钢铁企业封闭料场的自然通风设计分析

王雪峰

(中冶北方(大连)工程技术有限公司, 辽宁 大连 116600)

0 引言

由于中国工业化的发展需要,随着建筑技术水平和施工技能的日益提升和新型建材的蓬勃发展,大型密闭封闭料场可达到空间跨度大、净空高、中间无支柱的空间特点,以适应原料贮存和堆料取料的作业特点,首先在煤矿、电力、水泥等行业获得了应用。而近些年,随着我国对钢铁企业工作环境要求的提升,各大钢铁企业也都开始建设密闭料场,并逐渐改造原有的露天原料场地。由此来最大限度地减少对环境的破坏，实现环境效益、经济效益和社会效益的平衡发展。目前，料场封闭工程主体部分为大跨度的钢结构和采用轻质材料的围护结构，附以采光、通风、排水、消防、抑尘等设计，其中通风设计多采用自然通风。

自然通风的原理，主要是利用建筑物内外温度差所造成的热压和建筑物外风力所造成的风压来实现通风换气，从而排除建筑物内余热余湿以及冲淡工作区有害物浓度，改善工作环境空气卫生条件。它是一种可以管理的有组织的通风方式，是不消耗机械动力的、经济的通风方式。自然通风容易受室外气象条件的影响，特别是室外风速的影响，风压作用不稳定，热车间要充分利用热压作用排风，合理设置进、出风口，有效进行气流组织，才能使自然通风效果更佳。现重点分析对比两种有气流组织的自然通风设计。

1 研究对象及研究方法

1.1 研究对象

封闭料场采用大跨度钢结构形式，主要有平板网架、拱形网壳、管桁架、预应力管桁架等，根据现代钢铁企业要求料场储量大、操作空间大的特性，封闭料场多设计成柱面形或球形。其中双层三心圆柱面网壳结构因其兼具壳体结构和杆系结构的优点，力传递路线短、设置简单，荷载可以直接沿弧线传递到基础，施工安装方便等特点而被较多采用[1]。封闭料场的围护结构应具有轻质、高强度、防水、耐久等性能，多采用彩钢、铝镁锰板结构及膜材料结构。钢铁企业中较多采用压型钢板，其材料构造简单，施工方便，可在现场压制。

封闭料场内部设置照明灯具人工采光，其主要供夜间使用。白天可利用屋面上设置的采光带自然采光，对于膜材料围护结构，因其本身具有可透光性，白天使用时也无需人工采光。单跨封闭料场多为无组织排水，当料场为多跨连接时通常设置有内天沟的有组织排水。可根据料场内的物料特性和实际需要设置消防系统，如消火栓灭火装置、自动喷水灭火系统、消防炮灭火系统及其组合方式等。

抑尘设施主要选用干雾抑尘装置，该装置可将气、水过滤混合后通过雾化喷嘴形成1～10μm的微细水雾颗粒，并在风机的作用下喷射到粉尘产生点，与悬浮在空气中的体积相同或相近的粉尘颗粒相互接触、碰撞而聚结增大，并且在重力的作用下自然沉降。可根据料场内堆取料机的作业动态和物料堆存的实际情况灵活布置喷嘴的位置和数量以及设置雾炮的位置。钢铁企业封闭料场内没有大的散热源，料场内作业人员也相对较少，在满足通风散热和卫生要求下多采用自然通风。通风系统需结合防尘等综合措施，保证通风效果的同时又能限制粉尘外溢，发挥料场封闭应有的作用，减少粉尘污染满足环保要求。

1.2 研究方法

因封闭料场的通风方式大多采用自然通风，有必要对封闭料场内的自然通风情形进行研究。封闭料场内的自然通风主要受到通风口面积大小和位置的影响，同时还有外界风压的影响。为了使封闭料场自然通风效果更佳，需要对棚内的流场及温度场进行系统性的研究。因此研究目的是通过数值模拟计算，分析得到封闭料场的速度场、压力场、温度场的准确信息，清晰直观的呈现建筑物内环境，以便探究通风口的位置、大小以及室外风速对自然通风的影响。

以某钢厂的封闭原料料场为例，通过Fluent软件对料场内部自然通风进行数值模拟，确定合理的通风口高度、位置和面积大小，得到提高自然通风效果的方法和措施，降低粉尘外溢，改善料场内部工作环境，提高人员和设备的作业率。

2 计算模型的建立与选择

2.1 模型的简化

在考虑钢厂原料封闭料场的自然通风问题上，由于钢铁企业生产所需的原料种类多、储备量大，封闭料场的规模、尺寸一般都很大，轻质的外围护结构太阳辐射得热量较大，需要考虑热压和风压的共同作用。此次主要研究的内容就是热压与风压作用下的封闭料场内热空气流场与温度的分布。具体工况主要分为两种：无风情况下，只靠封闭料场内热压通风；自然风速下(取当地夏季常年室外平均通风设计风速)，封闭料场内风压与热压共同作用的自然通风。

所选择的封闭料场是新疆某地的球团工艺原料封闭料场，宽度约为76 m，长度约为750 m，主要贮存精矿粉和含铁杂料，具体截面见图1。在建立简化模型的过程中，考虑到封闭料场的长宽比在10左右，且封闭料场两端做封闭处理(即封闭料场两端不影响横向风口的通风)，计算模型可以只考虑封闭料场的横向截面。这样就可以将原本三维的实际模型简化成计算机友好型的二维理论模型，不仅节省计算资源还能准确的模拟真实情况。具体的二维简化模型尺寸参数见图1，简化模型将料堆、隔墙立柱等具体结构简化处理，封闭料场穹顶按无厚度处理，最终用Solidworks建模软件建立二维平面计算模型。

图1 封闭料场模型二维截面图

2.2 计算域与网格划分

计算模型计算域的选择很重要，其大小形状不仅会影响到计算时间的长短，还会影响计算结果的收敛情况以及模拟结果的准确性。模拟计算的过程中，不仅要计算封闭料场内的流场，还要考虑室外周围环境流场。因此要增加无限大外流场，以形成无限远边界以提高模拟的真实性，通过大量的试算，将外流域确定为厂房原尺寸的五倍左右。

通过ANSYS Workbench平台的Fluent进行模拟计算，然后导入Solid works的x_t格式的2-D模型文件，利用Design Modeler进行流域和固体域以及边界进行定义，再在Meshing中进行网格划分，并对封闭料场内流域进行网格增密处理。此次主要模拟研究的是封闭料场内流域，因此不考虑封闭料场外的边界层效应，不增加边界层网格，这样有利于减少计算量。最终，封闭料场内流域与外流域共形成网格数约20万个。

2.3 数值模拟理论与边界

2.3.1 湍流模型与辐射

在实际自然通风过程中，高大空间内的空气流动多处于湍流状态。一般工程计算多在平衡计算机的计算成本和计算精度后，选择κ-ε湍流模型，根据三种κ-ε模型(标准κ-ε模型、Realizableκ-ε模型和RNGκ-ε模型)的稳定性、经济性和精度特点，权衡之下选择了标准κ-ε模型进行模拟计算。

研究的封闭料场内空间的散热问题，需要重视太阳辐射的影响，由于该封闭料场储存的主要是铁矿原料等无自发热的物料，可以视封闭料场内除了太阳辐照，无其他大的热源输入(忽略设备散热量)。在选择辐射模型的过程中，由于选用的模型是2-D模型，大范围适用的DO辐射模型并不适用，因此采用S2S表面辐射模型，并将太阳辐射热流进行加载在辐射面上，即封闭料场的穹顶，用以代替太阳辐射效应。

2.3.2 模拟条件与边界

根据新疆地区的夏季气象条件进行研究计算，取室外通风设计温度30 ℃，设计风速2.7 m/s(夏季主导风向平均风速)。根据文献[2]确定夏天封闭料场穹顶的热流密度为67 W/m2，即设置穹顶的辐射热流为67 W/m2，之前提到矿石原料不发热，可忽略其边界传热，设置边界条件为绝热。

封闭料场外的外流域，进口边界设置为速度进口(velocity-inlet)，出口边界设置为(outflow)边界条件，其余外流域边界均设为壁面(wall)。无风天气时，入口速度设置为0 m/s，夏季有风天气时，入口速度设置为设计风速2.7 m/s，其中温度根据地表温度设置为30 ℃。封闭料场的通风口设置为内部界面(interior)，使内外流域形成一个整体流域，便于气体自由流动。

3 模拟结果与分析

本次研究模拟的主要内容是不同尺寸及形式的通风口，在热压与风压作用下的封闭料场内热空气流场与温度的分布，并经过分析确定更优的通风设计。具体模拟工况分为两种，既无风条件热压通风和有风条件风压与热压共同作用自然通风，根据当地通风设计风速，按外界风速2.7 m/s设置。在模型通风口尺寸方面，主要选取了3种：封闭料场底部两侧开通风口1.3 m无顶部通风口；封闭料场底部两侧开通风口2.0 m无顶部通风口；封闭料场底部两侧开通风口1.3 m，顶部开通风口1.5 m。通过组合，共模拟了6种自然通风情况下封闭料场内的流场温度场分布情况，具体情况将继续进行分析。

3.1 风速对封闭料场内通风效果的影响

封闭料场内的自然通风主要受两种因素影响，即内部热压作用和外界风压作用，其中热压是一直存在的，风压是根据外界空气流速确定的。从模拟的结果来看(见图2～4)，无风压情况下，棚内的空气流动主要靠热压驱动，即热空气受热上升聚集到顶部，发生热顶效应，冷空气下沉，由此一来穹顶区域便是棚内高温气体聚集处，随着高度降低温度逐渐下降。如图中模拟的结果所示，无风压作用下，底部通风口高度1.3 m时，料场内中部区域的温度最高可达80 ℃，顶部温度最高可达到100 ℃；在底部通风口高度2.0 m时，中部温度也高达70 ℃，由于热顶效应加剧顶部温度甚至可以达到120 ℃。然而在设定外部风速2.7 m/s的情况下，由于棚内的热空气可以排到外部去，使得内部空气得到了大量的替换补充，相比于无风压环境，料场内部温度可以大幅度降低。从图中可以看出，有风压的情况下，棚内的穹顶最高温度可以降到50 ℃以下，中部区域的温度可以保持在32 ℃～35 ℃之间。由此可见风压对封闭料场自然通风效果具有很强的正相关性。

(a)风速:0.0m/s (b)风速:2.7m/s

(a)风速:0.0m/s (b)风速:2.7m/s

3.2 封闭料场底部通风口尺寸对内部通风的影响

封闭料场底部两侧所开通风口高度为1.3 m时，在室外平均风速2.7 m/s的风压作用和室内热压作用下，中部工作区温度基本在40 ℃以下，下部区域温度在30～34 ℃左右，在此环境温度下操作室高温型空调可正常工作，满足作业人员卫生需求。但在无风或微风天气，室内温度整体较高，大部分区域可达80 ℃左右，此时高温型空调制冷量衰减较大，在空调选型时要考虑衰减量，否则将不满足人员长时间作业的卫生需求。

封闭料场底部两侧所开通风口高度为2.0 m时，相同室外风压和室内热压作用下，中部工作区和下部区域温度均在34 ℃以下，这是由于进风口的加大降低了中和面的位置，也加大了通风量，使得室内平均温度降幅较大，但中和面的下移也使得室内热顶效应相对增加，顶部区域高温范围加大。无风或微风天气，室内平均温度仍然较高，大部分区域在70 ℃左右，需要考虑保证作业人员工作环境的相应措施。

有资料研究表明[2],刚开始随着进风口面积的增加，室内热环境改善较为明显，但随着进风口面积的继续增加，工作区平均温度降幅减小，散热能力不再增强，且风口面积增大不利于防尘控制，所以设计时要综合考虑，建议风口开口高度在2 m左右。

3.3 天窗通风口对棚内通风的作用

图4展示的是封闭料场在穹顶开天窗的情况下，风压与热压对料场内自然通风的影响。与图2的无天窗结构对比，发现无论是在有风压还是无风压的情况，天窗效应均可以使棚内温度大幅度降低。在天窗的作用下，封闭料场内的空气可以得到充分的交换，热顶效应不再起作用，使得棚内温度场更加均匀。无风情况下，棚内穹顶温度相较于无天窗时的近百度降到36 ℃左右，中部作业层温度甚至可以从70 ℃降到33 ℃左右。而在有风条件下，棚内温度更加均匀，基本维持在32 ℃左右。从图中可以看出，在穹顶开天窗时，外界风压不再主导棚内自然通风，而是天窗效应占主导，甚至无风情况下仅靠热压，棚内温度也可以降到人体可接受的程度。

(a)风速:0.0m/s (b)风速:2.7m/s

4 结语

综上所述，根据封闭料场的空间特性、内部综合设施及使用要求，一般自然通风可以满足封闭料场的通风散热和卫生要求，从以上分析可知，如何设置有组织的自然通风，对通风效果起着至关重要作用。此次简析了钢铁企业封闭料场自然通风的一般设置形式，在未设置天窗时，风压对料场内自然通风效果起着决定性作用，下部进、出风口的面积也并非越大越好，建议沿料场长度方向上风口开口高度在2 m左右。在穹顶开天窗时，外界风压不再主导料棚内自然通风，下部两侧进风口面积可以适当减小，这样更有利于控制粉尘外溢，减少风力对工作面的扰动，降低岗位含尘浓度。由于天窗效应占主导作用，所以即使在无风情况下仅靠热压，料场内平均温度也可以降到人体可接受的程度。自然通风系统也需结合防尘的综合措施，一般在风口、天窗部位设置复合材料挡风网，料场内扬尘点采用雾炮抑尘等。保证通风效果的同时又能限制粉尘外溢，发挥料场封闭应有的作用，减少粉尘污染满足环保要求。