温和地区某卷烟厂建筑通风分析与优化

李新中

中国建筑设计咨询有限公司

0 引言

在影响建筑热环境的众多因素当中，通风对室内环境的影响是直接和瞬时的，其与室内空气混合后，会立刻影响室内空气的状态[1]。当室外的空气温湿度未处于室内温湿度舒适范围时，自然通风和渗透会成为建筑的冷热负荷，如果形成的冷热负荷与室内原有的负荷是同向的关系，则会增加空调系统的能耗；反之，则可以利用自然通风降低系统能耗。因此自然通风的合理利用不仅是降低建筑能耗的有效措施之一，而且有利于降低室内污染物及CO2浓度。

本文以某卷烟厂易地技术改造项目为例，研究了影响联合工房制丝车间自然通风的因素，提出合理改善建议，尽可能利用自然通风满足非空调区域的室内温湿度参数要求，并对改进后制丝车间的自然通风状况下的热环境评价。

1 研究方法及计算模型

采用计算流体动力学（CFD）分析方法，计算软件采用FLUENT6.3。

联合工房平面分区如图1所示，其中A区为制丝车间，尺寸为367.5 m×120.0 m×18 m，车间跨度较大，内部构造相对简单；车间的长度约为宽度的3倍，大部分区域的剖面形状一致。

图1 联合工房平面分区示意图

基于车间的尺寸特点，可认为气流在长度方向上的流动规律基本一致，计算中将低雷诺数湍流模型的全三维模型简化为二维模型[2]。在二维简化过程中，将设置了通风采光窗的屋面整体视为出口边界条件，出口边界条件由数值风洞方法确定；将金属隔栅视为局部无厚度的阻力部件，网架则采用多孔介质模型来处理。

3 车间通风量影响因素研究

3.1 热源强度对制丝车间通风量影响研究

模拟分析了夏季工况，室外空气温度23℃，室内热源热流密度分别为 10 W/m2、20 W/m2、50 W/m2和100 W/m2四种工况。

对不同热源强度下的通风量进行统计，可以看出，通风量与热源强度大小基本无关，这是因为通风量除了与热源强度有关外，还与建筑高度有关。由于本建筑高度较大，建筑高度对通风量影响更大；而热源强度本身变化不大，其对通风量影响有限。

图2 通风量与热源强度关系

3.2 侧窗位置对制丝车间通风量影响研究

侧窗位置对制丝车间的通风量有着显著影响[3-4]。制丝车间侧窗的原中心位置位于左侧墙体3.0 m高度，分别计算了下移0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m等六种工况，以分析侧窗的不同高度位置对通风量影响（图3）。

图3 通风量随侧窗高度变化

从图3可以看出，随着侧窗的下移通风量越来越大，但增大的趋势随着侧窗位置下移渐缓。这是由于侧窗的下移导致进、出风口的实际高差增大，进而增大了浮升力作用，从而导致通风量的增大。因此可以适当考虑侧窗位置下移以增大通风量。

3.3 侧窗、屋面阻力对通风量影响研究

模型中侧窗和屋面分别作为进、出风口进行设定，通过改变侧窗和屋面局部阻力系数来研究其对通风量的影响。

3.3.1 屋面局部阻力系数对通风量影响的敏感性分析

分别计算了侧窗局部阻力系数ζ＝5.0、20、60和100等四种工况下，变化屋面局部阻力系数时通风量的变化（图4）。

图4 屋面局部阻力系数与通风量关系

从图4中可以看出，当屋面的局部阻力系数大于1500以后，侧窗局部阻力系数的改变对车间的通风量影响不大，说明屋面的局部阻力系数大到一定程度以后，侧窗做法对通风量的影响趋于稳定，通风量对屋面阻力系数的变化更为敏感。

3.3.2 侧窗局部阻力系数对通风量影响的敏感性分析

分别计算了屋面局部阻力系数ζ＝2.0、500、1000和1545.75等四种工况下，变化侧窗局部阻力系数时通风量的变化（图5）。

图5 侧窗局部阻力系数与通风量关系

从图5中可以看出，当侧窗的局部阻力系数大于20以后，屋面局部阻力系数的改变对车间的通风量影响不大，说明侧窗的局部阻力系数大到一定程度以后，屋面做法对通风量的影响趋于稳定，通风量对侧窗阻力系数的变化更为敏感。

3.4 气流组织形式对通风量影响研究

分别模拟计算了四种工况，第一种是设计工况（西侧通风口有窗户、通风百叶及侧墙顶部的通风窗），第二种是左侧屋面半开，第三种是右侧屋面半开，第四种是屋面全开。模型中屋面的局部阻力系数为1545.75，侧窗的局部阻力系数为20，热源强度为250 W/m2。

图6 通风量变化

从气流速度及温度场分布情况来看，屋面全开时气流组织状况最好，工作区的流速均匀且速度适中，温度分布较为均匀，没有形成局部过热情况。

图6为各工况下通风量的变化情况，屋面全开时由于通风面积大，通风量也最大。综合来看，屋面全开工况最好，其缺点主要为施工量较大。

4 制丝车间热环境评价

本项目优化方案为车间屋面全开，侧墙顶部设通风窗，车间的通风量为1125509 m3/h，换气次数为3.3次/h。

对工作区取了五个典型位置，位置高度为1.5 m，水平方向取 15.0 m、30.0 m、45.0 m、60.0 m、75.0 m，统计各个位置的速度、温度和相对湿度，并对热环境PMV-PPD进行评价[5-6]。

设热源为250 W/m2、湿源为100 g/(m3h)，取放松站立工作状态下的劳动强度（人体活动量取1.2 met）和着工作服时的衣服热阻（热阻取1.0 clo）进行计算，结果如表1所示，从表1中计算可以看出，大部分区域的热环境处于中性状态。

表1 PMV-PPD计算结果

5 结论

1）通风量与车间内部热源强度大小关系不大，通风量主要受到厂房高度影响；

2）侧窗位置对车间通风量影响较大，随着侧窗的不断下移，通风量逐渐增大；

3）屋面及侧窗通风量均随着局部阻力系数增大逐渐减小，敏感性分析结果表明，侧窗的局部阻力系数变化对通风量改变更为敏感；

4）对气流组织形式与通风量关系进行研究，研究了四种工况，从气流速度分布及温度场分布情况来看，屋面全开时气流组织状况最好；

5）根据制丝车间的优化通风方案，对车间现状内部热环境进行评价大部分区域热环境处于中性状态。