工业热厂房热压通风与机械排风联合运行研究

邢骁孟晓静苟红松

1中铁隧道勘察设计研究院有限公司

2西安建筑科技大学材料与矿资学院

3中国中铁二院工程集团有限责任公司

工业热厂房中垂直温度梯度较大，通常采用热压通风排除室内余热。然而，当厂房不能保证足够的自然进，排风口面积或是室内热源强度过大时都会导致热压通风不能满足工作区卫生要求。在实际工程中通常人们在厂房屋顶或侧墙增设机械排风装置以期获得更大通风量，从而形成热压通风与机械排风相结合的复合通风方式[1]。但在自然通风基础上加入机械通风就可能对通风效果造成增益或抑制影响[2]。如何使机械通风和热压通风相互增益、共存，而不是相互抵消、排斥[3]，是关系到复合通风设计和运行管理的关键问题。本文搭建了具有集中热源和屋顶机械排风装置的复合通风实验模型，并在实验基础上利用CFD 数值模拟技术建立了复合通风数值预测模型，旨在研究工业热厂房中机械排风口数量及其分布形式和机械排风量对复合通风效果的影响规律。

1 实验模型

复合通风实验台[1]，如图1所示。

图1 实验模型

2 数值预测模型

2.1 数值计算

使用FLUENT 6.3数值模拟软件，建立了与实验模型尺寸相同的物理模型，如图2所示。

数值计算采用 Realizablek-ε模型，Tet/Hybrid 元素选项和TGrid选项网格，模型控制方程通用式则表示为[4]：

式中：φ为通用变量，代表u、v、w、T变量；Γ为广义扩散系数。

2.2 模型验证

针对该物理模型，基于前期实验数据，数值模型的有效性验证和网格无关性验证所涉及的边界条件设置如表1所示。

表1 边界条件设置一览表

为验证数值模拟方法的可靠性，将实验中垂直方向温度测试数据与数值模拟对比，如图3所示。将实验中自然进，排风口风速与数值模拟对比，如图4所示。

图3 实验与模拟垂直方向上温度分布

图4 实验与模拟自然进尧排风口处速度大小

表2 垂直方向测点温度实验与模拟结果的误差表

表3 自然进袁排风口速度大小实验与模拟结果的误差

通过对比实验与数值模拟垂直方向上的温度分布和自然进、排风口风速，将两者各测点的相对误差及平均误差汇总如表2、表3所示。

总体上看，数值模拟结果和实验结果基本吻合，在工程测量误差范围内呈现一致性规律，从而验证了复合通风数值预测模型的可靠性[5]。

3 工业热厂房复合通风模型

3.1 物理模型与边界条件

以复合通风数值预测模型为基础建立了工业热厂房复合通风模型，如图5～8所示。

图5 厂房侧视图

图6 厂房俯视图

图7 厂房立面图

图8 厂房斜视图

厂房尺寸：长×宽×高=10 m×8 m×10 m。厂房的体形系数为0.545，窗墙比为0.216。自然进、排风窗，大门，屋顶机械排风机，侧墙机械排风机编号如图5～8所示。

工业热厂房复合通风模型的控制方程、湍流模型及边界条件设置与复合通风数值预测模型相同，边界条件如表4所示。

表4 边界条件及尺寸大小一览表

3.2 数值模拟工况

工作区位于热源两侧P1和P2，工作区垂直方向分布18个温度测点，测点间距为0.5 m。工作区平均温度取垂直方向上0～2 m范围内温度测点的平均值，测点布置如图9所示。

图9 工作区测点布置

机械排风口设置四种开启模式，单个风机选取2000m3/h，4000m3/h，6000m3/h，8000m3/h，10000m3/h，15000m3/h和20000m3/h七档排风量，如表5所示。

表5 机械排风口的开启模式

3.3 通风量计算结果及分析

文献[1]通过实验方法发现了自然排风口短路现象。本文基于数值模拟技术提出了对气流短路现象进行定量表述的有效通风量和有效通风比两个参数，其中有效通风量表示复合通风系统中对建筑室内热环境起到改善作用未被短路的通风量，当机械通风为排风时有效通风量表示为式（2）。有效通风比表示复合通风系统中有效通风量与机械通风量的比值，当有效通风比小于100%时，表明自然通风口被机械通风短路，当机械通风为排风时，有效通风比表示为式（3）。

式中：Ge为有效通风量；Gjp为机械排风量；Gzp为自然排风口通风量；Gzj为自然进风口通风量；ηe为有效通风比。

3.3.1 模式一通风量计算结果及分析

本模式屋顶排风机开启十台，复合通风量随机械排风量的变化如表6。

表6 复合通风量随机械排风量的变化一览表

由表6可知，随机械排风量增加，自然排风口由排风逐渐转变为进风。当自然排风为进风时，表明自然排风口被短路，此时有效通风比小于100%。

由图10可知，随机械排风量增加，有效通风量增加，而自然排风量先减小后增大。当厂房为热压通风时，有效通风量等于自然排风量。当单个风机排风量为2000m3/h时，机械排风量与自然排风量大小基本相同。当单个风机排风量为4000～6000m3/h时，自然排风量徘徊在0 kg/s左右，表明机械排风量为13.05～19.57 kg/s时自然排风口处于被短路的过渡阶段。当单个风机排风量大于6000m3/h时，自然排风口短路现象加剧。

图10 通风量随机械排风量的变化规律（模式一）

3.3.2 模式二通风量计算结果及分析

本模式屋顶排风机开启编号为3和3′两台，复合通风量随机械排风量的变化如图11所示。

图11 通风量随机械排风量的变化规律（模式二）

由图11可知，随机械排风量的增加有效通风量增加，而自然排风量减小，该模式下的自然排风口在风机额定风量内未被短路。

3.3.3 模式三通风量计算结果及分析

本模式屋顶排风机开启编号为 1，1′，3，3′，5 和 5′六台，复合通风量随机械排风量的变化如图12所示。

图12 通风量随机械排风量的变化规律（模式三）

由图12 可知，当单个风机排风量为 6000～10000m3/h，即机械排风量为11.73～19.56 kg/s 时，自然排风口处于被短路的过渡阶段。当单个风机排风量大于10000m3/h时，自然排风口短路现象加剧。

3.3.4 模式四通风量计算结果及分析

本模式侧墙排风机开启六台，复合通风量随机械排风量的变化如图13所示。

图13 通风量随机械排风量的变化规律（模式四）

由图13 可知，当单个风机排风量为 8000～10000m3/h，即机械排风量为15.64～19.56 kg/s 时，自然排风口处于被短路的过渡阶段。当单个风机排风量大于10000m3/h时，自然排风口短路现象加剧。

3.3.5 对比模式三与模式四通风量

对比图12与图13，发现机械排风量相同情况下，自然排风口被短路的过渡阶段不同。进一步研究，将单个风机排风量为 10000 m 3 /h 时，模式三和模式四的各个自然排风口通风量整理如图14所示。

图14 单个风机排风量为10000 m 3 /h时的自然排风口通风量

由图14 可知，当单个风机排风量为 10000 m 3 /h时，屋顶排风机开启六台模式下12个自然排风口全都被短路，而侧墙排风机开启六台模式下自然排风口仅在距离侧墙风机较近的 1，1′ ，6 和 6′ 四个排风口被短路，距离侧墙风机较远的8个自然排风口均为排风状态。因此，当机械排风量相同时，侧墙排风机不易引起自然排风口整体短路，且通过关闭距离侧墙排风机较近的自然排风口可避免短路。

3.4 温度效率计算结果及分析

采用工作区温度效率[6]对工业热厂房复合通风效果进行评价。

式中：ET为温度效率；tp为排风温度；to为进风口温度；tn为工作区平均温度。

3.4.1 对比模式一与模式二温度效率

模式一与模式二通风效率随机械排风量的变化规律，如图15所示。

图15 模式一与模式二通风效率随机械排风量的变化规律

由图15可知，两种模式下温度效率随机械排风量的变化规律与文献[1]实验结论基本一致，即随机械排风量增大，温度效率整体上都是先增大后降低。模式一下，当单个风机排风量等于 2000m3/h 时（总机械排风量为 20000m3/h），温度效率为最大值，即此时临界排风量为6.52 kg/s，最佳增益温度效率为6.83。模式二下，当单个风机排风量等于10000m3/h时（总机械排风量为 20000m3/h），温度效率为最大值，即此时临界排风量亦为6.52 kg/s，最佳增益温度效率为6.29。

对比两种复合通风模式可知，屋顶排风口分散布置与集中布置的临界排风量相同。当机械排风量等于临界排风量时，屋顶排风口分散布置最佳增益温度效率更高。

3.4.2 对比模式三与模式四温度效率

模式三与模式四通风效率随机械排风量的变化规律，如图16所示。

由图16可知，随机械排风量增大，两种模式下的温度效率整体上都是先增大后降低。当单个风机排风量等于4000m3/h时，两种模式下的温度效率均为最大值，即此时临界排风量等于7.82 kg/s。模式三下，最佳增益温度效率为7.81，模式四为6.50。当机械排风对温度效率起增益效果时，模式三的温度效率始终大于模式四。当单个风机排风量大于6000m3/h时，模式四的温度效率大于模式三，这是因为屋顶排风模式相对侧墙排风模式更容易引起自然排风口短路。

图16 模式三与模式四通风效率随机械排风量的变化规律

以上研究亦可发现，最佳增益温度效率都出现在复合通风中自然排风量与机械排风量大小最接近的情况下。这表明工业热厂房中热压通风与机械排风联合运行下的复合通风设计，机械排风量宜等于复合通风中热压作用下的自然排风量。

4 结论

本文搭建了具有集中热源和屋顶机械排风装置的复合通风实验台，并在实验基础上利用CFD数值模拟技术建立了复合通风数值预测模型，研究了体形系数为 0.545，窗墙比为 0.216和室内热源强度为150 W/m3的工业热厂房中机械排风口数量及其分布形式和机械排风量对复合通风效果的影响规律。主要结论如下：

1）提出了对气流短路现象进行定量表述的有效通风量和有效通风比两个参数。随机械排风量的增加，有效通风量增加而有效通风比减小。当有效通风比小于100%时表明自然排风口被短路。

2）屋顶排风口分散布置与集中布置时临界排风量相同。当机械排风量等于临界排风量时，屋顶排风口分散布置最佳增益温度效率更高，即屋顶排风口分散布置的复合通风模式优于排风口集中布置。

3）屋顶机械排风比侧墙机械排风更容易引起自然排风口短路，而当机械排风对温度效率起增益效果时屋顶机械排风模式优于侧墙机械排风。

4）为避免自然排风口短路，机械排风口距离自然排风口不宜过近，且机械排风量宜等于复合通风中热压作用下的自然排风量。

[1]王怡,邢骁,孟晓静,等.工业厂房复合通风系统临界排风速度实验研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2016,48(5):745-750.

[2]LI Yuguo.Analytical of Natural Ventilation a Summary of Existing Analytical Solutions[R].IEA-ECBCS ANNEX 35 Technical Report.

[3]王松华,李安桂.两风口多元通风模型的温度场特性[J].建筑热能通风空调,2004,23(5):5-9.

[4]张旺达,李安桂.四种湍流模型用于室内气流流动预测的性能比较[C]//2005年全国暖通空调专业委员会空调模拟分析学组学术交流会论文集.北京:中国建筑学会,2005.

[5]Jones Setal.Ground respnese to dynamic compaction[J].Journal of Geotechnical Engineering,1984,110(6):757-772.

[6]马仁民.通风的有效性与室内空气品质[J].暖通空调,2000,30(5):20-23.