基于煙囪效應(yīng)的地下建筑通風(fēng)系統(tǒng)研究

郭 敏,廖義德*,談文鑫,陳 方,劉曉丹

(1.武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.中國石油大慶石化公司,黑龍江 大慶 163714)

0 引 言

大型地下建筑如隧道等由于處于地勢較低處,空氣往往容易沉積,特別機(jī)動車輛使用的隧道,受尾氣排放的影響,隧道里的空氣質(zhì)量比較惡劣,這對經(jīng)過隧道的人危害較大,容易引發(fā)交通事故[1].目前采用的通風(fēng)方法主要是使用了鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng),鼓風(fēng)機(jī)安裝在隧道頂部,采用強(qiáng)制排風(fēng)的方式來促進(jìn)空氣的流通,這種方式對于比較小的空間有一定的作用,對較長空間較大的地下建筑就沒用明顯的用途;并且鼓風(fēng)機(jī)在鼓風(fēng)的時候很容易出現(xiàn)自循環(huán)的情況,風(fēng)機(jī)出口的空氣很容易串到進(jìn)口,這樣只能在鼓風(fēng)機(jī)附近造成空氣流動,不能達(dá)到換氣的效果.大型地下空間采用建造煙囪(豎井)方式,使室內(nèi)和外界聯(lián)通,然后采用鼓風(fēng)機(jī)將空氣排出,新鮮空氣入口等得到補(bǔ)充,這種方式是較為合理的換氣方式.但此種方法消耗能量較大,鼓風(fēng)機(jī)在隧道的使用壽命內(nèi)都要運轉(zhuǎn),噪音污染嚴(yán)重,這樣消耗大量的能源.

1 煙囪效應(yīng)原理及換氣方案

1.1 煙囪效應(yīng)

煙囪效應(yīng)[2]是從底部到頂部具有通暢的流通空間的建筑物中,空氣(包括煙氣)靠密度差的作用,沿著通道很快進(jìn)行擴(kuò)散或排出建筑物的現(xiàn)象.即戶內(nèi)空氣沿著有垂直坡度的空間向上升或下降,造成空氣加強(qiáng)對流的現(xiàn)象.目前應(yīng)用比較成熟的例子是澳大利亞千米“太陽塔”工程,澳大利亞EnviroMission公司正在準(zhǔn)備建造一個規(guī)模龐大的太陽能風(fēng)力發(fā)電站,即“太陽塔”工程.

1.2 隧道通風(fēng)換氣方案

如圖1所示,太陽能熱水器置于建筑物頂部,當(dāng)熱水溫度達(dá)到所需溫度時,循環(huán)泵工作,熱水經(jīng)過保溫管傳送至隧道底部的煙囪(豎井)口,通過多層并列帶散熱片的小直徑散熱管進(jìn)行散熱,從而使煙囪底部空氣溫度升高.空氣受熱,密度會發(fā)生變化,其格拉小夫數(shù)增加,使空氣沿著豎井上升,此時底部空氣由地下空間內(nèi)的空氣得到填充,只要實現(xiàn)持續(xù)加熱,底部就會吸入大量空氣,而地下建筑內(nèi)的空氣可以通過入口或其他通風(fēng)口得到補(bǔ)充,從而起到排氣的效果[3].

圖1 排氣豎井(煙囪)及其管道布置

太陽能熱水器將太陽能直接轉(zhuǎn)換為熱能用來加熱水,這樣能量的利用率遠(yuǎn)超過太陽能轉(zhuǎn)換為電能后再轉(zhuǎn)換為熱能.目前太陽能熱水技術(shù)應(yīng)用比較成熟,并且也在集體供暖和工程供熱中得到實際應(yīng)用.此種方法是將熱能通過水這種介紹傳遞到地下建筑底部,采用循環(huán)的方式,可以減少能量的損失.

2 理論分析計算

取豎井(煙囪)高H,直徑為D,熱水的溫度為60 ℃,環(huán)境溫度20 ℃.

2.1 數(shù)學(xué)模型

取豎井內(nèi)部一體積為ΔV的微元進(jìn)行分析[3],假設(shè)豎井底部即進(jìn)口空氣密度為ρin,出口空氣密度為ρout,則微元的質(zhì)量為Δm=ρinΔV,垂直方向的位移為z,浮力為:

ΔF浮=ρoutΔVg

(1)

有:

(2)

整理得:

(3)

從式(1)、(2)、(3)中可以看出加速度與密度的關(guān)系.底部加熱為60 ℃,頂部溫度平均為20℃左右,密度對應(yīng)分別為:1.06 kg/m3和1.205 kg/m3.則

2.2 壓強(qiáng)計算

豎井結(jié)構(gòu)處在重力場內(nèi),設(shè)進(jìn)口壓力為pin,出口壓力為pout,則有

(4)

形成的真空度為

(5)

從式(4)、(5)中可以看出真空度與煙囪的高度及進(jìn)口密度有關(guān)系,提高進(jìn)口的溫度可以使進(jìn)口密度ρin下降,使Δρ增大.

2.3 速度分析

(6)

2.4 設(shè)備處理的有效體積或長度計算

考慮到運行過程中氣體在上升過程的能量損失、沿程壓力損失等因數(shù),在穩(wěn)定后進(jìn)口速度與出口速度存在一定的差距,此處取一系數(shù)η,則

vin=ηvout

(7)

此時的流量為

Q=Avin=πR2vin

(8)

由式(7)、(8)可知地下空間截面面積為S，當(dāng)設(shè)備工作時間為t時，隧道有效換氣長度L為

(9)

由式(9)可以根據(jù)實際需要布置相應(yīng)的排風(fēng)豎井的數(shù)量和相隔距離.

2.5 相關(guān)參數(shù)的確定

利用煙囪效應(yīng)原理通風(fēng)換氣方式所需功率P(kW)為

P=ρQC(tw-t∞)=ρAvC(tw-t∞)=

(10)

將式(10)代入相關(guān)參數(shù)可以得到不同煙囪高度下達(dá)到良好的換氣效果時的所需功率與煙囪內(nèi)經(jīng)之間的關(guān)系曲線如圖2所示.

圖2 不同高度的煙囪在不同內(nèi)徑下的功率

從圖2中可知,同一煙囪內(nèi)經(jīng),若要得到大的排量就需要增加煙囪的高度,并且增加功率.

3 仿 真

使用Fluent6.3軟件的2D模型進(jìn)行仿真,豎井高度H為40 m,內(nèi)徑D為1 m,加熱方式為在豎井底部兩米處井壁加熱到348 K,這樣設(shè)置比實際的散熱量要小,但是也可以有效地抵消由于忽略相關(guān)條件的影響,此計算速度應(yīng)比理論計算速度小[5-6].其速度如圖3所示,豎井入口速度如圖4所示,出口處速度分布如圖5所示.

圖3 速度矢量圖

圖4 豎井入口處速度矢量圖

圖5 出口處速度分布圖

從仿真結(jié)果中得知,初始狀態(tài)出口處的速度可以達(dá)到5.6 m/s,可以推知穩(wěn)定后進(jìn)出口的速度都接近該結(jié)果,比理論值略小,與預(yù)計的相同.

4 理論與仿真分析及能量分配

4.1 空氣在煙囪中速度對比

理論與仿真值對比及其偏差如表1所示,分別取煙囪不同過度處的速度進(jìn)行對比.

表1 理論與仿真值對比及其偏差

通過速度的理論值和速度值比較,最大誤差為7.07%.誤差產(chǎn)生的原因[7]有:①理論計算時,速度系數(shù)η與實際的環(huán)境和設(shè)備工藝有一定的關(guān)系,一般不會小于0.5.②仿真時的加熱方式與理論原理相同,但是實現(xiàn)方式有一定差異.

4.2 能量利用與分配

太陽能熱水器加熱1t水若需要集熱板的面積為13.68 m2,在非惡劣天氣條件下能將水加熱至60 ℃左右,在陽光充足的天氣水溫可達(dá)到80～100 ℃,能量利用率約為60%.1t 60 ℃的熱水可以為系統(tǒng)提供能量為

E=CmΔt=4.2×103×103×40

=1.68×105kJ

若為一個20 kW的系統(tǒng)供能,使用時間為

可以通過太陽能熱水站的方式來解決熱水供應(yīng)問題.這樣能量使用主要是利用太陽能,對于天氣條件不佳時,可以采用輔助能源,如電能加熱、鍋爐加熱等方式配合太陽能使用.保守估算此種方式通風(fēng)排氣太陽能比例約為60%.根據(jù)具體的工程,選用相應(yīng)的功率.

5 結(jié) 語

(1)利用煙囪效應(yīng)的通風(fēng)換氣方式與傳統(tǒng)的機(jī)械換氣方式將同體積的空氣排到外界所消耗的能量基本相同,這部分能量屬于設(shè)備的有用功,但是機(jī)械強(qiáng)制換氣方式能量損失較為嚴(yán)重,并且耗費的是全部電能.而煙囪效應(yīng)的通風(fēng)換氣方式60%能量可以由太陽能提供,這樣大大節(jié)約其他形式的能量.

(2)通過理論計算和和仿真結(jié)果對比,仿真結(jié)果基本上控制在允許的范圍內(nèi).可以根據(jù)室內(nèi)場所環(huán)境來確定煙囪的高度和內(nèi)經(jīng).

此種方式不僅可以用在隧道通風(fēng)換氣,也適用于地下停車場、大型廠房、大型體育館、禮堂等場合.筆者對其原理進(jìn)行初步探討,希望能對實際工程提供參考.

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