某高大廠房空調(diào)與通風(fēng)氣流組織方式的比較研究

謝濤 于航 趙美

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

某高大廠房空調(diào)與通風(fēng)氣流組織方式的比較研究

謝濤 于航 趙美

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

本文對某高大廠房不同空調(diào)通風(fēng)組合形式的氣流組織進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析不同的空調(diào)通風(fēng)組合形式對污染物控制和人員舒適性的影響，找到最佳通風(fēng)組合形式并對廠房通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。結(jié)合改造前后的模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)，證明采用以局部通風(fēng)為主、全面通風(fēng)為輔的通風(fēng)方式能得到更好的通風(fēng)效果。

高大廠房空調(diào)通風(fēng)氣流組織數(shù)值模擬污染物控制

1 背景

機(jī)械加工廠房的機(jī)械生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的余熱、余濕和污染物。廠房內(nèi)彌漫著煙霧狀的氣體，長期在此環(huán)境下工作，不僅對工人造成健康損害，還會(huì)導(dǎo)致精神不易集中，工作效率較低。為了保證車間內(nèi)人員的健康，保證工人的工作效率，機(jī)械加工廠房需要嚴(yán)格地控制污染物和室內(nèi)環(huán)境（聲、光、熱等）[1]。《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50019-2003）第5.3.10條[2]規(guī)定：同時(shí)放散熱、蒸汽和有害氣體或僅放散密度比空氣小的有害氣體的工業(yè)建筑，除設(shè)局部排風(fēng)外，宜從上部區(qū)域進(jìn)行自然或機(jī)械的全面排風(fēng)，其排風(fēng)量不應(yīng)小于每小時(shí)1次換氣；當(dāng)房間高度大于6m時(shí)，排風(fēng)量可按6m3/(h·m2)計(jì)算。另外，對于夏熱冬冷地區(qū)，冬季和夏季還要設(shè)置空調(diào)保證廠房內(nèi)的溫度環(huán)境。

本文的研究對象是上海某機(jī)械加工廠房，廠房平面布置如圖1所示。廠房總占地面積約29137.5m2，其中生產(chǎn)車間面積約26000m2（216m×120m），高度約為9m，按照上述規(guī)定，排風(fēng)量不應(yīng)小于155520m3/h。由于廠房通風(fēng)換氣量大，造成冷熱量損失和能耗增加，因此，對廠房內(nèi)氣流組織的優(yōu)化具有重要意義。

圖1 廠房平面布置圖

車間內(nèi)有車床、磨床、刮床、淬火機(jī)、回火爐等各類機(jī)械加工設(shè)備數(shù)百臺，按照工藝流程布置劃分為外星輪（F.O.R）、內(nèi)星輪（F.I.R）、實(shí)軸（I.C.S）和裝配區(qū)（ASSY）等幾個(gè)主要生產(chǎn)區(qū)域。生產(chǎn)過程中潤滑油霧化后散發(fā)到車間內(nèi)，造成廠房內(nèi)油霧迷漫，能見度較差，伴有刺激性氣味，污染車間內(nèi)的空氣與生產(chǎn)設(shè)備，影響操作人員的健康。冬、夏季空調(diào)系統(tǒng)開啟時(shí)，門窗關(guān)閉，車間內(nèi)的空氣污染問題更加嚴(yán)重。

2 通風(fēng)方式的選取

該廠房的主要通風(fēng)方式為全面通風(fēng)。自然進(jìn)風(fēng)主要靠廠房大門的開啟，機(jī)械排風(fēng)主要靠屋頂?shù)呐棚L(fēng)機(jī)。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)員工反映車間的污染比較嚴(yán)重。這主要是由于機(jī)械加工設(shè)備散發(fā)的污染物直接排放到工作區(qū)，而屋頂排風(fēng)機(jī)的排放能力不足，不能及時(shí)把污染物從人員活動(dòng)區(qū)排出到室外，導(dǎo)致污染物聚集在工作區(qū)，對工作人員的健康產(chǎn)生影響。

目前工業(yè)廠房常用的通風(fēng)方式有全面通風(fēng)和局部通風(fēng)，全面通風(fēng)又分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)。全面通風(fēng)是對整個(gè)房間進(jìn)行通風(fēng)換氣，用送入室內(nèi)的新鮮空氣把房間里的有害物質(zhì)濃度稀釋到國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的允許濃度以下，同時(shí)把室內(nèi)被污染的污濁空氣直接或經(jīng)過凈化處理后排放到室外大氣中去，所以全面通風(fēng)也稱稀釋通風(fēng)。全面通風(fēng)雖然能夠改善整個(gè)房間的室內(nèi)環(huán)境，但所需風(fēng)量大，比較浪費(fèi)能源。局部通風(fēng)是利用局部通風(fēng)機(jī)或主要通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓對局部地點(diǎn)進(jìn)行通風(fēng)的方法，使人員工作的地點(diǎn)不受有害物質(zhì)的污染，以造成良好的局部工作環(huán)境。局部通風(fēng)具有通風(fēng)效果好、風(fēng)量節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)，比較適用于大型車間，尤其是產(chǎn)生污染物的高溫車間，在全面通風(fēng)無法保證室內(nèi)所有地方都達(dá)到適宜程度時(shí)宜采用局部通風(fēng)[3]。

因此，對于大型的工業(yè)廠房，“局部通風(fēng)+全面通風(fēng)”是一種既有效又節(jié)能的通風(fēng)系統(tǒng)形式。針對本文研究對象，在保證空調(diào)系統(tǒng)和通風(fēng)量不變的情況下，對“全面通風(fēng)”和“局部通風(fēng)+全面通風(fēng)”這兩種通風(fēng)形式，利用FLUENT對其溫度分布和污染物（本文選取SO2作為主要污染物）分布進(jìn)行數(shù)值模擬[4，5]，從而來比較兩種不同的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效果。

3 模型參數(shù)的確定

模型大小為216m×120m×9m，“全面通風(fēng)”模型中，對廠房內(nèi)的機(jī)械加工設(shè)備簡化為帶散熱的長方體，污染物散發(fā)統(tǒng)一從各個(gè)面散發(fā)，且假定所有的設(shè)備目前都沒有排氣罩或油污處理裝置。在南北墻兩側(cè)距地面4m高度上分別平均布置空調(diào)設(shè)備送風(fēng)口，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置根據(jù)實(shí)測值確定。屋頂上設(shè)置排風(fēng)機(jī)，風(fēng)量按照實(shí)測值確定，在南北兩側(cè)布置廠房大門，其自然進(jìn)風(fēng)參數(shù)按照實(shí)測值確定。風(fēng)口設(shè)置參數(shù)見表1。設(shè)備表面散熱量根據(jù)設(shè)備的功率計(jì)算確定（25.3W/m2），污染物散發(fā)強(qiáng)度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測計(jì)算確定（1.44mg/m3）?！熬植客L(fēng)+全面通風(fēng)”模型中，在設(shè)備比較集中的區(qū)域設(shè)置局部通風(fēng)機(jī)，并相應(yīng)地減少屋頂排風(fēng)機(jī)，保證其總的排風(fēng)量不變，其余設(shè)置參數(shù)保持不變。具體模型見圖2。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

圖2 廠房全面通風(fēng)簡化模型

4 模擬分析

模擬結(jié)果主要針對人員工作區(qū)域，選取人員主要呼吸高度1.5m的模擬結(jié)果來進(jìn)行對比?！叭嫱L(fēng)”形式的溫度分布和SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布等值線分別見圖3和圖4，“局部通風(fēng)+全面通風(fēng)”形式的溫度分布和SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布等值線分別見圖5和圖6。

圖3 “全面通風(fēng)”形式溫度（K）分布（1.5m）

圖4 “全面通風(fēng)”形式SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）分布（1.5m）

圖5 “局部通風(fēng)+全面通風(fēng)”形式溫度（K）分布（1.5m）

圖6 “局部通風(fēng)+全面通風(fēng)”形式SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）分布（1.5m）

從圖3～6可以看出，“局部通風(fēng)+全面通風(fēng)”形式的溫度分布更加均勻，空調(diào)效果更好。但是采用局部通風(fēng)后，平均溫度從299.2K升高到299.4K，升高幅度為0.07%，可以認(rèn)為溫度基本不變。采用局部通風(fēng)后，空氣中SO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.000013%降低到0.000011%，降低幅度為15%，通風(fēng)效果更好，能更有效地控制污染物擴(kuò)散。

5 現(xiàn)場實(shí)測

經(jīng)過對研究對象的通風(fēng)系統(tǒng)改造，將原來的“全面通風(fēng)”改造為“全面通風(fēng)＋局部通風(fēng)”，本文對改造前后的廠房分別進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，并比較這兩種空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的效果。

在工作人員比較集中的區(qū)域選取13個(gè)點(diǎn)作為觀測點(diǎn)，比較這13個(gè)點(diǎn)溫度和SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測點(diǎn)位置見圖7，測試所使用的儀器分別為手持式溫濕度儀和GDYK-402S二氧化硫測定儀，測試結(jié)果見圖8、圖9。

圖7 測點(diǎn)的位置

從現(xiàn)場測試結(jié)果可以看出，局部通風(fēng)改造后，工作區(qū)中的這13個(gè)測點(diǎn)的平均溫度從299.3K升高到296.7K，降低幅度為1%，SO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.000016%降低到0.00001%，降低幅度為37%，說明采用“局部通風(fēng)+全面通風(fēng)”形式后，人員工作區(qū)的污染物濃度減少，溫度降低，通風(fēng)效果更好。在測試的同時(shí)還對部分員工進(jìn)行了現(xiàn)場訪談，其中絕大部分員工認(rèn)為改造后通風(fēng)系統(tǒng)對污染物的控制效果比改造前有很大改善。

圖8 兩種通風(fēng)方式的溫度對比

圖9 兩種通風(fēng)方式的SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比

6 結(jié)語

1）改造后，車間的通風(fēng)方式由原來的以全面通風(fēng)為主轉(zhuǎn)變成以局部通風(fēng)為主、全面通風(fēng)為輔，車間的氣流組織得到了優(yōu)化，降低了工作區(qū)污染物濃度，環(huán)境溫度更加均勻。

2）對于污染物集中在車間下部散發(fā)、空調(diào)設(shè)備布置在車間兩側(cè)中部并且全面通風(fēng)量大的類似的高大廠房，應(yīng)當(dāng)以“就地捕捉，集中排放”為原則，采用以局部通風(fēng)為主、全面通風(fēng)為輔的通風(fēng)方式，來有效改善廠房內(nèi)空氣污染問題。

3）在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)根據(jù)工作區(qū)的實(shí)際工作情況，及時(shí)啟停通風(fēng)設(shè)備并調(diào)節(jié)其通風(fēng)量的大小，這樣更有利于對污染物的動(dòng)態(tài)控制。

[1]孫一堅(jiān).工業(yè)通風(fēng)(第三版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994

[2]采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50019-2003)[S].

[3]于航,徐文華,儲嘉銘,等.某機(jī)械加工車間通風(fēng)系統(tǒng)診斷與改造[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2012,(4):76-78

[4]李曉冬,高軍,許世杰.大空間建筑側(cè)送分層氣流組織數(shù)值模擬與探討[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2004,23(2):64-66

[5]林素菊,劉小兵,蘇華,等.高大空間分層空調(diào)室內(nèi)氣流的數(shù)值模擬[J].制冷與空調(diào),2005,19(1):4-6

Re s e a rc h on Com pa ris on of Air Dis tributions of Air Conditioning a nd Ve ntila tion Sys te m in a Ta ll Works hop

XIE Tao,YU Hang,ZHAO Mei
School of Mechanical Engineering,Tongji University

This paper performs numerical simulations in a tall workshop’s air distribution of different combinations of air conditioning and ventilation in order to compare the influence on pollution control and personnel comfort of different combinations to find the best combination and then transform the ventilation system.Finally combine all simulation results and experimental data to further demonstrate the ventilation system that is based on local ventilation and supplemented by general ventilation can get better ventilation effect.

tall workshop,air conditioning and ventilation,air distribution,numerical simulations,pollution control

1003-0344（2014）06-048-3

2013-11-25

謝濤（1989～），男，碩士研究生；上海市嘉定區(qū)曹安公路4800號同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院A309（201804）；

E-mail:xietao890612@163.com