通风口对工业热厂房自然通风的影响分析

张 大 卫

(广东省建筑设计研究院,广东 广州 510010)

0 引言

自然通风不仅能有效实现室内环境的降温，改善冶金厂房和机械制造厂房高温车间的劳动条件。而且具有节约常规能源、减少环境污染，能使人精神愉快,工作效率提高等特点，在当今建筑界及工业领域引起了高度重视。早期，为了满足各种高大型工业厂房的生产需求，保障工人身体健康及工作区环境的舒适性，苏联学者和工程师对工业厂房的自然通风作了大量的研究。其中，苏联学者H.E.懦可夫斯最先创立了通风的理论基础，莫斯科的劳动保护科学研究所对工业建筑的自然通风问题做了多年的研究，得出了相关的计算方法及一些避风天窗的构造[1]。

随着计算机的发展与普及，人们开始将计算机技术运用到对自然通风的研究中来，这对自然通风的研究起到了推动作用。1974年,丹麦的P.V.Nilsen首次利用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对室内空气流动进行了数值模拟[2]。Fracastoro G V[3]采用CFD方法对单区和两区建筑的热压驱动的单侧通风进行了研究，得出了室内垂直温度分布，通风量及室内温度随时间的变化关系。隋学敏[4]分析了不同建筑结构参数及热源强度对房间自然通风的影响。万鑫等[5]认为，过去模拟研究中的模型过于简化，与实际存在一定的差距。

以上研究多以民用建筑为研究对象，而对内部有高温热源的高大工业厂房室内热环境的研究则相对较少。为此，以高大工业热厂房为研究对象，分析进排风口等自然通风口参数对厂房夏季自然通风效果的影响。

1 热轧厂房室内热环境实测值与模拟值对比验证分析

1.1 现场实测

在实测过程中，根据工位选取典型的4个测位，从距地面0.5 m～6 m处沿竖直方向每隔0.5 m距离测量温度值与风速值，每个测位得12组温度值，12组风速值。具体热源及测位分布见图1。

1.1.1实测内容

1)该厂房所在地室外环境温度值、风速值等相关气象参数；

2)厂房内各朝向部分典型进风口处的空气温度和风速；

3)厂房内部工作区沿垂直方向空气的温度值和速度值。

1.1.2测试数据的整理与分析

根据国内外研究成果可知[6,7]：室内温度是构成室内热环境的基础，严重影响室内人员的安全健康与工作效率。因此重点分析了实测数据中的温度指标，测试结果如图2所示。

1.2 CFD数值模拟物理模型的建立

1.2.1模型建立

本文以高大工业热厂房为研究对象，通过现场实测，并结合模拟计算验证CFD数值模拟在此类工业建筑自然通风设计应用中的准确性。在此基础上分析自然通风口参数变化对室内热环境的影响。该厂房物理模型的基本尺寸为L×W×H=294 m×51 m×14.5 m。通过GIMBIT建模软件对工业热厂房进行几何建模。考虑到模拟计算的高效性与经济性，在模型建立中对该厂房进行了必要的简化。

1)忽略了墙体和屋顶的厚度及相关细节结构；

2)将各热源简化为立方体形态；

3)忽略了厂房立柱、钢架等附属部件；

4)忽略排风气楼中的各个支撑部件。

1.2.2网格划分

本次数值模拟采用GAMBIT三维建模。在热源面采用局部加密的方法，并在该表面以最小初始网格步长200 mm尺寸网格进行划分，生成有限体积单元网格，单元网格为以六面体网格为主的非结构网格。在物理模型的网格划分过程中，不断细化最小初始步长、成长比率及最大终极步长，直至数值计算结果与网格数无关时为止。

1.2.3室外环境参数及边界条件

针对该高大工业热厂房物理模型，以该地区夏季最热月工况下午13：00时室外及室内实测数据用做数值模型有效性验证及模拟分析的边界条件(见表1)。

表1 室外环境温度与风速

1)进风口。

位于外墙进风口边界类型均设为压力入口pressure-inlet，相对压力设为0 Pa；其中进风口空气温度为307.8 K。

2)气楼排风口。

位于厂房屋顶处的气楼排风口边界类型设为自由出口pressure-outlet。

3)热源表面温度。

加热炉外表面温度为409 K；粗轧钢段热源表面温度为1 373 K；中轧钢段热源表面温度为1 023 K；精钢冷床区段热源为893 K；包装区热源温度为413 K。

4)围护结构壁面温度(见表2)。

表2 厂房夏季最热月各朝向围护结构壁面温度

1.3 模拟值与实测值的对比验证分析

夏季最热月数值模拟工况有效性验证如下：

针对该厂房夏季最热月工况，对比验证分析该工业厂房P1,P2,P3及P4四个测试区位沿竖直方向上的12个测试点的空气温度模拟值与实测值的变化规律。其结果见图3～图6。

图3～图6表示了P1,P2,P3及P4四个测位沿竖直方向上的12个测试点的空气温度模拟值与实测值的对比变化。由图可知，实测数据与模拟数据基本吻合，进一步分析知各测点的空气温度平均误差值为2.36%；验证了CFD数值模拟在夏季最热月模拟工况下的准确性。

2 建筑结构形态对厂房内热环境的影响的数值模拟分析

上文对比分析了厂房内工作区热环境的实测值与模拟值，验证了在自然通风条件下CFD数值模拟结果的可靠性。在此基础上，研究厂房进排风口中心高度差这一参数的改变对厂房内工作区热环境的影响。

2.1 工况说明

在进、排风口面积不变的前提下研究其风口中心高度差的变化对厂房内热环境的影响。

进风口底部距地面高度H:1.2 m;

排风口高度H：9.5 m;

数值计算模型变量：进、排风口高度差分别为原始尺寸的50%，75%，125%，150%。

2.2 模拟结果及分析

由图7～图10可以看出，随着厂房进出风口中心高度差的增大，厂房内工作区的温度总体呈递减趋势。这是由于随着进出风口中心高度差的增加，厂房内热压越大，进入到厂房内的通风量越大。所以其工作区的温度随之降低。

3 结语

首先验证了计算流体力学CFD用于模拟高大工业热厂房夏季自然通风所得结果的可靠性。其次，从数值模拟结果可知随着厂房进排风口中心高度差的增大，厂房内工作区的温度总体呈递减趋势，有利于改善厂房内工作区的热环境。