自然置换通风（共7篇）
自然置换通风 篇1
摘要：详细介绍了自然置换通风的工作原理和特性,及其国内外研究现状和相关研究成果,重点探讨了自然置换通风在设计中需要注意的问题及设计策略,包括建筑物设计以及室内通风方式设计,以期保证自然通风达到良好的生态效能。
关键词：自然置换通风,室内热环境,设计策略
随着建筑技术的逐渐进步和不可再生能源的日益匮乏,建筑的高能耗问题越来越突显出来。在发达的工业化国家,近40%的能源是在建筑中消耗的,据专家粗略估算,其中的2/3～3/4可通过正确的、理想的建筑措施节省下来,建筑的节能设计受到越来越多的重视[1]。因此,寻求一种更为理想的通风方式来替代传统的通风方式成为人们研究的内容。目前,自然置换通风以其在热舒适性、室内空气品质和减少机械耗能等方面的优越性,在建筑设计中逐渐受到科技学术界的关注和应用。
1 自然置换通风概述
自然置换通风(Natural Displacement Ventilation)作为自然通风的一种形式,与机械通风和建筑楼宇常用的传统及空调系统相比,不仅较为经济,同时亦可获得较大的换气量,在节约能源的同时,也有利于环境保护,在民用、厂房通风及高大公共建筑通风方面值得我们大力推广[2]。自然置换式通风的原理是依靠密度差所产生的压差为动力来实现室内空气的“活塞式”置换。送入房间的较冷新鲜空气因密度大在重力作用下下沉并慢慢扩散到整个房间的低部,在地板上某一高度内形成一个洁净的空气层,当遇到热源时,它被加热,以自然对流的形式慢慢升起。室内热污染源产生的热浊气流在浮升力作用下上升,并不断卷吸周围空气,在热浊气流上升过程中的卷吸作用和后续新风的“推动”作用以及排风口的“抽吸”作用下,覆盖在地板上方的新鲜空气也缓慢向上移动,形成类似向上的活塞流。同时污染物也被携带向房间的上部或侧上部移动,脱离人的停留区,最后将余热和污染物由排风口直接排出[3]。置换通风的主导气流是由室内热源所控制,所以这种通风方式也称为热置换通风[4]。
2 国内外研究现状
在过去的几十年里,国外对置换式通风系统做了大量研究。置换式通风于20世纪70年代末首先在北欧发展起来。1978年德国柏林一个焊接车间首次使用了置换式通风方式[5]。20世纪80年代,该方式又被用于办公室等商业建筑中。而将这种通风方式上升到工程技术和学术高度则是在1987年北欧学者P V Nielsen[6],Mundt Elisabeth[7]等的研究之后。自1990年后北欧的空调末端设备厂商的产品技术也基本确立,Hakon Skisad从理论到实践做了系统的归纳整理[8]。瑞士、德国等研究人员用实验测试和理论分析的方法,对置换通风的许多方面,特别是在空气质量和热舒适性方面进行了细致的研究。在此基础上将其安装到部分办公室和会议室中,并配合相应的空气处理设备和控制手段进行调节,取得了理想的效果。日本和美国在20世纪90年代初,也出于改善室内空气质量的目的开始关注这种通风形式,并结合各自建筑的实际条件,展开相应的实验与数值模拟,进一步完善了各项技术。
我国大部分地区夏季主导风向都是南或南偏东,所以无论是传统建筑还是现代建筑多为坐北朝南,以南或南偏东为最佳朝向。建筑群错列、斜列的平面布局形式较行列式与周边式更有利于自然通风[9]。国内对置换式通风的研究起步较晚。不同学者就置换通风系统中有关问题做了不同的研究和讨论。其中以同济大学和东华大学的研究最为代表。同济大学建立气流实验室对置换通风气流特性进行了实验研究。同时开展了置换空调系统的应用研究,并与企业合作开发了具有国际先进水平的“置换通风装置系列产品”,填补了国内空白。东华大学也多次参与法国LET实验室关于置换通风系统干扰因素的实验研究[10]。
3 设计策略
3.1 建筑物设计策略
自然置换通风容易受到众多外部因素的影响。建筑物会由于周围环境的地形起伏、水陆分布、绿化等状况,而受到水陆风、山谷风、林原风、街巷风、天井风、庭园风等地方风的影响[11],于是在进行以自然置换通风为主要空调方式的建筑物的设计时,为了更好的进行自然通风,需要注意以下几个问题:
1)不同气候的地区对自然通风的要求是不同的。利用自然通风要充分考虑建筑物的周边环境及其特殊的气候。对于湿热的南方地区,在设计中不仅要尽量组织自然通风,同时要进行间歇通风,以防止“泛潮”时期引起室内湿度的增加。此外,对于离海洋远或有山岭阻挡的地方,可在中午前后,把大部分门窗关闭,防止室外的热流进入室内,而在早晚打开门窗进行通风换气[11];2)在设计中要尽量使房屋的纵轴垂直于夏季主导风向,以获得良好的通风效果,同时建筑物之间适当的间距与合理的楼群布局也是非常重要的。一般来讲,综合考虑风向投射角与房间中风速、风场和涡漩的关系,房屋间距应该为0.7H～1.1H(H为楼房的高度)[12]。同时,建筑群的平面布局以错列式和斜列式较好;3)利用树木的合理布置来加强建筑的自然通风。室外的绿化可以改变流进气流的状况。当风流过室外的绿化带时,风可以被降温,减弱风速,同时可以改变风的流动路线,这在自然通风中有很重要的作用[13];4)建筑物通风构造的各个细节对通风效果有很大影响。例如进出口窗面积比例要恰当,进出风口相对大小决定了室内空气流速。据有关试验表明[13],获得室内整体最好风速的最佳办法就是使出风口面积大于进风口面积10%左右。
3.2 通风方式设计策略
3.2.1 单侧通风
单侧通风的开口在房间的同一侧,另一侧是关闭的门,它是自然通风中最简单的一种形式。
1)单侧单开口。
对于单侧单开口房间,风压是主要驱动力,特别是对于开口很小的情况。单侧单开口的最大有效通风的径深大约为层高的2倍。
2)单侧双开口。
不同高度的两个开口在房间同侧立面上,则形成单侧双开口。此时热压作用协助了风压使风量和径深都有所增加。热压随着单侧开口的垂直距离和内外温差的增加而增加。单侧双开口的最大有效通风径深大约为层高的2.5倍。
3.2.2 烟囱效应
烟囱效应的实质是热压产生的通风。烟囱效应的基本要求是烟囱内的空气被加热,温度高于外界温度,烟囱的主要功能仅是为了通风,尺寸可以仅为了迎合压降的需要。烟囱可以作为采光井,太阳吸收器等。烟囱可以是一个单独的烟囱,也可以是围绕建筑的几个小烟囱。
3.2.3 混合通风
自然通风系统由于缺乏气流控制和温度控制使其在某些场合不能提供充足的通风。第一个问题造成了冬季能量损失和夏季过热,第二个问题则引起了冬季有风感和夏季室内温度过高而不舒适。因此使自然通风系统同机械通风相结合的混合通风系统受到了关注。混合通风系统的基本思想是:综合机械通风和自然通风的特性取得最好的通风性能,使之克服自然通风的一些不可控问题。这就需要一个智能控制策略使混合通风系统来最小化能耗和获得最优质的室内空气品质及热舒适。混合通风系统的设计除了对建筑设计,建筑外部条件及内部条件等因素的考虑外,还需要借助先进的设计工具来分析和模拟建筑内气流模式和能量分配,通常动力建筑热模型和计算流体力学都被应用到混合通风设计中。
4 结语
目前,国内外科技学术界对自然置换通风的理论探索和设计实践仍在积极发展中,相关的理论和实验研究主要集中在北欧、英、美、加、澳、日等发达国家。只有在设计中充分结合当地气候、环境条件,制定相应的技术措施,才能保证自然通风达到良好的生态效能。作为低能耗、绿色环保的理想建筑空调形式,自然置换通风值得在我国展开应用性研究,如何借鉴国外的研究模型,探索适合我国国情的自然置换式通风设计准则和方法是当前科技学术界研究的重点内容。
置换通风系统的实例探究 篇2
工业厂房通风空调系统的优化设计, 工作车间的洁净化, 对生产绩效和节能方面起着至关重要的影响, 这一直是各大工业厂房高度重视和关注的话题。以多晶硅生产工艺为代表的甲、乙类危险洁净厂房, 洁净厂房[1]要求建筑内维持正压, 而危险厂房[2]求维持负压。为了防止二次污染, 送风必须直排。对于这样的置换通风系统, 送风系统的方案及排风系统的流程的确定, 在文章通过实例加以论证, 同时对于各个环节需要注意的问题加以说明, 希望能为今后此类车间的暖通设计提供一定的参考性借鉴。
1置换通风送风系统
由于多晶硅生产还原厂房内有害物散发源分散, 采用局部排风达不到要求, 因此必须采用全面通风。基于排除有害物质考虑, 还原厂房的送风必须先经过人员活动区带走有害气体后尽可能完全排出厂房;同时基于还原厂房生产过程中对洁净度要求的考虑, 置换通风的送风系统需要处理后送风厂房内, 系统采用直流通风方式。
对于这类系统的送风处理的方法主要有以下几种:第一种是将室内回风与室外的新风进行混合, 然后进行一次回风处理;第二种是全新风系统, 对新风进行冷却、加湿或加热处理之后, 送入室内, 但是这种系统仅限于例如动物房、生物安全洁净室等不可循环利用的环境。
本项目遵循生产工艺的要求, 对置换通风送风机组的功能段进行合并和取舍, 厂房采用的送风系统处理主要有以下几段:新风段、初效过滤段、中间段、中效过滤段、送风段、噪音消除段。送风系统的最末端设置中效和高效过滤器。
在送风系统上, 机组处需要设有检修门、检修灯等功能性设备。确保生产厂房内洁净度、温湿度、压力等各项环境指标达到标准。
1.1置换通风送风系统的设计
1.1.1置换通风送风系统送风量的确定。送风风量应满足对新风量和送风量[1]的规定, 本设计由于工艺专业无法提供有害物质的具体参数, 考虑到工艺要求和有害物质的性质, 生产车间内新风换气次数取12次/小时。
1.1.2置换通风送风系统的设计分析。新风的吸入口以及送风设备的选择应满足规定[3], 本设计送风机组放置在室外安全区内, 而且新风来自安全区域内, 送风机组选择普通型, 但是送风管道在靠近送风设备端需设置止回阀。
1.2置换通风送风系统过滤器的选择分析
对于有洁净要求的送风系统, 应当严格控制机组中的微生物污染点。否则, 细菌等微生物会在空气结构、温湿度适宜的环境中大肆滋生繁殖, 而送风机组的箱体、过滤器、消声器、加湿器等都是这些微生物生存的温床, 这些地方也都将成为严重的微生物污染点。控制措施主要有:定期检查机组箱体, 确保其无破损、无锈蚀以及良好的耐毒性、消毒性、保温性及密封性等;确保消声器、加湿器等内部无可疑物滞留, 以免发生堵塞;经常对机组进行清洗或消毒。这对设备后期运行维护是个难点。
没有经过过滤的新风中有很多尘粒, 系统超过90%的尘粒都是来自于此。新风口的无纺布也应该更换及时, 否则堵塞的无纺布会阻碍新风的补充, 使室内空气无法及时排放出去, 并且还会堵塞机组的加热和表面冷却器, 使中效过滤器和高效过滤器的使用寿命大打折扣。然而又由于这两种过滤器的成本较高, 无法实现频率过快的更换, 会严重影响室内的空气质量。
本项目的过滤器使一个设计和运行维护的重点和难点。设计过程中, 过滤器报警器的设置是必要的, 可以使后期运行维护一目了然;设备运行过程中, 对这类设备的定期巡检是必要的。过滤器的正常有效的使用, 是保证送风质量的有效手段, 也可以有效地保证更高一级过滤器的效率, 以此也可以降低运行成本。
考虑到以上因素, 在系统机组内设置有粗效段和中效段, 在送风系统的末端设置中效过滤器和高效过滤器。送风机组对新风进行处理之后, 可以断绝室外的尘源, 这种方式经济高效。通常情况下, 空气的过滤程度取决于最后一级过滤器, 上级的过滤器只是起到了基本的保护作用, 主要在于保护下级过滤器的质量, 延长过滤器的使用寿命, 确保空调系统能够长周期的正常工作。实际工作中, 应根据工作的需求, 调整减少高效过滤器的更换频率, 延长高效过滤器的使用寿命。
2置换通风的排风系统
2.1置换通风的排风系统排风量的设计
当周围环境较差且房间空气有洁净度要求时, 房间室内应保持一定的正压, 排风量宜为送风量的80~90%。本设计排风换气次数为10次/h。校核通风量[3]确定通过通风是否可以满足厂房内的温度要求。
2.2置换通风的排风系统的设计分析
多晶硅生产厂房的排风系统设计, 应采取下列技术措施, 防止在厂房内的送风系统停止运行时, 室外空气倒灌流入室内, 引起污染和积尘。工程中常用的防倒灌措施有两种, 一种是设置中效过滤段, 二种是采用止回阀。排风系统设计时, 还应采取下列措施:含有易燃易爆局部排风系统应采用与排除物质相适应的防火防爆的措施;对排含有蒸汽和凝结性物质的排风系统, 应设置坡度及排放口, 以便及时排除凝结液;排风介质中有害物浓度及排放量超过国家或地区有害物排放浓度及排放量规定时, 应进行无害化处理。一般对于有可能散放有害气体或易燃易爆气体的生产厂房或者根据生产工艺要求来判断是否需要设置事故排风系统。事故排风系统应设自动和手动控制开关, 手动控制开关应分别设在生产厂房室内、外便于操作的地方。
本设计中, 排风机组用于排放甲类物质, 设备放置于爆炸危险区。排风设备应采用防爆型[3]。全面排风系统吸风口的布置应符合下列规定:用于排出氢气与空气混和物时, 吸风口的上缘至顶棚平面或屋顶的距离不大于0.1m。所以在屋脊处设置了屋顶通风器来解决这个问题。
2.3排风系统的空气处理
排入大气的废气必须进行净化处理, 达到国家大气污染物排放标准要求后才允许排放[5]。达到大气排放标准并不意味着满足环境空气质量标准的要求, 它受到国家环保规定的区域环境污染物控制总量的限制。在可能的条件下, 还应考虑回收利用, 变害为宝。有害气体净化, 在某些情况下可将含有污染物的废气高空排放, 通过在大气中的扩散进行稀释, 使降落到地面的有害气体浓度 (包括累积量) 不超过环境空气质量标准[6]。
本设计考虑到置换通风对室内有害物浓度的稀释作用明显, 排风采用高空扩散的方式对有害气体进行稀释[4]。同时根据规范要求、工艺条件、建筑和总图布置等, 确定排风口高出屋脊3.0m。
3结束语
采用置换通风气流稳定, 送风需求量小, 同时温度较低的送风首先经过工作区, 可以在满足厂房设计要求的前提下减少能耗并提高人员的舒适度。本项目置换通风系统通过设置新风机组确保生产厂房内充足的送风量及送风品质, 严格控制机组中的污染点, 最后加上对排风系统的设计, 完成了该项目完整的置换通风的流程, 为多晶硅还原生产厂房提供了良好的环境, 从源头上保证了该厂房后期的运营安全和经济效益。
参考文献
[1]GB50073-2013.洁净厂房设计规范[S].
[2]HG/T20698-2009.化工采暖通风与空气调节设计规范[S].
[3]GB50019-2015.采暖通风与空气调节设计规范[S].
[4]全国民用建筑工程设计技术措施2009-暖通空调·动力[M].中国计划出版社, 2009.
[5]高等学校建筑环境与设备工程专业规划教材-工业通风 (第四版) [M].中国建筑工业出版社, 2010.
建筑置换通风系统设计方法探讨 篇3
1 置换通风原理及其特性
置换通风是一种建筑物空调和通风的创新概念,就是将新鲜空气直接进入工作区,并在地板上形成一层由较凉的新鲜空气扩散而形成较薄的空气湖。其作用是基于因空气密度差所形成的热气流上升和冷气流下降的原理[1],即是说室内的热源(人员、设备散热、灯光等)产生向上的对流气流而新鲜空气(低于室温2℃~4℃)随对流气流向室内上部流动形成室内空气运动的主导气流。室内热污染源引起的热对流气流使室内产生垂直的温度梯度,使得热浊气流上升,并不断卷吸周围空气,这样由于热气流上升过程中的卷吸作用和后续新风的“推动”作用及排风口的“抽吸”作用,就像活塞一样,下部的冷空气将热污染源(散发热量和污浊气体的源头如人体)周围的热浊空气置换至室内顶部。这种通风方式也称为热置换通风[2]。置换通风的流态如图1所示。
置换通风与传统混合通风因为通风空调方式的机理和目的不同,形成了两者之间特性的差异。置换通风是以人为主体,依靠浮力作用产生上升气流为空气运动机理,来达到消除室内余热和污浊空气的通风空调方式。传统混合通风是以建筑物室内空间为主体,依靠惯性力作用产生室内空气的稀释混合为空气运动机理,以满足整个室内非舒适性和空气品质要求的通风空调方式。置换通风具有自然对流、水平温度基本差别和垂直有明显温度分层等特征。
2 置换通风系统影响因素分析
一个良好的通风系统设计,必然是在分析和平衡所考虑的诸多因素之后完成的,所以设计之初需要了解可能的系统影响因素及其特点,这样在设计过程才能给予以优化处理。
2.1 送风口空气运动
在置换通风系统中,送入冷空气由于重力的作用下,起初将向下运动,在地板上平铺开来,形成一层所谓的“空气湖”。其厚度和内部空气的速度与人员越密集程度或送风量密切相关。根据北欧办公室置换通风的使用经验,空气沿地板扩展的速度大约是0.1m/s,“空气湖”的高度通常在0.15m~0.30m之间[3]。所谓的邻接区即送风口对室内空气运动的影响局限于风口附近的区域。离风口非常短的距离内,决定送风空气运动行为的主要作用力是重力。而送入空气和房间空气的混合情况由送风口的型式(如送风面是平的或圆的等等)决定。所以对送风口高度以下的温度分布和空气品质有明显的影响,却相反对其上部空气层没有多少影响。
2.2 空气运动的扰动影响
如果沿地板有其它的气流运动,比如窗户或墙壁形成的吹冷风,这可能会扰动或阻碍送风气流运动,这样容易引起空气混合现象,从而降低了工作区的呼吸品质。另外由于入射的阳光加热地板,引起较大的对流运动,导致室内空气的混合。然而引起室内气流的混合的因素非常多,通常在多数房间里都存在扰动气流。但是这种情况下的空气品质介于理想置换通风和混合通风之间,至少不比混合通风中的差。
3 置换通风设计
目前,置换通风系统的设计方法主要有二种。第一种是以CFD模拟为基础的设计方法。CFD模拟的方法可以应用在大型空间的系统设计上,为分析模型方法提供数据(尺寸太大而不可能进行全比例测量,因而不便于实际工程设计)。第二种则是基于分析模型的设计方法,该方法简单方便,目前运用比较广泛。
3.1 空气品质
1)在住宅建筑物室内,主要的污染物是人(污染源)呼出的二氧化碳气体和少量人体散发的汗液以及吸烟产生的烟气。人员在置换通风条件下吸入的室内空气中污染物浓度要比周围同高度环境下的污浊空气浓度要低得多。通常情况下,置换通风人员呼吸浓度应通过计算确定,但在一般条件下,当室内人是污染源时,在要求较高或有吸烟的情况下,室内送风量应为L=20L/(s·p)(即72m3/(h.p)。不过当送风量取L=10L/(s·p)时,通常情况下是能满足室内空气品质要求,且该送风也是系统最经济的送风量。
2)对于非人体散热源的场所,热力分层高度H和自然对流射流的流量L计算主要有:点类型热源;线类型热源;平面和垂直面型热源一般称为扩展源,其均可由基本的点和线型热源推断而出。其具体计算可以参照欧洲供热、空调协会联合会(REHVA)组织编写的手册《Displacement ventilation in non-industrial premises》。
3.2 舒适性空调通风的应用设计
1)计算设计冷负荷
同混合通风一样,使用冷负荷计算程序或ASHRAE手册的方法计算出房间总冷负荷。但由于置换通风系统中的温度具有分层的特性,它的设计思路主要是控制工作区的环境,消除工作区的冷负荷,所以它的设计冷负荷计算与混合通风的不同。由于负荷计算针对分层空调的负荷计算较深入而科学,该方法是国内应用在高大空间场所(高度大于5m,体积大于1×104m3),的负荷计算的一种方法,值得推荐。具体计算为:
式中,Qcl为分层空调中空调区域冷负荷,W;Qlw为空调区外围护结构得热形成的冷负荷,W;Qln为空调内部散热形成的冷负荷,W;Qx为空调渗透风形成的冷负荷,W;Qf为非空调区向空调区辐射热转移形成的冷负荷,W;Qd为非空调区向空调区对流热转移形成的冷负荷,W;上式的详细资料请参考文献[4]该计算方法的特点是针对分层空调的负荷计算是较完整和成熟,但该计算方法主要是分层空调中以送风气流(中送)划分为两个空调与非空调区域而进行的负荷计算。对于普通办公室空调冷负荷及送风量计算按方法可以参考——蓄热系数法;普通公共场所(非高大空间公共场所)可以参考——常规显热负荷法。
2)确定消除室内冷负荷所需的送风量
置换通风系统的送风量应以下三部分中最大者为设计最小风量L:
(1)国家、行业相关的规定和规范中要求的是最小新风量。本文中主要应遵守《内空气质量标准》中每人30m3/h(8.2L/s)的最低标准要求。
(2)确保室内人员呼吸的二氧化碳浓度不大于100×10-6为主的室内空气品质的要求所需满足的最小送风量。
(3)满足室内人员热舒适性所需的最小送风量要求。
3)确定送风温度
送风温度的计算式为:
式中:Tft=Th-△Thf
其中:△Thf可由公式计算
Qft可由公式计算:
Th是房间的设计温度,Tf t是距地板0.lm处的空气温度,ar和acf的值可以查一些相关的手册,也可以大致取5W/(m2·k)。
4)确定新风量与送风量之比
由于当地的气候条件和实际情况,北欧使用的置换通风通常都是全新风系统(即新风比rf=100%)。但在我国则基于节能的考虑,大多数场合要利用相当一部分的回风。新风比可由下式确定:
式中,Vf,j为保证室内可接受空气品质所需的送风量,m3/s
5)送风口的选择
置换通风送风散流器按设置的位置高低,可分为如下几种:
(1)地面上出风的地板散流器;
(2)侧墙壁出风的阶梯式散流器;
(3)独立地面上出风的柱式散流器。
置换通风送风散流器按出风的风速高低,可分为:
(1)高风速型(v>0.2m/s)如各类置换通风旋流风口;
(2)低风速型(v<=0.2m/s)如各类置换通风旋流风口。
校核散流器送风参数。
合适的散流器应满足温差Δt0.1-1.1(1.8)≤3℃和人员工作区风速v≤0.3m/s(夏季)舒适性要求。
4 结语
随着社会的进步,空调系统的设计和优化也面临新的机遇和挑战。在我国,置换通风空调系统的理论研究还不够深入,工程应用技术也不是十分成熟。置换通风系统的设计不能盲目搬抄设计公式,更重要的是要理解其基本原理和了解各因素对系统舒适性的影响情况以及运用范围。相信随着日后研究的深入,置换通风在我国应用推广中遇到的问题将逐渐得到解决,人们将会享受到这一空调方式带来的“舒适、健康”的室内环境。
参考文献
[1]李龙宇,李强民.置换通风的原理及应用[J].通风除尘,1996(1):127-31.
[2]李强民.置换通风原理、设计及应用[J].暖通空调,2000,30(5):41-46.
[3]H.Skistad.Displacement Ventilation[M].UK:Research Studied Press Ltd,1996.
自然置换通风 篇4
1 基本内容
1. 1 电焊烟尘扩散特点电焊烟尘的粒子粒径范围为1 × 10- 3~ 1 × 102μm, 而粒径0. 1 ~ 1 μm的粒子占87%〔2〕, 它能通过上呼吸道进入肺泡, 在肺部沉积率达50% 以上, 对健康影响最大。它沉降速度极小, 悬浮于空气中随着室内气流而流动。
焊接时在产生电焊烟尘的同时还产生大量的热。周边空气随温度升高, 密度下降而上升, 并吸卷周围空气向房屋顶部流动, 形成烟羽。因此, 电焊烟尘随着烟羽一起运动。焊接时的烟羽开始很微弱, 易受到焊机喷出的保护气体的干扰, 初始烟羽在焊接高温下强烈对流, 当烟羽以较快速度上升到一定高度后, 其温度降至与周围空气相同温度, 再不能继续上升, 便向四周水平扩散并分层, 该高度称为烟羽平衡高度。这一运行过程大约为1 ~ 2 min。之后烟羽慢慢整体呈半稳态缓慢上升, 可将其作为稳态烟羽来研究。焊接烟羽的产生发展过程见图1。
1. 2 置换通风设计要求
1. 2. 1 置换通风应符合的基本条件高大空间、冷负荷不大的建筑物, 室内热源与污染源共存〔3〕。
1. 2. 2 置换通风设计基本参数条件① 站姿 ( 坐姿) , 头部与足部温差 Δthf≤3℃ ( Δthf≤2℃) ; ②吹风风险不满意率PD值不大于15%〔4〕; ③热舒适不满意率PPD值不大于15%〔5〕; ④置换通风房间内的温度梯度小于2℃ /m; ⑤送风速度低, 约为0. 2 ~ 0. 5m / s。
1. 3 焊接车间置换通风特征低于室温2 ~ 4℃ 的洁净空气低速送入车间底部作业区, 在重力作用下聚积在地面形成空气湖, 电焊时加热空气, 产生向上气流, 洁净空气随对流气流形成主导气流向上流动, 若在车间顶壁处烟羽流量大于送风量, 将会有一部分空气下降返回, 而必将在某个水平面上烟羽流量等于送风量, 该平面上的返回空气量为零。这一平面称为热力分层高度 ( 界面) 。状态稳定时, 界面将室内空气分成上、下两区, 上区为紊流混合区, 污染物浓度较高; 下区为单向置换流动区, 以清洁空气替代污染的热空气。因此, 控制界面高度在人员工作区以上, 就可以使工人吸入洁净的空气。车间内热力分层见图2。
2 评价指标
2. 1 换气能力换气效率是理论最短空气龄与实际空气龄之比〔6〕, 用于工作区某点空气被更新的有效性的评价指标。换气效率理论上最高为100% , 只有在理想的活塞流时才有可能实现, 采用全面孔板送风接近这种条件, 但在卫生工程中活塞通风是极少见的。以稀释理论为基础的混合通风的换气效率为30% ~ 60% , 置换通风的换气效率更接近活塞通风, 换气效率可达到70% ~ 80% 。
2. 2 排污能力通风效能系数是指室内污染物被排除快慢的量度, 它是排风口处的污染物浓度与室内平均稳定浓度之比值。通风效能系数越大, 通风系统消除污染物所用的时间越短。一般情况下, 污染源越接近排风口, 远离进风口, 通风效能系数越大。实验表明, 理想的混合通风只有50% ~ 70% , 如发生气流短路时甚至低于50% , 而置换通风的通风效能系数大于混合通风, 为100% ~ 200% 。
3 讨论
焊接车间具有热污同源, 空间高大, 热负荷不高, 作业点和热源都在低处等特点, 这些特点与置换通风的设计条件相符合。置换通风的送风风速要求为0. 2 ~ 0. 5 m/s, 实践表明, 采用置换通风的焊接车间作业区风速小于0. 2 m/s〔7〕, 根据焊接工艺的要求焊接工位风速不能大于0. 3 m/s〔8〕, 可见在工艺上置换通风也能满足其要求。另外, 针对焊接车间特点活塞送风的初投资和运行费用太高, 混合通风的通风效能低、能耗大, 局部通风设置困难、操作不便。综上看来, 置换通风是最适合焊接车间的通风方式。尽管如此, 焊接车间采用置换通风还有其适用条件, 一是适合应用在夏季制冷和冬季无需供暖的工况, 二是车间宜处于封闭状态。另外, 产生烟尘量较大固定区域配合使用局部排风, 才能达到更好的排污效果。
毒物源控制时, 要求有害物质被吸入排毒罩口的过程中不应经过操作者的呼吸带〔9〕, 置换通风下送上排的气流组织方式无法避免烟气不经过作业者呼吸带。本文认为, 从电焊工艺特点、要求及节能考虑, 焊机车间不适用上送下排或下送侧排的通风方式。从实际暴露水平分析, 焊接以短时间断性作业为主, 置换通风在未改变气流组织形式的状态下, 能加快烟尘在呼吸带的滞留时间, 焊接作业一旦停止, 呼吸带的烟尘很快被清洁空气替代, 因此, 在整个作业过程中可使劳动者累积暴露水平大幅度降低。本文中的置换通风主要针对粒径为0. 1 ~ 1 μm的焊接烟尘粒子而言, 在实际焊接作业时根据焊条不同还会产生臭氧、一氧化碳、氮氧化物等多种有害气体, 置换通风对这些有害气体的排除效果目前还缺乏相关资料。
置换通风在国外工业建筑的应用已比较成熟广泛, 我国在近十多年才引进该技术, 并多用于民用建筑中, 在工业厂房的应用并不多见。除适用性方面存在局限的因素外, 还应考虑到置换通风虽然设计原理简单, 但是机理复杂。在焊接车间及其类似特点的适用性厂房的设计时, 需要从污染物的产生量、烟羽理论、扩散模型、温度场等多环节研究。而在卫生工程设施施工时, 则要根据空间大小、封闭程度、工位设置等进行具体考量, 使界面在呼吸带上部是整个设计实施的关键。这方面国内还处于理论研究和探索阶段。要使置换通风在焊接车间得到较好的应用, 还需要卫生工程和职业卫生研究者付诸努力。
关键词：置换通风,焊接车间,电焊烟尘
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置换通风在中压开关柜中的应用 篇5
随着国民经济的飞速发展以及用电负荷的不断增加, 以空气绝缘为主的交流金属封闭开关设备 (以下简称为开关柜) , 已普遍应用于配电网中。然而, 长期的运行经验表明, 温升问题对于此类开关柜的长期运行影响很大。
目前, 开关柜一般是在高压隔室顶部使用可通风的钣金件, 利用空气进行热交换来达到散热目的。此种方式有一定的散热效果, 但散热方式单一, 散热通道不通畅, 不能有效利用对流进行散热, 易造成柜内的通流元件温升超标。另外, 开关柜型式试验中的温升数据, 并不能完全反映实际运行中的开关柜温升水平。特别是长期运行于负荷较重的地区, 由于长时间温升的累积效应, 运行中的开关柜实际温升水平通常都要超过试验室测出的温升数据。
综上所述, 目前运行的开关柜仍然具有一定的温升超标的隐患, 有必要对其通风系统进行改进设计, 优化开关柜内气流通道, 以便于提高开关柜散热系统的运行效率, 从而有效地控制开关柜温升水平。
1 开关柜的热源
高压电器在工作时, 交变电流会使设备产生载流导体的电阻损耗、磁导体的涡流和磁滞损耗及电绝缘材料的介质损耗, 这些损耗绝大部分转变热能, 与柜外环境热能构成开关柜的热源。
电阻损耗是交变电流通过导体时产生的, 与开关柜的回路电阻有关, 回路电阻是导体电阻与触头电阻之和。一般考核开关柜电阻损耗的回路电阻是在直流状态下的测量的, 其实在交流状态下因集肤效应和导体的邻近效应, 会比直流状态下稍大。对于目前使用最多的可移开式开关柜, 因触头压力的限制及经常分合过程的热、化学和机械作用, 会使触头电阻快速增加, 甚至比导体电阻大很多。因此, 电阻损耗在长期运行过程中是会不断增加的。
交流通电导体附近的钢铁件会产生铁磁损耗 (包括涡流和磁滞损耗) , 与材料特性、电流频率和磁场强度有关。尤以通电导体穿过铁磁材料的封闭环时最为严重。额定电流1 600 A以上的开关柜设计是必须采取抑制措施。
绝缘体在交变电场作用下会产生介质损耗, 与交变电场的电场强度和频率有关。
根据开关柜实际运行情况, 介质损耗发热和环境传热对于电阻损耗发热可以说是相对比较小的, 而铁磁损耗发热在改用非磁性材料或采用非磁性间隙等扼制措施后能够有效降低。但主回路的电阻损耗在目前的实用技术中, 无法有效降低, 其产生的热量也是开关柜中比重较大而且暂时又无法减少, 成为开关柜主要的热源。
2 开关柜的散热
正常工作时, 开关柜的热源产生热量, 使开关柜的温度升高发热。温升问题解决的不好, 会导致开关柜本体或内部设备在提前老化, 出现重大事故。例如, 开关柜过热易导致绝缘损坏, 从而产生放电以致出现主绝缘击穿, 造成设备损坏。此外, 开关柜过热还会导致误动作、降低零部件可靠性等。因此开关柜的散热设计是一项重要的技术。
热量的散失主要有热辐射、热传导、热对流这三种散热方式。热辐射就是热能转化成辐射能进行电磁波的传递;热传导是物体上温度不均匀或有温差时热能转移的现象, 开关柜的热传导主要发生在截流导体将热量传递到与其接触的设备上;热对流是物体表面与相接触的流体间有温差时出现的传热现象, 对开关而言就是空气流将发热导体及设备上的热量吸收, 在大电流柜中经常使用风扇等设备造成强迫对流进行散热, 热对流是其主要的散热方式。
开关柜中, 热传导主要发生在载流导体及其搭接件, 而热辐射功率是随着零件表面状况的黑度与热力学温度的增加而加大。这两种散热方式基本是相对稳定的, 不能主导开关柜的散热。
以空气绝缘的开关柜内部的空间充裕, 对流是其主要的散热手段, 可增加风道设计, 从而提高散热效果、降低温升。
3 置换通风的原理
在一个工作空间的底部和顶部分别设置进风口和出风口, 将新鲜空气从工作区底部直接送入, 新鲜空气温度通常低于内部的温度, 而较凉的新鲜空气由于密度大而下沉, 并在底部扩散形成一层较薄的空气湖。
工作区内的热源引起的热对流气流使工作区内产生垂直的温度梯度, 形成工作区内部向上的对流气流。新鲜空气在工作区内随热源产生的热量被加热, 密度减小而向上流动, 形成内部空气运动的气流。气流使得热污空气在顶部的排风口排出。这种通风方式也称为热置换通风。置换通风的流态如图1所示。
4 置换通风原理在开关柜的运用
众所周知, 空气的对流气流能有效将热源的热量进行扩散, 从而降低热源的温度。空气的气压是与温度成反向增长的, 也就是说热空气的气压会比冷空气的气压低, 冷热空气的气压差是对流气流的直接推动力。开关柜本身的热源 (导电回路发热) 使得内部空气有热力分层的现象, 会形成开关柜内部上下不同部位有着气压差。因而, 可利用此原理对开关柜的通风系统进行优化设计。
根据置换通风原理可知, 置换通风系统是由进风口、热源、对流气流、出风口构成, 其主导气流是由工作区内产生的热源所驱动的。在开关柜上增加进、出风口与其自身的热源就能形成置换通风的结构框架, 从而具备置换通风的设计条件。
在开关柜的底部与顶部分别设计有送风口与进风口。新鲜空气进入开关柜后, 在热源周围形被加热成低压区, 与底部冷空气构成气压差, 可直接导致新鲜空气会随气压差向上部流动, 形成设备内部空气运动气流。热空气通过设置在开关柜顶部的排风口排出柜外, 柜内因热空气的排出而压力减小。进而使得在柜底部设置的进风口能自动补充新鲜空气, 形成柜内连续的空气流动, 不断带走热源产生的热量, 有效地降低开关柜内的温升。开关柜置换通风的气流如图2所示。
5 实例说明
开关柜的高压隔室有:手车室 (图2中A区域) 、母线室 (图2中B区域) 、电缆室 (图2中C区域) 。各高压隔室是柜内热源聚积区, 是以降低温升为直接目标。
开关设备置换通风系统实施如图3所示。
其主要由以下部分组成:
(1) 上分支母排、下分支母排、断路器的上下触臂与极柱、各导体的搭接处形成开关设备的主要热源, 甚至位于载流导体附近的钢板也能产生涡流形成热源; (2) 设备前侧的中隔板以网格方式形成断路器隔室的送风口; (3) 后侧的后下门板下侧以百叶窗方式形成底部送风口, 作用于母线隔室与电缆隔室; (4) 中隔板后部以百叶窗方式形成断路器隔室的畅通风道对流口; (5) 母线室弯板以百叶窗方式形成电缆隔室与母线隔室的畅通风道对流口; (6) 设备上方断路器隔室与母线隔室的顶板以百叶窗方式形成各自的排风口。
6 结语
自然置换通风 篇6
最近几年, 辐射供冷得到了人们的广泛关注, 因为它具有高效、舒适等优点, 而地板辐射供冷加置换通风空调方式是现在非常有应用前景的空调方式。地板辐射供冷主要原理是由供冷部件与维护结构内表面和人体进行的辐射换热。研究调查表明, 1.8m处的人体温度场分布基本接近理想状态。空调房间就是通过地板辐射供冷与置换通风两个条件提供制冷制热功能, 但是辐射供冷在空调使用过程中暴漏出单位热强度低、易结露等等问题。置换通风的工作原理是利用空气的密度差形成的热气流上升而冷气流下降, 它的送风分布器一般都是安装在地板附近, 送风的面积较大, 出风口风速一般低于是0.5m/s。置换通风用于采暖时, 对于送风就没有湿度的要求。据相关研究表明, 置换通风能够将地面与室内的对流换热效果强化, 使用地板辐射供冷加置换通风空调方式复合系统时, 地面与室内空气的对流换热系数高出单独使用地板供冷时约45%, 导致总换热系数高出约30%, 也就是说, 温差相同时, 复合系统的供冷能力要高约30%[1]。本文为了解决这些问题, 现对“地板辐射供冷加置换通风空调方式”下的室内热环境进行数值模拟, 研究室内的温度、湿度、速度分布规律, 为这种空调方式的设计提供理论依据。
1 空调房间热环境数值模拟模型的建立
空调房间热环境数值模拟模型依据中部地区夏季气象参数, 研究对象是一间普通的两人办公室, 室内设计温度为26℃, 设计相对湿度为60%, 其对应的露点温度为18.03℃;房间内人体的散热、散湿量都是以成年男子为基本标准值;其中, 末端送回风设备是由单层格栅回风口、半圆柱型置换通风器等构成。
1.1 模拟房间模型
模拟房间尺寸长×宽×高为4.2m×3.3m×2.8m, 如图1所示。
1.2 室内模拟参数的确定
1.2.1 房间送风温度确定
现阶段, 国外已有很多学者将目光投入到置换通风系统的研究上, 国内诸多的理论研究和工程实践表明, 置换通风系统中的温差是可以得到保证的。置换通风系统的送风温度可以低至18℃, 一般而言, 地板供冷系统的地面温度不会低于ASHRAE提出对坐着的轻体力劳动者的温度, 所以地面适用的温度为18~26℃, 因而地板供冷中的对流成份约为20%, 并不会使房间的负温度梯度增大, 地板表面温度分布一般也比较均匀, 不会对室内温度梯度造成显著的影响[2]。当采用置换通风时, 根据冷湿负荷计算来确定送风温、湿度的参数, 基本上置换通风系统采用的送风温度保持在23~l9℃, 相对于室内温度26℃来说, 送风温差控制在3~7K范围内。室内除人员外无其他发湿源时送风湿差可采用4~5g/kg。
1.2.2 地板表面温度的确定
本文中的模型的地板表面温度是根据北京建筑工程学院邱林等人实验测量的干式结构地板情况进行数据取样, 地表面温度见表1。
2 空调房间热环境数值模拟结果分析
本次模型中的状态1和状态2, 通过改变地板表面温度, 送入比室内设计温度相对较低的温度来模拟辐射供冷的情况;状态3和状态4通过改变地板表面温度, 送入比室内设计温度相对较高的温度来模拟辐射供冷情况。
2.1 室内温度场的模拟结果及分析 (见图2)
由图2所示, 通过以上温度场模拟的结果中进行比较, 结果可以看出, 送风温度与地板表面温度温差较大时, 室内工作区域的温度场分布较为均匀;送风温度与地板表面温度温差较小时;室内的温度分层较为明显。
2.2 室内相对湿度场模拟结果及分析 (见图3)
由图3所示, 通过以上湿度场模拟的结果中进行比较, 结果可以看出, 室内的湿度场均按层分布, 随高度增加相对湿度减小, 温差较大时, 室内工作区的相对湿度较小;地面与送风温差较小时, 室内工作区的相对湿度较大。
2.3 不同的送风温度和地板表面温度下模拟结果分析
本次模型中的数据通过的分析结果得出, 状态1和状态3通过改变地板辐射表面温度和送风温度, 当地板表面温度较高时, 可降低送风温度, 保证室内人员的热舒适, 同时送风温度不要太低, 可以避免室内产生结露现象;在地板表面温度达到较低状态时, 提高送风的温度, 实现节能[3]。接下来, 笔者就研究人体的热舒适分布。在此情况下, 由温度场图2a) , 2c) 和相对湿度场图3a) , 3c) 可以得出以下结论:大温差送风时, 室内的温度场和湿度场模拟的结果显示湿度较小, 温度分布均匀是我们想要的理想状态。
2.4 不同的送风温度和相同的地板表面下模拟结果分析
状态2和状态4是通过改变送风温度来比较相同的地板辐射供冷的情况下, 送风温度对室内人体的热舒适的影响程度。由温度场图2b) , 2c) 及相对湿度场图3b) , 3c) 可知:在相同的地板温度条件下, 送风温度相对较高时, 室内温、湿度场分布较理想, 此时, 室内既不会有结露现象, 又达到节能的目的。
综合分析前面得出的温度场和相对湿度场模拟结果, 取人员工作区域的地板表面、离地0.1m, 1.1m及1.8m处的温、湿度数据进行比较, 得出具体的室内温湿度分布及热舒适情况, 温湿度图表如图4a) 和4b) 所示。
由图4可知, 根据国际标准IS07730的推荐值, 人体在0.1~1.1m之间的的热湿环境中, 温差不能超过3℃, 才能保证人体的舒适性。
2.5 PMV与PPD模拟结果及分析
本文模拟办公室工作人员状态为坐立办公 ( (sedentary activity) , 新陈代谢率为1.2met;其衣着情况, 如表2所示。
分别模拟在casel-4情况下PMV与PPD值。为了较为直观的反映人体的热舒适性, 如下的面截图是人体中间y=2.6m处及脚部位点c (1.5, 2.0) 至点d ( (1.5, 2, 2.8) 的截图、模型中央点e (2.1, 1.65, 0) 至点f (2.1, 1.65, 2.8) 。
根据Fanger提出的人体的热感觉PMV和预测不满意百分比PPD, 见表3所示PMV热感觉标尺。
当PMV=0时, PPD为5%。它表示, 在最佳热舒适状态的室内热环境中, 仍有5%的人感到不满意。因此IS07730对PMV-PPD指标推荐值在-0.5~+0.5之间, 相当于人群中允许有10%的人感觉不满意。由以上的PMV值可看出:在点a~b的0.6~1.2m处, 由于电脑和人体的散热源比较集中, 其PMV值较大, 在0.1~1.1m的PMV值在-0.2~1.2;在室内中央点c~d处0.1~1.1m的PMV值在-0.6~0.6[4]。
在现实生活中, 地板材料不同, 会影响传热系数, 传热系数大的材料, 自脚底传热更凉一些同样, 穿鞋和没穿鞋的人, 对热的感觉也是不一的。
结果表明:典型工况和casel状态下人员最舒适, case2相对较case3舒适, case3模拟了地板辐射温度较低时, 送入6℃温差新风, 置换通风送风温度过高, 达不到设计要求;case4由于送风温度和地板表面温度过高, 人员热舒适得不到保证。
3 结束语
本文利用Fluent软件建立辐射模型, 运用Tecplot后处理软件进行处理。通过模拟结果, 分析了不同情况下的气流组织、温度场、湿度场, 并运用PMV-PPD热舒适性模拟进行分析。保证人员觉得热舒适的前提下, 为防止地板表面结露, 得出了置换通风与地板辐射供冷复合式空调系统的运行参数, 数据表明, 置换通风的送风温度只能低于或者等于室内设计温度, 一般要低于2~4℃, 同时地板表面温度控制在19~23℃, 送风相对湿度控制在50~55%范围内较适宜。
摘要：本文建立了地板辐射供冷与置换通风空调房间热环境模拟模型, 利用fluent软件对室内的热湿分布情况进行了模拟;并且在室内冷负荷达到最大值时, 通过模拟等温和非等温送风情况下不同的地板表面温度所形成的温度场和相对湿度场;运用PMV-PPD热舒适指标进行分析, 得出了人体在基本满足热舒适情况下的空调系统参数的变化。
关键词：地板供冷,置换通风,热舒适,能耗模拟,数值分析
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自然通风机理与通风口优化研究 篇7
关键词：自然通风,CFD,通风口优化
1 概述
城市隧道顶部开口型自然通风方式是指沿隧道前进方向的顶部间隔一定距离布置通风口与外界大气连通, 充分利用隧道内、外热压、自然风压和车辆行驶时的交通风压等动力进行隧道内、外空气交流的一种通风方式[1]。隧道顶部自然通风口吸进的新鲜空气能够稀释隧道内污染空气达到降低污染空气浓度的目的, 通风口排出的污染空气能够降低隧道内污染空气中的污染物总量从而达到分流空气中污染物的目的, 因此对于开设顶部开口的城市隧道, 无论自然通风口是处于进风还是排风状态, 其对隧道到通风系统产生的作用都认为是有利的。城市公路隧道相对于山岭公路隧道而言, 通常埋深都较浅, 覆土较薄, 在不影响路面交通情况和地面建筑的情况前提下, 有利于设置自然通风口, 设置自然通风口不需要消耗电能, 利用天然的压差进行通风, 具有十分显著的经济效益[2]。显而易见, 顶部开口的面积越大, 越有利于整个隧道系统的自然通风, 但是城市隧道对于占地要求相对较高, 往往隧道沿线的绿化和景观布置有一定的要求, 限制条件较多, 需要在有限的面积和约束之下对通风口的大小、形状以及间距等进行合理设计。目前在城市隧道的通风系统中设置顶部通风口已经渐渐成为一种设计趋势, 然而对于通风口的开口面积、开口形状、通风口间隔布置的区间长度等因素还没有进行过系统的研究, 形成的结论对工程建设的指导意义不大[3]。本文旨在通过CFD数值计算手段, 开展自然通风机理与通风口优化研究, 为武汉东湖通道口的自然通风方式在城市道路隧道中的应用提供支持。
2 计算工况
主要通过Fluent动网格技术模拟隧道内行驶车辆引起的交通风对自然通风系统的作用机理, 以及对自然通风口进、排风的影响, 通过自然通风口处压力和速度的变化评判自然通风系统的效率, 进而优化自然通风口设计方案。这部分共分析计算了19种工况, 工况表如表1所示, 其中工况十五和工况十六为三维动网格数值模拟, 其他工况为二维动网格数值模拟。自然通风口优化主要通过二维动网格数值模拟研究, 以武汉市东湖通道右线自然通风段为研究对象进行分析计算, 里程为DHTDK5+100~DHTDK6+500, 模型长度1 400 m。由于计算时间限制, 三维动网格数值模拟计算了长度为200 m的模型, 重点分析了一组 (3个) 通风口分布在小车和大车通过时的压力和速度变化规律, 对比分析了自然通风机理。
3 计算参数
本文主要以武汉市东湖通道右线自然通风段为研究对象进行分析计算, 相关的分析结论也可供左线隧道参考。模型长度1 400 m (对应隧道里程为DHTDK5+100~DHTDK6+500) 。隧道内交通风由匀速行驶的车辆产生, 车辆包括小型车和大型车。小型车尺寸:4.8 m×1.5 m (长×高) , 大型车尺寸:8 m×3.2 m (长×高) 。
3.1 边界条件
交通车流引起的隧道内部的空气流动属于非定常流动, 流场中的流动变化模拟需要在一定的初始条件下才能进行描述, 对于不同类型的问题, 初始条件对数值计算的影响也是不同的。通常如果初始条件给定的不合理, 所要计算的问题会随着计算时间的推移慢慢偏离初始条件的影响, 在非定常流动的数值计算中, 不合理的初始条件极易造成数值计算结果的误差甚至是造成数值解远远偏离理论解析解。通常对于非定常流动求解的一般思路是:先通过某个特定的方法得到一个大致解, 形成一个近似的初始场, 进而以此初始场为初始条件, 进行迭代求解。边界条件是在求解区域边界上所要求解变量或者其一阶导数所需要满足的条件与约束。
隧道入口处的边界条件包含:质量入口、速度入口以及压力入口等参数, 质量和速度等变量在隧道入口处都是一个变化的量, 无法进行合理的设置以及预测, 在本次计算过程中, 隧道入口暂定为压力入口边界条件 (pressure-inlet) , 采用隧道入口的压力等于大气压力的初始条件;隧道出口:为了研究交通风对隧道内压力和速度场的影响, 出口设置为outflow用在求解流动问题之前, 这种边界条件用在流动速度和压力细节未知的场合, 适合于在出口上的流动为完全发展的情况;自然通风口:设置为出口通风边界条件 (outlet-vent) , 环境 (出口) 的压力为大气压。在数值计算中把汽车设置成具备一定粗糙度和移动速度的墙体, 认为汽车是一个能够移动的刚性体, 对于实际情况而言, 这是合理的。
3.2 网格类型
影响网格类型选择的主要因素包括:划分网格的耗时, 计算的时间代价, 数值耗散的大小以及收敛速度等各种因素, 尤其需要注意是否能够满足自然通风模型所需要动网格方式要求。当所计算的数值模型具有较为复杂的几何外形的时候, 采用结构网格或者块结构网格要花费极大的计算时间代价, 有一些时候甚至根本无法得到合理的结构网格。对于三角形网格和四面体网格, 可以通过使用尺寸函数进行局部加密网格, 从而对网格数量进行合理控制, 然而, 四边形网格和六面体网格由于不能实现这个功能, 会在不需要加密网格的地方产生大量不必要的单元, 对网格数量的控制极为不利。
3.3 网格数量设计
数值耗散是在三维及多维条件下数值模拟计算的主要误差来源, 准确的说, 所有解决流体问题的计算格式都会产生耗散现象, 数值耗散在误差分析中属于截断误差的一种, 是控制方程的偏导数与离散估计值形成的差值。数值耗散最小的网格是结构网格, 因为可以和流动在一条直线上, 但是三角形网格和四面体网格和流动无法形成一条直线, 因此相比于结构网格而言数值耗散也较大。此外, 网格的分辨率也会影响到数值耗散量的大小, 两者之间成反比关系。通常来说, 对网格的精细化剖分是可以解决数值耗散的问题的, 然后在流体的数值计算中, 越复杂的网格对于计算机的要求越高, CPU计算的时间和资源要求越高, 往往要花费更大的代价进行一次数值计算。综上所述, 在进行CFD数值计算过程中, 原则上在能够满足计算精度的前提和条件下, 我们的网格精度越小, 网格划分越少, 在数值计算中的计算效率越高, 基于以上分析, 在这次自然通风的数值计算中, 尤其需要注意的是车辆周围区域和自然通风口附近区域的网络划分与流场变化。
3.4 二维与三维的计算关系
轴对称的假设可以使空间坐标从三个简化为两个, 控制方程的形式和数目也会减少, 对于计算代价的节省有显著的优点。隧道结构本身属于长条形、线性结构, 东湖隧道的横断面也是轴对称结构, 可以看作是一个轴对称的工程结构体, 因此在CFD计算中采用轴对称的方法就可以采用二维计算模型从而使控制方程的形式和数目大为减化, 加快此次计算的收敛速度。
在隧道自然通风系统的数值模拟研究中, 二维计算模型的计算周期较短, 计算代价较小, 但其计算合理性和准确性需要通过三维计算进行验证和修正。
3.5 通风口风量
每个风口风量通过下式计算:
其中, N为单个风口总风量;Vi为风口出口处 (h=10.1 m) 各个点的速度, 每隔0.1 m选取一个点。对于长度为4 m的通风口, 每个风口共40个点;对于长度为6 m的通风口, 每个风口共60个点;对于长度为8 m的通风口, 每个风口共80个点;b为各个选定速度点之间间距, 取0.1 m;l为通风口横向宽度, 取7.85 m;α为二维计算结果折减系数, 取为0.23, 此时的二维风量计算结果基本与三维计算的风量结果一致。二维动网格模型对于风口风量的变化有加强效应, 风量的绝对值根据三维动网格模型的计算结果进行了修正, 将结果折减系数取为0.23, 此时, 风速基本能够反映相同工况参数下三维模型的计算结果。
自然通风系统局部通风示意图见图1。
4 结论与建议
基于对自然通风机理的认识及分析, 对东湖隧道自然通风口优化设计有以下结论与建议, 东湖通道自然通风口设置参数建议取值如表2所示。
1) 在地面条件允许的情况下, 建议增加每组通风口的数量 (5个~6个) , 减小各组通风口的间距。各组通风口间距应处于一定的范围内, 不宜过大。目前江苏省颁布的DGJ32/TJ 102-2010城市隧道竖井型自然通风设计与验收规范[5]仅给出了通风口间距上限, 即不加辅助风机时, 竖井间距不得大于240 m, 对于通风口间距的下限 (通风口间距应大于一定距离) 并未作出明确的规定。现有设计方案已经符合《规范》对相邻两组通风口间距的要求, 建议在维持原有通风口分组间距方案基础上, 通过调整通风口长度、每组通风口数量、相邻通风口间距和通风口形式以更有效的利用自然通风口通风换气。
2) 工况一、工况二和工况三对比分析了隧道内行车车速对自然通风的影响。工况二 (车速为40 km/h) 各组通风口中峰值排风量相对于工况一 (车速为60 km/h) 的峰值排风量下降约30%。工况三 (车速为20 km/h) 各组通风口中峰值排风量相对于工况一 (车速为60 km/h) 的峰值排风量下降约30%。因此, 保证隧道的畅通运营, 以最大限度的发挥自然通风口的作用。
3) 工况一、工况四和工况五对比分析了车辆组成对自然通风的影响, 大型车对排风效果的影响较为显著。工况四 (全为小车) 各组通风口中峰值排风量相对于工况一 (四辆大车和四辆小车) 的峰值排风量下降约30%。
4) 工况五、工况六和工况七对比分析了通风口长度 (沿X轴) 对自然通风的影响。风量计算时, 通风口宽度与设计方案一致, 取为7.85 m。通风口长度从4 m加长为6 m, 使得峰值排风量上升约50%。通风口长度从4 m加长为8 m, 使得峰值排风量上升约1倍。通风口的峰值排风量与通风口长度呈线性关系, 建议在条件允许的情况下可以增大通风口长度 (6 m~8 m) , 从而更好的利用自然通风口进行换气。
5) 工况五、工况八和工况九对比分析了每组通风内部相邻通风口的间距对自然通风效果的影响。研究结果表明, 改变通风口之间的间距 (6 m变为2 m或10 m) , 保持通风口长度不变, 对自然通风口的峰值排风量的影响不明显。因此, 建议在不改变现有方案通风口分组间距及布置位置的基础上, 通过减小通风口间距 (2 m~6 m) , 增加通风口长度或数量, 以增大自然通风口的峰值进、排风量。
6) 工况十、工况十一和工况十二对比分析了分组设置通风口时, 每组中通风口数量对自然通风的影响。研究结果表明, 增加每组中通风口数量对风口的进、排风效果并不能产生显著影响。但是, 由于风口数量增加, 总体进、排风效果增大, 建议每组布置5个~6个通风口。
7) 工况五和工况十三对比分析了车道层高度变化对自然通风的影响。研究结果表明, 降低车道层高度, 增大车辆断面与隧道横断面比值, 能够增加通风口进、排风量。此外, 降低自然通风口高度也有利于提高自然通风口的换气效率。在工程条件允许的基础上, 建议将隧道高度降为4.5 m。
8) 工况五和工况十四对比分析了设置局部导流 (45°切角) 对自然通风的影响。设置局部导流 (45°切角) 后, 与其他参数相同的工况相比, 各组通风口中峰值排风量上升约50%, 其效果与加大通风口长度相似。因此, 建议在有条件增加通风口长度的情况下, 应增加通风口长度;当由于场地限制无法增加通风口长度时, 也可以通过设置通风口局部导流达到相似的效果;在增加通风口长度的同时设置局部导流能够进一步加强自然通风口换气效果。
参考文献
[1]葛家美.城市隧道顶部开孔自然通风研究[D].成都:西南交通大学, 2010.
[2]胡春艳.市政公路隧道顶部开孔自然通风研究[D].成都:西南交通大学, 2007.
[3]陈玉远, 甘甜.自然通风在城市道路隧道中的应用研究[J].隧道建设, 2012, 32 (3) :350-354.
[4]涂江峰.竖井型城市隧道火灾烟气流动模拟分析[J].洁净与空调技术, 2012, 73 (1) :1-3, 13.