某高大厂房空调与通风气流组织方式的比较研究

谢涛 于航 赵美

同济大学机械与能源工程学院

某高大厂房空调与通风气流组织方式的比较研究

谢涛 于航 赵美

同济大学机械与能源工程学院

本文对某高大厂房不同空调通风组合形式的气流组织进行了数值模拟，分析不同的空调通风组合形式对污染物控制和人员舒适性的影响，找到最佳通风组合形式并对厂房通风系统进行改造。结合改造前后的模拟结果和实测数据，证明采用以局部通风为主、全面通风为辅的通风方式能得到更好的通风效果。

高大厂房空调通风气流组织数值模拟污染物控制

1 背景

机械加工厂房的机械生产会产生大量的余热、余湿和污染物。厂房内弥漫着烟雾状的气体，长期在此环境下工作，不仅对工人造成健康损害，还会导致精神不易集中，工作效率较低。为了保证车间内人员的健康，保证工人的工作效率，机械加工厂房需要严格地控制污染物和室内环境（声、光、热等）[1]。《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）第5.3.10条[2]规定：同时放散热、蒸汽和有害气体或仅放散密度比空气小的有害气体的工业建筑，除设局部排风外，宜从上部区域进行自然或机械的全面排风，其排风量不应小于每小时1次换气；当房间高度大于6m时，排风量可按6m3/(h·m2)计算。另外，对于夏热冬冷地区，冬季和夏季还要设置空调保证厂房内的温度环境。

本文的研究对象是上海某机械加工厂房，厂房平面布置如图1所示。厂房总占地面积约29137.5m2，其中生产车间面积约26000m2（216m×120m），高度约为9m，按照上述规定，排风量不应小于155520m3/h。由于厂房通风换气量大，造成冷热量损失和能耗增加，因此，对厂房内气流组织的优化具有重要意义。

图1 厂房平面布置图

车间内有车床、磨床、刮床、淬火机、回火炉等各类机械加工设备数百台，按照工艺流程布置划分为外星轮（F.O.R）、内星轮（F.I.R）、实轴（I.C.S）和装配区（ASSY）等几个主要生产区域。生产过程中润滑油雾化后散发到车间内，造成厂房内油雾迷漫，能见度较差，伴有刺激性气味，污染车间内的空气与生产设备，影响操作人员的健康。冬、夏季空调系统开启时，门窗关闭，车间内的空气污染问题更加严重。

2 通风方式的选取

该厂房的主要通风方式为全面通风。自然进风主要靠厂房大门的开启，机械排风主要靠屋顶的排风机。通过现场调研发现，大多数员工反映车间的污染比较严重。这主要是由于机械加工设备散发的污染物直接排放到工作区，而屋顶排风机的排放能力不足，不能及时把污染物从人员活动区排出到室外，导致污染物聚集在工作区，对工作人员的健康产生影响。

目前工业厂房常用的通风方式有全面通风和局部通风，全面通风又分为自然通风和机械通风。全面通风是对整个房间进行通风换气，用送入室内的新鲜空气把房间里的有害物质浓度稀释到国家卫生标准的允许浓度以下，同时把室内被污染的污浊空气直接或经过净化处理后排放到室外大气中去，所以全面通风也称稀释通风。全面通风虽然能够改善整个房间的室内环境，但所需风量大，比较浪费能源。局部通风是利用局部通风机或主要通风机产生的风压对局部地点进行通风的方法，使人员工作的地点不受有害物质的污染，以造成良好的局部工作环境。局部通风具有通风效果好、风量节省等优点，比较适用于大型车间，尤其是产生污染物的高温车间，在全面通风无法保证室内所有地方都达到适宜程度时宜采用局部通风[3]。

因此，对于大型的工业厂房，“局部通风+全面通风”是一种既有效又节能的通风系统形式。针对本文研究对象，在保证空调系统和通风量不变的情况下，对“全面通风”和“局部通风+全面通风”这两种通风形式，利用FLUENT对其温度分布和污染物（本文选取SO2作为主要污染物）分布进行数值模拟[4，5]，从而来比较两种不同的空调通风系统的通风效果。

3 模型参数的确定

模型大小为216m×120m×9m，“全面通风”模型中，对厂房内的机械加工设备简化为带散热的长方体，污染物散发统一从各个面散发，且假定所有的设备目前都没有排气罩或油污处理装置。在南北墙两侧距地面4m高度上分别平均布置空调设备送风口，各项参数设置根据实测值确定。屋顶上设置排风机，风量按照实测值确定，在南北两侧布置厂房大门，其自然进风参数按照实测值确定。风口设置参数见表1。设备表面散热量根据设备的功率计算确定（25.3W/m2），污染物散发强度根据现场实测计算确定（1.44mg/m3）。“局部通风+全面通风”模型中，在设备比较集中的区域设置局部通风机，并相应地减少屋顶排风机，保证其总的排风量不变，其余设置参数保持不变。具体模型见图2。

表1 数值模拟参数设置

图2 厂房全面通风简化模型

4 模拟分析

模拟结果主要针对人员工作区域，选取人员主要呼吸高度1.5m的模拟结果来进行对比。“全面通风”形式的温度分布和SO2质量分数分布等值线分别见图3和图4，“局部通风+全面通风”形式的温度分布和SO2质量分数分布等值线分别见图5和图6。

图3 “全面通风”形式温度（K）分布（1.5m）

图4 “全面通风”形式SO2质量分数（%）分布（1.5m）

图5 “局部通风+全面通风”形式温度（K）分布（1.5m）

图6 “局部通风+全面通风”形式SO2质量分数（%）分布（1.5m）

从图3～6可以看出，“局部通风+全面通风”形式的温度分布更加均匀，空调效果更好。但是采用局部通风后，平均温度从299.2K升高到299.4K，升高幅度为0.07%，可以认为温度基本不变。采用局部通风后，空气中SO2平均质量分数从0.000013%降低到0.000011%，降低幅度为15%，通风效果更好，能更有效地控制污染物扩散。

5 现场实测

经过对研究对象的通风系统改造，将原来的“全面通风”改造为“全面通风＋局部通风”，本文对改造前后的厂房分别进行了现场实测，并比较这两种空调通风系统的效果。

在工作人员比较集中的区域选取13个点作为观测点，比较这13个点温度和SO2质量分数，测点位置见图7，测试所使用的仪器分别为手持式温湿度仪和GDYK-402S二氧化硫测定仪，测试结果见图8、图9。

图7 测点的位置

从现场测试结果可以看出，局部通风改造后，工作区中的这13个测点的平均温度从299.3K升高到296.7K，降低幅度为1%，SO2平均质量分数从0.000016%降低到0.00001%，降低幅度为37%，说明采用“局部通风+全面通风”形式后，人员工作区的污染物浓度减少，温度降低，通风效果更好。在测试的同时还对部分员工进行了现场访谈，其中绝大部分员工认为改造后通风系统对污染物的控制效果比改造前有很大改善。

图8 两种通风方式的温度对比

图9 两种通风方式的SO2质量分数对比

6 结语

1）改造后，车间的通风方式由原来的以全面通风为主转变成以局部通风为主、全面通风为辅，车间的气流组织得到了优化，降低了工作区污染物浓度，环境温度更加均匀。

2）对于污染物集中在车间下部散发、空调设备布置在车间两侧中部并且全面通风量大的类似的高大厂房，应当以“就地捕捉，集中排放”为原则，采用以局部通风为主、全面通风为辅的通风方式，来有效改善厂房内空气污染问题。

3）在系统实际运行中，应根据工作区的实际工作情况，及时启停通风设备并调节其通风量的大小，这样更有利于对污染物的动态控制。

[1]孙一坚.工业通风(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1994

[2]采暖通风与空气调节设计规范(GB50019-2003)[S].

[3]于航,徐文华,储嘉铭,等.某机械加工车间通风系统诊断与改造[J].建筑热能通风空调,2012,(4):76-78

[4]李晓冬,高军,许世杰.大空间建筑侧送分层气流组织数值模拟与探讨[J].建筑热能通风空调,2004,23(2):64-66

[5]林素菊,刘小兵,苏华,等.高大空间分层空调室内气流的数值模拟[J].制冷与空调,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

谢涛（1989～），男，硕士研究生；上海市嘉定区曹安公路4800号同济大学机械与能源工程学院A309（201804）；

E-mail:xietao890612@163.com