室内余热强度和通风换气次数对工业厂房湿球黑球温度影响研究*

熊慧慧 孟晓静, 2 贾开发

(1.西安建筑科技大学资源工程学院 西安 710055；2.西部绿色建筑国家重点实验室 西安 710055)

0 引言

由于生产工艺的需求，工业厂房往往存在高温热源向室内散发大量余热，室内余热强度通常为10～50 W/m3[1]。孟晓静等[2]在对某钢铁厂房环境调研和测试中发现，夏季室内温度基本超过35 ℃，局部工作区辐射温度达到100 ℃，室内环境远远不能满足职业卫生的要求。在夏热地区，某钢铁厂热车间室内平均温度经常在45 ℃以上，工作人员中暑现象时常发生[3]。因此，工业厂房高温作业环境下作业人员的安全健康受到广泛关注。

湿球黑球温度(WBGT)是综合评价人体接触作业环境热负荷的一个基本参量[4]。吕石磊等[5]分析了高温高湿环境下不同WBGT值对劳动者忍耐时间的影响程度，提出了WBGT与忍耐时间的回归关系式。许孟楠等[6]发现在高温环境下,心率与实际活动水平具有良好的线性关系，提出了不同心率区间的WBGT 指数限值。WANG Y等[7]建立了基于室内环境标准参数空气温度、平均辐射温度、空气相对湿度及空气速度的室内WBGT预测模型。 CHOWDHURY S等[8]利用热环境动态模拟软件EnergyPlus，提出了预测生产厂房全年WBGT值的方法。WBGT是目前应用最为广泛的热应力指标，被国内外职业卫生标准用来评价高温职业暴露风险，如GBZ 2.2—2007[9]和ISO 7243:2017[10]。

针对高污染散发的工业厂房，室内余热强度和通风换气次数是影响室内热环境的主要因素[11]。本文在现有WBGT预测模型的基础上，利用热环境动态模拟软件EnergyPlus，以西安市某工业厂房为例，研究不同气候区条件下室内余热强度和通风换气次数对夏季室内WBGT的影响规律，根据职业卫生标准高温职业接触限值对高温职业暴露风险进行评价。

1 湿球黑球温度预测模型

建筑室内WBGT值的计算公式[4]为：

WBGT值=0.7tnw+0.3tg

(1)

式中，tnw为自然湿球温度，℃；tg为黑球温度，℃。

可以看出，室内WBGT是自然湿球温度和黑球温度的关系式，而不是室内环境参数的关系式，导致WBGT只能应用于既有建筑的热环境评价，而无法为建筑热环境设计提供指导[7]。WANG Y等[7]、高洁[12]基于室内热环境标准参数建立了室内WBGT预测模型，湿球和黑球的热平衡方程式为：

σεw[(tr+273.15)4-(tw+273.15)4]+hw(ta-tw)=he(pw-pa)

(2)

σεg[(tg+273.15)4-(tr+273.15)4]+hg(tg-ta)=0

(3)

式中，σ为Stefan-Boltzman系数，为5.67×10-8；εw为湿球棉芯表面的辐射发射率，一般为0.95；εg为黑球的发射率，一般为1；tr为平均辐射温度，℃；ta为空气温度，℃；hw为湿球棉芯表面的对流传热系数，W/(m2·℃)；he为湿球棉芯表面的对流传质系数，W/(m2·℃)；hg为黑球表面综合对流换热系数，W/(m2·℃)；pw为湿球棉芯表面的饱和水蒸气分压力，kPa；pa为空气中的水蒸气分压力，kPa。

将室内空气温度、平均辐射温度、空气速度及空气相对湿度等参数代入式(2)和式(3)中，可以得到自然湿球温度和黑球温度，然后根据式(1)可以得到WBGT值。为分析工业厂房在整个夏季的WBGT变化规律，室内空气温度和相对湿度的动态变化通过数值模拟方法获取。相关研究表明，空气流速对WBGT的影响较小[7]，在本文中取定值。平均辐射温度的计算参照文献[12]，如式(4)所示。

tr=

273.15

(4)

式中，εs为热源表面辐射率；εi为厂房围护结构表面辐射率；Fp-s为人体与热源表面之间的角系数；Fp-i为人体与围护结构表面之间的角系数；ts为热源表面温度；ti为围护结构表面温度。

2 数值模拟方法

本文采用EnergyPlus软件对工业厂房室内热环境参数进行动态模拟。EnergyPlus是由美国能源部和劳伦斯·伯克利国家实验室共同开发的一款建筑能耗和热环境模拟软件。本文模拟的工业厂房物理模型为某缝纫车间，模型尺寸为长×宽×高=30 m×27 m×4 m，如图1所示。南北外墙设置有外窗，窗户尺寸为长×高=5 m×2 m。该厂房的外墙为白灰粉刷(20 mm)+砖墙(180 mm)+水泥砂浆(20 mm)，楼板为水泥砂浆(20 mm)+钢筋混凝土(200 mm)+水泥砂浆(20 mm)，外窗为透明玻璃(6 mm)+铝合金窗框。

图1 工业厂房的物理模型

WBGT主要是对夏季高温环境进行的评价，本文数值模拟考虑夏季(6月1日—8月31日)在8：00—21：00工作时间内的热环境参数，室外气象条件采用西安市典型气象年数据。室内余热强度和通风换气次数是影响室内热环境的主要因素，室内余热强度分别设置为10、15、20、25、30 W/m3，通风换气次数分别设置为1、1.5、2、3、5次/h。利用热环境动态模拟软件EnergyPlus，研究不同余热强度和通风换气次数对工业厂房夏季室内WBGT的影响规律。

3 结果分析

根据工作场所有害因素职业接触限值的规定[9]，体力劳动强度为轻劳动、接触时间为8 h，高温作业职业接触WBGT限值为30 ℃。根据国际标准ISO 7243规定[10]，轻劳动作业条件下，对高温未适应者WBGT参考值为29 ℃，对高温已适应者WBGT参考值为30 ℃。因此本文考虑了高温作业接触WBGT限值和参考值的规定，分析了不同余热强度和通风换气次数条件下夏季工业厂房室内WBGT超限小时数，评价作业人员高温职业暴露风险。

3.1 余热强度的影响

由于生产工艺的需求，工业厂房室内存在不同的余热强度。在通风换气次数一定(5次/h)的条件下，不同余热强度对工业厂房室内WBGT的影响如图2和图3所示。

图2是不同余热强度下夏季典型日(7月21日)工业厂房室内空气温度和室内WBGT变化曲线。可以看出，室内空气温度和WBGT随着余热强度的增加而增加。余热强度从10 W/m3增加到30 W/m3时，日平均空气温度和WBGT分别增加了5.6 ℃和3.8 ℃。当余热强度小于15 W/m3时，夏季典型日室内WBGT低于30 ℃；当余热强度大于15 W/m3时，室内存在不同程度的过热情况，作业人员面临高温职业暴露风险。

(a)室内空气温度

图3是不同余热强度对夏季工业厂房室内WBGT超限小时数的影响。可以看出，随着室内余热强度的增大，WBGT超限小时数几乎呈线性增加。当余热强度为10 W/m3时，夏季工作时间内WBGT超限小时数最小，约70 h的工作时间内WBGT高于29 ℃；当余热强度为30 W/m3时，夏季工作时间内约60%的时间室内WBGT超过29 ℃，作业人员面临较大的高温职业暴露风险。因此，针对工业厂房室内高温热源，应采取隔热措施减少热源向室内的散热量，降低作业人员高温职业暴露风险。

3.2 通风换气次数的影响

通风是工业厂房排出室内余热与污染物的主要方式，由于自然通风量和机械通风量的不同，工业厂房通风存在不同的换气次数。在室内余热强度一定(10 W/m3)的条件下，不同通风换气次数对工业厂房室内WBGT的影响如图4和图5所示。

图4是不同通风换气次数下夏季典型日(7月21日)工业厂房室内空气温度和WBGT变化曲线。可以看出，室内空气温度和WBGT都随着通风换气次数的增加而降低。通风换气次数从1次/h增加到5次/h时，日平均空气温度和WBGT分别降低了2.7 ℃和1.5 ℃。当通风换气次数大于2次/h时，夏季典型日室内WBGT低于高温作业职业接触限值30 ℃。

图5是不同通风换气次数对夏季工业厂房室内WBGT超限小时数的影响。可以看出，室内WBGT超限小时数随着通风换气次数的增加而减小。当通风换气次数为1次/h时，夏季室内热环境最差，工作时间内约20%的时间室内WBGT超过29 ℃；当通风换气次数达到5次/h时，约70 h的工作时间室内WBGT高于29 ℃，很大程度上降低了作业人员高温职业暴露风险。因此，针对高余热散发的工业厂房，可通过增加通风换气次数，降低作业人员高温职业暴露风险。

图5 不同通风换气次数下夏季室内WBGT分布规律

4 结论

WBGT是综合评价人体接触作业环境热负荷的指标，也是目前应用最为广泛的热应力指标。以西安市某工业厂房为例，研究了工业厂房余热强度和通风换气次数对室内WBGT的影响规律，分析了夏季工业厂房室内WBGT超限小时数。研究结果可为降低作业人员高温职业暴露风险提供参考。

(1)室内WBGT超限小时数随着余热强度的增大几乎呈线性增加，随着通风换气次数的增加而减小。余热强度从10 W/m3增大到30 W/m3时，夏季典型日平均室内WBGT增加了3.8 ℃；通风换气次数从1次/h增加到5次/h时，夏季典型日平均室内WBGT降低了1.5 ℃。

(2)当余热强度为30 W/m3、通风换气次数为5次/h时，夏季工作时间内约60%的时间室内WBGT超过29 ℃，作业人员面临较大的高温职业暴露风险。

(3)针对高余热散发的工业厂房，应采取隔热措施减少热源向室内的散热量，增加通风换气次数，降低作业人员高温职业暴露风险。