單位面積損失為193W/m2。根據相關保溫規范[19-21]的說明：常年運行工況設備、管道及附件保溫后外表面溫度為100℃時，允許的最大散熱損失均不得超過84W/m2。可以發現，窯爐車間熱力設備和管道保溫工程的單位面積熱損遠高于規定值。

3.2 窯爐廊道熱環境分析

強熱源工業建筑內部往往散發大量輻射，僅用空氣溫度很難準確評價人體舒適。文獻[22-24]指出，對于過熱環境或輻射換熱環境普遍以操作溫度作為熱環境評價指標，因此本文以操作溫度作為廊道熱環境對人體熱感覺影響的評價指標，根據ASHRAE 手冊[25]中操作溫度的簡化計算公式：

式中：t0為操作溫度，℃；ta為空氣平均溫度，℃；A為相對風速vr的函數，本文取0.5[25]；tr為平均輻射溫度，℃。平均輻射溫度是指一個假定的黑色等溫面的表面溫度，人在其中產生的熱損失與在真實的內表面溫度不均勻的環境的熱損失相等，可由面積加權法按式（7）計算[26-28]。

式中：ti為表面i的溫度，℃；B為表面面積，m2。

根據以上公式對測試6 個測點的操作溫度進行計算，計算結果如圖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[29]中使用的操作溫度35℃限值作為工業建筑操作溫度評定標準，從圖9 可以看出，廊道除了①測點外，其他測點操作溫度均超過35℃，最高操作溫度46.6℃，廊道平均操作溫度41.2℃，現有熱環境較為惡劣。對于高溫熱源工業建筑，廠房內熱源以對流和輻射的形式向室內散發熱量，因此合理的通風方式降低廠區熱對流作用和有效的隔熱措施減少熱源熱輻射作用對于熱環境的改善具有重要意義。

假設空氣溫度變化對熱源表面溫度的影響可以忽略不計，即保持平均輻射溫度不變，通過式（6）和式（7）計算廊道各位置達到操作溫度35℃的空氣溫度限值，計算結果如圖10所示。從圖10 可以看出，①測點由于熱輻射作用較弱，故通過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測點由于兩側熱源溫度水平較高，導致平均輻射溫度較大，故達到規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℃。顯然在實際情況中通過通風的方式使廠房溫度達到18℃是不現實的，必定消耗大量通風與制冷能耗。因此，對于內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工作區的輻射熱量，效果比較顯著[30]。以規范[17]規定的工作人員經常停留或靠近的高溫地面或壁板，其表面溫度不應大于40℃為依據，若采取有效的防輻射措施使廊道熱源表面溫度達到規定要求，通過式（6）和式（7）計算，則達到操作溫度限值的空氣溫度為30℃。這一結果與上述計算的空氣溫度控制值18℃相比，在實際環控系統設計中更為合理。因此，強熱源廠房降低其內部熱源輻射作用是熱環境改善的重點方向。

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 結論

為探究大長寬比高溫廊道熱環境特性，以夾江縣某建陶廠房的窯爐車間為例，對表面溫度和室內溫度進行了測試，并對實測結果進行分析，得到以下結論：

（1）在現有熱壓主導的自然通風降溫方式下，窯爐車間廊道工作區平均氣溫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，主要受強熱源影響。現有側墻自然通風方式與熱源形式不匹配，室外新風由于熱源的遮擋無法直接作用于廊道工作區。東側熱源表面溫度范圍為43.7～122.6℃，西側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規定的60℃熱表面溫度限值。熱源散熱量計算結果表明窯爐車間余熱強度約為93W/m3。

（2）選取操作溫度作為廊道熱環境評價指標，發現廊道平均操作溫度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范規定的40℃，則達到操作溫度限值的空氣溫度為30℃。這一結果與空氣溫度控制值18℃相比，在實際環控系統設計中更為合理，能顯著降低通風或制冷能耗。因此，對于強熱源廠房減少其內部熱源輻射作用是熱環境改善的重點方向。