溫和地區(qū)某卷煙廠建筑通風(fēng)分析與優(yōu)化

李新中

中國建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司

0 引言

在影響建筑熱環(huán)境的眾多因素當(dāng)中，通風(fēng)對室內(nèi)環(huán)境的影響是直接和瞬時的，其與室內(nèi)空氣混合后，會立刻影響室內(nèi)空氣的狀態(tài)[1]。當(dāng)室外的空氣溫濕度未處于室內(nèi)溫濕度舒適范圍時，自然通風(fēng)和滲透會成為建筑的冷熱負(fù)荷，如果形成的冷熱負(fù)荷與室內(nèi)原有的負(fù)荷是同向的關(guān)系，則會增加空調(diào)系統(tǒng)的能耗；反之，則可以利用自然通風(fēng)降低系統(tǒng)能耗。因此自然通風(fēng)的合理利用不僅是降低建筑能耗的有效措施之一，而且有利于降低室內(nèi)污染物及CO2濃度。

本文以某卷煙廠易地技術(shù)改造項(xiàng)目為例，研究了影響聯(lián)合工房制絲車間自然通風(fēng)的因素，提出合理改善建議，盡可能利用自然通風(fēng)滿足非空調(diào)區(qū)域的室內(nèi)溫濕度參數(shù)要求，并對改進(jìn)后制絲車間的自然通風(fēng)狀況下的熱環(huán)境評價。

1 研究方法及計(jì)算模型

采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）分析方法，計(jì)算軟件采用FLUENT6.3。

聯(lián)合工房平面分區(qū)如圖1所示，其中A區(qū)為制絲車間，尺寸為367.5 m×120.0 m×18 m，車間跨度較大，內(nèi)部構(gòu)造相對簡單；車間的長度約為寬度的3倍，大部分區(qū)域的剖面形狀一致。

圖1 聯(lián)合工房平面分區(qū)示意圖

基于車間的尺寸特點(diǎn)，可認(rèn)為氣流在長度方向上的流動規(guī)律基本一致，計(jì)算中將低雷諾數(shù)湍流模型的全三維模型簡化為二維模型[2]。在二維簡化過程中，將設(shè)置了通風(fēng)采光窗的屋面整體視為出口邊界條件，出口邊界條件由數(shù)值風(fēng)洞方法確定；將金屬隔柵視為局部無厚度的阻力部件，網(wǎng)架則采用多孔介質(zhì)模型來處理。

3 車間通風(fēng)量影響因素研究

3.1 熱源強(qiáng)度對制絲車間通風(fēng)量影響研究

模擬分析了夏季工況，室外空氣溫度23℃，室內(nèi)熱源熱流密度分別為 10 W/m2、20 W/m2、50 W/m2和100 W/m2四種工況。

對不同熱源強(qiáng)度下的通風(fēng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以看出，通風(fēng)量與熱源強(qiáng)度大小基本無關(guān)，這是因?yàn)橥L(fēng)量除了與熱源強(qiáng)度有關(guān)外，還與建筑高度有關(guān)。由于本建筑高度較大，建筑高度對通風(fēng)量影響更大；而熱源強(qiáng)度本身變化不大，其對通風(fēng)量影響有限。

圖2 通風(fēng)量與熱源強(qiáng)度關(guān)系

3.2 側(cè)窗位置對制絲車間通風(fēng)量影響研究

側(cè)窗位置對制絲車間的通風(fēng)量有著顯著影響[3-4]。制絲車間側(cè)窗的原中心位置位于左側(cè)墻體3.0 m高度，分別計(jì)算了下移0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m等六種工況，以分析側(cè)窗的不同高度位置對通風(fēng)量影響（圖3）。

圖3 通風(fēng)量隨側(cè)窗高度變化

從圖3可以看出，隨著側(cè)窗的下移通風(fēng)量越來越大，但增大的趨勢隨著側(cè)窗位置下移漸緩。這是由于側(cè)窗的下移導(dǎo)致進(jìn)、出風(fēng)口的實(shí)際高差增大，進(jìn)而增大了浮升力作用，從而導(dǎo)致通風(fēng)量的增大。因此可以適當(dāng)考慮側(cè)窗位置下移以增大通風(fēng)量。

3.3 側(cè)窗、屋面阻力對通風(fēng)量影響研究

模型中側(cè)窗和屋面分別作為進(jìn)、出風(fēng)口進(jìn)行設(shè)定，通過改變側(cè)窗和屋面局部阻力系數(shù)來研究其對通風(fēng)量的影響。

3.3.1 屋面局部阻力系數(shù)對通風(fēng)量影響的敏感性分析

分別計(jì)算了側(cè)窗局部阻力系數(shù)ζ＝5.0、20、60和100等四種工況下，變化屋面局部阻力系數(shù)時通風(fēng)量的變化（圖4）。

圖4 屋面局部阻力系數(shù)與通風(fēng)量關(guān)系

從圖4中可以看出，當(dāng)屋面的局部阻力系數(shù)大于1500以后，側(cè)窗局部阻力系數(shù)的改變對車間的通風(fēng)量影響不大，說明屋面的局部阻力系數(shù)大到一定程度以后，側(cè)窗做法對通風(fēng)量的影響趨于穩(wěn)定，通風(fēng)量對屋面阻力系數(shù)的變化更為敏感。

3.3.2 側(cè)窗局部阻力系數(shù)對通風(fēng)量影響的敏感性分析

分別計(jì)算了屋面局部阻力系數(shù)ζ＝2.0、500、1000和1545.75等四種工況下，變化側(cè)窗局部阻力系數(shù)時通風(fēng)量的變化（圖5）。

圖5 側(cè)窗局部阻力系數(shù)與通風(fēng)量關(guān)系

從圖5中可以看出，當(dāng)側(cè)窗的局部阻力系數(shù)大于20以后，屋面局部阻力系數(shù)的改變對車間的通風(fēng)量影響不大，說明側(cè)窗的局部阻力系數(shù)大到一定程度以后，屋面做法對通風(fēng)量的影響趨于穩(wěn)定，通風(fēng)量對側(cè)窗阻力系數(shù)的變化更為敏感。

3.4 氣流組織形式對通風(fēng)量影響研究

分別模擬計(jì)算了四種工況，第一種是設(shè)計(jì)工況（西側(cè)通風(fēng)口有窗戶、通風(fēng)百葉及側(cè)墻頂部的通風(fēng)窗），第二種是左側(cè)屋面半開，第三種是右側(cè)屋面半開，第四種是屋面全開。模型中屋面的局部阻力系數(shù)為1545.75，側(cè)窗的局部阻力系數(shù)為20，熱源強(qiáng)度為250 W/m2。

圖6 通風(fēng)量變化

從氣流速度及溫度場分布情況來看，屋面全開時氣流組織狀況最好，工作區(qū)的流速均勻且速度適中，溫度分布較為均勻，沒有形成局部過熱情況。

圖6為各工況下通風(fēng)量的變化情況，屋面全開時由于通風(fēng)面積大，通風(fēng)量也最大。綜合來看，屋面全開工況最好，其缺點(diǎn)主要為施工量較大。

4 制絲車間熱環(huán)境評價

本項(xiàng)目優(yōu)化方案為車間屋面全開，側(cè)墻頂部設(shè)通風(fēng)窗，車間的通風(fēng)量為1125509 m3/h，換氣次數(shù)為3.3次/h。

對工作區(qū)取了五個典型位置，位置高度為1.5 m，水平方向取 15.0 m、30.0 m、45.0 m、60.0 m、75.0 m，統(tǒng)計(jì)各個位置的速度、溫度和相對濕度，并對熱環(huán)境PMV-PPD進(jìn)行評價[5-6]。

設(shè)熱源為250 W/m2、濕源為100 g/(m3h)，取放松站立工作狀態(tài)下的勞動強(qiáng)度（人體活動量取1.2 met）和著工作服時的衣服熱阻（熱阻取1.0 clo）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示，從表1中計(jì)算可以看出，大部分區(qū)域的熱環(huán)境處于中性狀態(tài)。

表1 PMV-PPD計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

1）通風(fēng)量與車間內(nèi)部熱源強(qiáng)度大小關(guān)系不大，通風(fēng)量主要受到廠房高度影響；

2）側(cè)窗位置對車間通風(fēng)量影響較大，隨著側(cè)窗的不斷下移，通風(fēng)量逐漸增大；

3）屋面及側(cè)窗通風(fēng)量均隨著局部阻力系數(shù)增大逐漸減小，敏感性分析結(jié)果表明，側(cè)窗的局部阻力系數(shù)變化對通風(fēng)量改變更為敏感；

4）對氣流組織形式與通風(fēng)量關(guān)系進(jìn)行研究，研究了四種工況，從氣流速度分布及溫度場分布情況來看，屋面全開時氣流組織狀況最好；

5）根據(jù)制絲車間的優(yōu)化通風(fēng)方案，對車間現(xiàn)狀內(nèi)部熱環(huán)境進(jìn)行評價大部分區(qū)域熱環(huán)境處于中性狀態(tài)。