某機械加工車間三種類置換通風系統的通風性能

曹 進 繆建暉 麻建超 何 平

(1 上海海立集團股份有限公司 上海 201206；2 安徽海立精密鑄造有限公司 馬鞍山 238100；3 東南大學能源與環境學院 南京 210096)

機械加工車間通常充斥著由金屬加工液產生的油霧顆粒，長期暴露于此環境下可能導致過敏性肺炎、肺癌、哮喘或其它疾病[1-3]。同時在生產過程中，顆粒物會降低產品質量及機器的工作精度、影響作業視野、帶來爆炸隱患[4-5]。工業通風技術能有效降低工廠空氣污染物濃度，控制人員暴露水平。然而不同通風方式在實際工程應用中通風性能存在較大差異，不合理的通風甚至可能增加人員的暴露頻率[6-7]，因此需要對通風系統進行評估。

置換通風是清潔空氣以低速從地板高度送入室內，隨后被室內熱源加熱上升至房間的上部，同時輕質污染物跟隨上升氣流到達并聚集在房間上部，在室內形成穩定的溫度分層和污染物分層，最后房間空氣在天棚高度被排出的常見通風方式[8-9]。由于該通風方式直接將清潔空氣送入房間下部，僅在人員活動區域創造一個清潔區，具有節能潛力，因此被廣泛用于工業建筑中[9-11]。但在實際工程中，由于工藝、設備及建筑布局對通風系統的限制，送風口和回風口很難按照理想狀態安裝在地板附近和頂棚附近。一些類置換通風系統如升高置換通風的送風口的高度，降低回風口的高度和調整送風方向等被提出來以期實現置換通風的性能[12-15]。A.C.Caputo等[12]研究了把送風口高度調整至房間中間高度時廠房中的流場分布和通風系統經濟效益。發現該類置換通風系統保留了置換通風系統的一些特性，例如在熱源附近空氣對流更強，具有陡峭的垂直溫度梯度，避免對整個房間體積的溫度控制，從而節省能源，并改善操作人員所占區域的空氣質量。Ye Xiao 等[14]研究了向下碰撞射流送風系統的通風性能，發現該系統會形成溫度分層和污染物分層，在夏季時房間下部溫度及污染物濃度更高。雖然該類置換通風系統可以在調整風口位置的同時保證置換通風效果，但目前仍然缺乏對高大廠房中類置換通風系統性能的對比研究。

安徽某機械加工車間主要進行壓縮機缸蓋的精加工，具體涉及毛坯件的磨削、車、銑、鉆孔等工序。機械加工過程會產生大量的油霧顆粒，細顆粒物(空氣動力學粒徑小于2.5 μm)可能會進入工人肺部甚至血液，對工人的健康造成極大影響。與實驗研究相比，計算流體動力學方法(computational fluid dynamics,CFD)可以更詳細地提供室內流場及顆粒物分布信息并能容易地對各種工況進行模擬。本文采用CFD 方法研究該機械加工車間的三種常用類置換通風系統(中橫向送上回、下橫向送上回、下豎向送上回)對空氣中細顆粒物(PM2.5)的移除能力。

1 方法

1.1 物理模型建立

按照車間實際布置建立全尺寸物理模型，如圖1所示，車間尺寸為179 m×60 m×9.6 m(長×寬×高)，車間西側墻體有兩個3 m×4 m(寬×高)敞開的門，車間窗戶很少開啟，因此假設窗戶為墻體。車間原配備有一次回風空調系統，系統采用房間中部水平送風上部排風的通風方式(S1)，5臺最大額定風量為26 m3/s的風機不斷向車間送風，134個直徑為0.2 m的圓形送風口分別安裝在車間立柱中部距地板4.5 m高處，尺寸為0.6 m×0.6 m的回風口安裝在距地板7 m高處。物理模型以長方體替代車間機器，污染物不斷從機器(污染源)向外散發。為了優化現有通風系統，另外建立了兩種類置換通風系統(S2、S3)。S2與S1類似，仍然采用水平送風上部排風的通風方式，但送風口被調至距地板1 m高處，送風口尺寸變為0.5 m×0.5 m；S3在S2的基礎上送風方向由向上調整為向下。

圖1 車間物理模型Fig.1 Physical model of the workshop

1.2 邊界條件設置

為研究送風量對通風效果的影響，三種類置換通風系統均考慮了三種不同級別的風量(130、65、19 m3/s)，9種模擬案例設置情況如表1所示。

表1 模擬案例Tab.1 Simulation cases

為保證其他因素不對案例研究造成影響，邊界條件設置如下：三種類置換通風系統的送風溫度均為22 ℃，系統運行時送風和回風體積流量保持不變，門設置為壓力出口。根據夏季現場測量結果，車間頂棚溫度設置為39 ℃，地板、西墻、東墻及北墻溫度設置為33 ℃，車間南側與辦公樓相連，因此南墻設置為絕熱壁面，送風與回風管道壁面設置為絕熱，機械設備作為室內熱源，表面溫度設置為35 ℃。假設顆粒物密度為800 kg/m3[16]，并以0.13 kg/s的速率不斷從污染源排出。根據文獻[17-18]，粒徑小于5 μm的顆粒物可以采用歐拉法進行模擬，因此本文以氣相代替離散相。

1.3 數值方法與網格無關性驗證

本文使用Ansys Fluent[19]軟件求解控制方程，包括：連續性方程、動量方程、能量方程和組分輸運方程；采用Realizablek-ε湍流模型處理湍流動能及湍流耗散[20]，選用SIMPLE算法計算速度-壓力耦合和二階迎風離散格式控制方程；利用標準壁面函數描述近壁面湍流特性。當能量方程殘差小于10-7，連續性方程、組分輸運方程、k方程和ε方程殘差均為10-4認為計算收斂[21]。

在模擬前首先進行網格無關性驗證。以案例1為例，采用Ansys Icem[22]軟件在幾何內部生成適應性更強的非結構化網格。為了驗證模擬結果與網格數無關，3種全局網格尺寸分別設置為600、800、1 000 mm；對機器表面、污染源、進風口和排風口處的網格進行了局部加密，局部網格尺寸設置為100 mm。3種全局網格尺寸設置下對應網格總數依次為1 060萬(粗網格)、2 490萬(中網格)和4 810萬(細網格)。如圖2所示，對比分析3種網格數下車間中心線(x=30 m,z=-30 m)處氣流速度發現，網格數由1 060萬變至2 490萬時模擬值之間的變化率為20%，而當網格數由2 490萬變至4 810萬時模擬值之間的變化率僅為1%。因此本文選用中網格(2 490萬網格數量)進行數值計算，可以基本滿足要求。同理，其它案例也采用相同的網格生成策略。

圖2 網格無關性驗證Fig.2 Grid independence test

1.4 通風性能評價

為分析研究結果，引入排污效率Ec，Ec能夠反映空氣分布對污染物的移除能力[23-24]，如式(1)所示。

(1)

式中：Ce為出口污染物質量濃度，mg/m3；Cs為送風口污染物質量濃度，mg/m3；Coz為人員活動區域平均污染物質量濃度，mg/m3。

本研究中人員活動區域是指車間中部距壁面0.5 m，距地板2 m范圍內的空間。根據定義，若污染物和空氣完全混合，Ec=1，Ec越高，通風系統的污染物排除性能越好。

2 實驗驗證

測量車間前部、中部和后部三個位置(圖1中，線1：x=26 m、z=-51 m；線2：x=78 m、z=-25 m；線3：x=149 m、z=-11 m)處的垂直溫度，并與模擬結果作對比驗證模型的準確性。其中，測點布置高度為1、2、3、4、5 m，通風系統送風溫度為18 ℃，其它設置與案例1設置相同。模型驗證結果如圖3所示，模擬所得溫度分布與實驗測得的結果具有較好的一致性，模擬較為準確，模型可以用于評估通風系統性能。

圖3 模型驗證Fig.3 Model validation

3 模擬結果分析

3.1 不同通風系統下污染物分布及流場分布對比

三種類置換通風系統下距車間地板1.5 m高處PM2.5質量濃度分布如圖4所示。由圖4可知，三種系統的送風口及熱源(同時也是污染源)在車間分布較為均勻，整個車間并未出現明顯的不均勻現象。此外，送風口高度對污染物的分布存在顯著影響，因為相比于S1系統，S2和S3系統送風口至人員活動區距離更近，在車間底部可以形成更加清潔的區域。

圖4 距地板1.5 m高處(y=1.5 m)污染物分布Fig.4 Pollutants distribution at a hight of 1.5 m from the floor (y=1.5 m)

不同工況下的活動區域(1.5 m高處)和房間平均PM2.5污染物質量濃度如圖5所示。隨著通風量的降低，房間污染物質量濃度上升。各工況下，房間1.5 m高度的污染物質量濃度均小于房間平均污染物質量濃度，說明存在房間污染物的分層現象。在送風量為130 m3/s時，S2和S3系統的人員活動區域污染物質量濃度為S1系統的60.2%和50.8%。在送風量為65 m3/s時，降低排風口高度可以使人員活動區域污染物質量濃度大幅下降，S2和S3系統的人員活動區域污染物質量濃度為S1系統的47.2%和30.0%。在送風量為130 m3/s時，S2和S3系統的人員活動區域污染物質量濃度為S1系統的60.2%和50.8%。在送風量為19 m3/s時，降低排風口高度對減低人員活動區污染的能力有限，S2和S3系統的人員活動區域污染物質量濃度為S1系統的66.0%和72.7%。在風量為130 m3/s、65 m3/s時，S2和S3系統可以使人員活動區達到NIOSH(美國國家職業安全與健康研究)所推薦的車間油霧質量濃度限值0.5 mg/m3以下[25]，如圖5中紅線所示。綜上所述，通過降低排風口高度可以使車間人員活動區污染物降低26.3%～70%，有利于降低工人呼吸暴露水平。

圖5 車間污染物質量濃度分布Fig.5 Mass concentration distribution of pollutants in the workshop

氣流組織分布，送風量及送風方向是影響室內污染物分布及排出效率的3個重要因素。不同的送風高度及送風方向形成不同的氣流組織。圖6所示為三種類置換通風系統在風量為130 m3/s時(案例1、4、7)在中間截面x=63 m處的氣流組織分布。由圖6(a)可知，S1中兩個相對的風口提供的氣流在車間中部發生碰撞，由于兩股氣流的速度高(3.7 m/s)且大小相當，所以碰撞點在風口連線的中間，氣流發生碰撞后，速度發生衰減并向四周擴散，由于氣流受到負浮力的影響，大部分氣流涌向人員活動區。但風口距離人員活動區較遠，清潔空氣流經的路徑較長，存在被污染風險。由圖6(b)可知，S2系統中風口提供的氣流直接送入人員活動區，氣流發生碰撞后向四周流動，但由于地板及機器的阻擋，氣流主要向上流動。該通風方式能夠有效將清潔空氣送至人員活動區，但同樣存在風速過高的缺點。由圖6(c)可知，S3系統中風口提供的氣流首先與地板發生碰撞，速度發生衰減，隨后氣流貼附著地板流動，最后與來自不同風口的氣流在地板附近發生交匯。該通風方式綜合了S1和S2系統的優點，既能有效將清潔空氣送至人員活動區，又能避免人員活動區風速過大。

圖6 車間中間截面x=63 m處氣流組織分布Fig.6 Airflow distribution at the middle section of the workshop at x=63 m

風速在影響污染物擴散的同時對人員舒適性也會造成影響，因此對三種通風系統在人員活動區的風速分布進行分析。圖7所示為三種類置換通風系統在風量為130 m3/s時距地面1.5 m高截面處的風速分布。由圖7(a)可知，雖然S1系統的送風速度達到6 m/s(超過圖標顯示的范圍1.5 m/s)，但由于送風口位置較高，送風射流不斷卷吸車間空氣使送風射流在到達人員活動區時風速小于0.5 m/s，不易引起人員的不舒適[26]。S2系統流場分布如圖7(b)所示，冷空氣直接以3.4 m/s的高速送入人員活動區，在車間底部形成高風速的低溫區域，可能引起人員的不適。S2系統與標準置換通風系統類似，對室內余熱的處理能力是有限的，特別是對于冷負荷較高的工廠車間環境。S3系統運行時車間底部1.5 m處風速如圖7(c)所示。S3系統利用碰撞射流的形式向車間底部送風，高速的向下射流首先與地板碰撞，然后向四周擴散，在車間底部形成清潔的“空氣湖”，該送風方式向車間提供的風量大，且不易形成吹風感，對于高熱高污染的工廠環境較為適用。

圖7 距地板1.5 m高處(y=1.5 m)空氣速度分布Fig.7 Air velocity distribution at a height of 1.5 m from the floor (y=1.5 m)

3.2 送風量對污染物分布的影響

相比于S1系統，S2和S3系統均具備更好的污染物控制能力。相比于S3系統，S2系統在人員舒適性方面略差。因此在整體性能方面，認為S3系統最佳，既能有效控制污染物，又不易造成人員吹風感。通風系統可能在不同送風狀況下運行，因此分析S3系統在不同風量下的污染物分布。圖8所示為S3系統在不同風量下污染物在截面(x=40/115/170 m，z=-30 m)上的分布。由圖8可知，污染物在車間內會形成分層，車間底部污染源散發的油霧顆粒被熱源形成的向上氣流帶到頂棚附近，進而被排風系統排出室外。同時，隨著S3系統送風量的降低，車間的污染物質量濃度逐漸升高，因為風量降低會使更多污染物滯留在車間。當送風量從130 m3/s降至65 m3/s時，車間底部人員活動區污染物質量濃度并未發生顯著變化，即案例7和案例8人員活動區污染物質量濃度相近，這可能是由于案例7送風量過大，將部分向上污染物帶回至人員活動區造成的。

圖8 S3在不同風量下污染物在截面(x=40/115/170 m,z=-30 m)上的分布Fig.8 Pollutant distribution on the cross-sections (x=40/115/170 m,z=-30 m) under different air volumes of S3

3.3 排污效率

風口布局、熱源分布及送風量對通風系統的排污效率有顯著影響。三種類置換通風系統的排污效率如圖9所示。三種類置換通風系統的排污效率均大于1，表明車間上部排風口處的污染物質量濃度高于車間下部，形成了濃度分層。S1系統排污效率顯著低于S2和S3系統，對于S1系統，隨送風量Q的降低，排污效率逐漸上升，這可能是由于通風量越大，送風冷射流與車間底部熱源形成的羽流作用越強，更多的污染物被帶至人員活動區。對于S2和S3系統，隨送風量Q的降低，排污效率先上升后下降，當通風量過大，射流與周圍向上污染物作用越強，卷吸至人員活動區污染物越多；而當風量過小，送風射流并不能有效清除人員活動區污染物，圖5(a)也清楚地說明了這一點；當送風量由65 m3/s升至130 m3/s時，車間底部人員活動區污染物質量濃度并未降低，而車間上部排風口處污染物質量濃度降低，使排污效率降低。

圖9 三種類置換通風系統在三個風量下的排污效率Fig.9 Ventilation efficiency of three displacement-like ventilation systems under three flow rates

4 結論

本文采用數值模擬方法對某機械加工車間三種類置換通風系統通風性能進行研究。研究了送風風量對三種類置換通風系統下車間流場和污染物分布的影響，現場實驗驗證了模擬的準確性。得到如下結論：

1)三種類置換通風系統的排污效率均大于1，通風系統在車間均形成了濃度分層。油霧顆粒被熱源形成的向上的熱羽流運送至車間上部然后通過排風口排出。

2)相比于S1系統，S2和S3系統具有更佳的污染物控制能力，通過降低排風口高度可以使車間人員活動區污染物降低26.3%～70%。但S2系統容易造成人員不適，綜合評比S3系統具有較好的污染物控制能力且不易造成吹風感，適用于高溫高污染廠房的通風。

3)S3系統的排污效率受送風量的影響，過高或過低的送風量都會造成S3系統的排污效率降低。在通風系統設計時應選擇合理的送風風量。

本文受江蘇省自然科學基金(BK20150197)資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (No.BK20150197).)