防护工程高大空间局部通风技术研究

　　摘要针对防护工程高大空间有害物质检测导致房间通风量大、通风空调系统能耗高，及早期工程难以改造实现的不足，提出了变频过滤的局部通风技术思路，通过模拟仿真及实测验证，该技术有效提升了对房间内有害物质的控制能力，降低了系统能耗，为新建及改建工程承担此类任务提供了新的技术解决方案.

　　关键词 防护工程：高大空间：有害物质：能耗

　　Abstract In view of the task of harmful substances detection in the high and large space of protective engineering, and the resulted problems of large volume of room ventilation, high energy consumption of the ventilation and ai conditioning svstem and the difficulties in the reconstruction of the earlier projects, this paper puts forward the concept of local ventilation technology of frequency conversion filtration. It is proved through simulation and experimen-tal verification that this technology has effectively improved the control capability of hannful substances in the room and reduced the energy consumption of the system, which provides a new technical solution for new and modification projects to undertake such tasks.

　　Keywords protective engineering: high and large space; hamful substances; energy consumption

　　一些特殊防护工程高大空间承担着有害部件的储存及检测任务，传统的检测操作台为普通平台，有害物质在检测过程中易产生大量有害物质及气体，并扩散至整个地下空间"。因部分有害部件体积大、质量重、需翻转，且需要多人同时检测操作，传统的通风柜等局部排风装置不能满足此类检测任务。为将有害气体排出高大空间，规范要求采取全新风的全面通风换气措施，换气次数要求为6次/h，导致通风空调系统装机容量大、运行费用高，但有害物质仍会残留在高大空间的墙壁、拱顶及地面，洗消处理困难，不利于操作人员的身心健康。特别是一些早期的防护工程，设计时选用的通风管径细、通风量小，如使之具备此类有害部件的检测功能，依靠传统的改造技术手段难以实现，亟需一种全新的局部通风技术。

　　1总体研究思路

　　降低高大空间通风空调系统能耗的一个关键手段就是要营造出科学合理的局部通风空调环境[2-3]，采用层流送风的方式将有害物质控制在规定区域，并将有害物质就近过滤净化，切断其传播途径[43]。系统构成包括可排风操作台、一体化层流送风口、有害物质过滤净化系统及变频通风控制系统。该系统能在较小风量的前提下，将检测过程中散发的有害物质控制在规定区域，并及时净化处理，杜绝了有害物质扩散至其他区域的隐患，且在操作人员头部区域形成稳定可靠的新风层流，为操作人员营造出安全健康的工作环境[]，系统运行能耗低、有害物质残留易洗消。该系统运行流程为：将经处理的新风通过上部一体化层流送风口送至操作区域，操作台面上散发的有害物质被吸入有害物质过滤器进行净化处理，并通过变频排风机及排风管排出工程。控制系统通过操作台两侧有害气体浓度传感器、操作区域温湿度传感器、有害物质过滤器后排风管内压力传感器，监测操作台周围有害气体浓度、温湿度及排风管内压力值大小，控制变频排风机的风量大小，将房间内有害气体浓度控制在规定范围内[4]。空间内局部排风与全面排风的作用和相互关系见表1，其通风原理及系统构成见图1-3

　　2模拟计算

　　局部通风系统实际效果如何，取决于良好的气流组织及操作台面对有害物质的捕捉能力，特别是合理确定操作台面排风口的布置形式、风口大小、排风量的大小、各操作台模块间的风量平衡等。本文以一实际高大空间为参照，建立了计算模型并进行了模拟计算。

　　2.1几何模型

　　该工程为一早期工程，因功能定位需承担有害部件的检测任务。内部一高大空间房间的几何尺寸为20.0 m x 12.0m ×6.5 m(LxBxH(拱高))，房间体积为1920 m，如图4所示。早期设计时房间按1次/h的换气次数设计，设计风量为1920m/

　　h，埋设的风管管径为D320，如按6次/h的换气次数标准，则房间设计风量为11 520m，/h，风管管径需扩大为D800，因房间有防内爆要求，风管均埋设进出，扩大埋设风管管径难度极大，亟需改变设计思路，引入局部通风系统，该系统仍采用原D320风管及1920 m，/h的通风量，利用操作台对有害物质及气体的捕捉能力营造符合要求的室内空气环境[].

　　根据确定的设计风量，如图1所示，在操作台上方设置送风口2个，尺寸1 000 mm x 500 mm;在房间侧墙两侧设置排风口，每一格操作台中心位置两侧各对应设置一个排风口，尺寸250 mm x250 mm，共10个。操作台两侧边缘及中间各设置有2排6 mm孔径大小的圆孔作为操作台排风口。

　　2.2边界条件

　　房间总风量为1920 m/h，通过逐渐增加操作台排风量的方式，多次模拟得出更优效果，入口条件为均匀速度分布，采用速度入口，出口条件采用速度出口，保证进出控制区域的流量相等。下面分别给出操作台排风量为500，800.1 000 m/h时的边界条件。

　　送风口采用速度入口，风口风速为0.86 m/s，送风温度26℃，相对湿度35%;侧墙回风口为速度出口，对应操作台排风量分别为500，800.1 000 m/1

　　h，风口风速分别设为0.64.0.50.0.42 m/s：操作台回风口设置为速度出口，为了简便模拟，采用10mm宽的长条代替，对应操作台排风量分别为500，8001000 m/h，风口风8分别为0.23.0.37.0.46 m/s.操作台上设置球形污染物，污染物浓度设置为0.2 mg/m'。房间壁面温度定为18℃，房间初始温度定为20℃，相对湿度为50%，污染物初始浓度为0。

　　2.3 数学模型

　　计算流体动力学(CFD)模拟的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值，CFD可以看作是在流动基本方程(质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程)控制下对流体流动的数值模拟[to-1本次数值模拟计算中，采用有限容积法，所用模型为标准Kt双方程模型，求解问题为三维非稳态的不可压缩黏性流体湍流流动。由于湍流时均方程组不封闭，在Kt双方程模型中，附加了K方程和方程，因而可以构成封闭的方程组，能够求解。湍流动量扩散率，与流动能K之间有如下关系：

　　式中:νt表示湍流动量扩散率;Cμ表示常数; K表示湍流动能;ε表示湍流动能扩散率。

　　以上模型及各系数适用在高雷诺数条件下，由于房间气流雷诺数大于200[1]，其模型为高雷诺数模型，可以直接使用标准Kt双方程模型，无需修正。

　　2.4计算结果

　　采用软件默认收敛条件，经过多次模拟计算，最终确定在操作台四周布置孔口排风口，操作台的排风量为1 000 m/b，室内两侧排风量为920 m/h。受篇幅限制，同时考虑保障重点为人员操作区域的空气质量，本文仅列出在上述排风量下人员操作区域YZ断面处的模拟结果图，各断面模拟结果分别见图5-8

　　房间环境保障要求：干球温度15℃-25℃，相对湿度<70%;由图54图8可以看出，相对于操作台500 m，/h的排风量，操作台的排风量增加到1000

　　m'/h后，操作区域各种空气参数指标如下：(1)操作台上方的空气流动速度明显加大，约为0.052 m/s。房间两侧风管排风速度由原来的0.66 m/s减小到了0.43 m/s，有效地抑制了操作台上方污染物向两侧排风口的扩散。

　　(2)操作台表面排风量的增加并没有破坏室内空气的温度分布形式，室内温度的分布和没有增加排风量时基本一样，维持在20℃-21℃左右。(3)操作台表面的排风量的增加并没有扰乱室内相对湿度的分布，操作区域的相对湿度仍为50%

　　左右，完全满足设计要求。

　　(4)操作台排风量增加到1000 m/h后，操作台面上污染物的浓度最大值增加至0.2 mg/m'，污染物在操作台表面的扩散范围减小了。这是由于操作台表面的排风速度增加，在污染物周围形成了一层气流，包裹住了污染源，使其散发出的污染物不向外扩散，进而被排风由操作台下方带走。由此可见，适当地增加操作台的排风量是可行的，这样可以有效地控制污染物扩散。

　　2.5 讨论分析

　　通过对不同模型、不同输入参数的模拟计算，并立足工程现状，可以得出如下结论：

　　(1)在操作台相同的局部排风量下，操作台表面周围布置风口的形式优于其表面全部布置风口的形式。

　　(2)排列有序的圆形孔口排风效果优于方形孔口的排风效果。

　　(3)在操作台表面风口形式一样的前提下，局部排风量越大，污染物的扩散范围就越小。在条件允许的情况下，应尽量提高污染源周围的排风速度。

　　(4)操作台表面的风口布置形式和排风量的变化基本不会影响室内温度和相对湿度的分布。(5)每个模块单元分别设置排风静压箱，每个静压箱单独设置排风支管与总风管相接，且在各排风支管上设置调节和关闭阀门，实现各模块单元排风量一致，排出有害气体均衡效果显著。

　　3试验研究

　　试验目的是检查该装置能否满足设计要求，主要包括：空间内温湿度情况，送风对污染气体的压制效果，排风系统对污染气体的捕捉能力，变频系统的控制能力。

　　3.1试验方案

　　针对以上问题，制定如下试验方案：

　　(1)在检测区域组装5个操作台模块。

　　(2)送风系统试验。对应每台局部通风装置的上部，设置层流送风口，用风速仪和风量仪检测操作人员呼吸区域的风速和风量，通过调节送风口部阀门，满足一定的送风速度和送风风量，保证操作人员有足够的新鲜空气感觉的同时，又能使送风对污染气体起到压制作用，并使送风风速控制在一定范围内，避免风速过大而搅动污染气体，造成污染气体飘溢。除用风速和风量仪器检测外，同时进行人工观测和模拟操作人员工作状态进行亲身感受。

　　(3)排风系统试验。在5个操作台面的中心，分别放置干冰，利用干冰的融化雾气来模拟有害气体。因为干冰融化雾气的流动特性与有害气体相似，通过观察雾气的流动走向，及工作台面上排风孔洞对雾气的吸入能力和状况，验证操作台对有害气体收集的可靠性。

　　(4)变频系统控制试验。通过改变排风系统的风量和风压，检测变频系统的响应能力，以满足实际使用要求。同时在变频控制柜液晶屏中读取排风系统的风量和风压，并用手持风量仪和测压仪进行校核。试验数据与模拟数据吻合性较好，验证了模拟计算的准确性及局部通风技术的可靠性，试验数据与模拟数据对比情况见表2，各现场测试情况见图9-12.

　　3.2 测试结论

　　通过对该局部通风装置的现场实验，检测和观察不同工作状态下的运行情况，结论如下。

　　(1)空间内温温度保障效果良好，层流送风能有效将有害物质及气体压制在工作台面上，不飘散、不外溢。

　　(2)排风系统能将干冰雾气吸附于工作台表面，并被排风孔快速吸入排风静压箱后排出。

　　(3)通过对各单元排风系统中的阀门调节，5个工作台的排风量均衡，干冰雾气排出效果均匀。(4)针对不同工作状态的运行，变频风机和控制系统反应灵敏，实测和感观效果与液晶显示屏显示数据一致。

　　4结论

　　按设计规范要求，部分承担有害物质检测任务的高大空间换气次数通常为6次/h，其目的是为了保证操作区域的空气质量，并将有害物质及时置换出去。而很多早期工程此类房间的换气次数仅为1次/h，操作区域空气质量得不到有效保障，若增加换气次数则需加大原有通风空调系统的风管管径，大量穿墙孔洞需要扩大，施工十分困难甚至无法实现，并可能对原有结构造成破坏。在新建工程中，此类房间起拱高、空间大，为保证操作区域的空气质量及快速排除有害物质，需要增加整个大空间的换气次数，导致系统风量大，空调能耗高，建设投资及运行维护费用高。

　　本文提出的高大空间局部通风技术，在尽量不改变原有送排风系统的前提下，使高大空间内操作区域的换气次数满足现行规范要求，并将有害物质集中收集、就地净化，切断了其扩散的途径，有效提升了空间内的环境保障质量。此技术如应用到新建工程中，同样能降低系统通风量、缩减通风管径，降低工程投资及阵地运行费用，达到响应军队建设节能降耗号召的目的。

　　参考文献

　　[1]陶文铨.数值传热学(第2版[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

　　[2]中国建筑科学研究院，公共建筑节能设计标准：GB50189-2015E].北京：中国建筑工业出版社，2015.

　　[3]朱培根，田义龙，地铁通风空调系统节能分析[].解放理大报，2012，13(5)：589-592.

　　[4]许钟麟·空气洁净技术(第3版)[M].北京：科学出版社，2003.

　　[5]明月，空调房间人体气溶胶颗粒污染物运动规律研究[D].沈阳：沈阳建筑大学，2012.

　　[6]徐春雯·室内空气稳定性对人体呼吸微环境的影响[D].长沙：湖南大学，2014.

　　[7]刘秋琼，李志生.自动控制在暖通空调系统中的发展与应用[].建筑节能，2017，45(7)：104-407.

　　[8]房汉鸣，李建伟，贺健，等.空调系统传感器故障诊断研究进展[].洁净与空调技术，2017(1)：90-94.

　　[9]朱天乐，岳仁亮，张静·室内环境净化行业2017年发展综述[].中国环保行业，2018，24(9)：5-43.

　　[10]Versteeg H K，Malalasekera W.An introduction to computational fluid dynamics[M].北京：世界图书出版公В，2000.

　　[11]Ke M T，Cheng T C，Wang W P.Numerical simulation foroptimizing the design of subway environmental control system[].Building and Environment，2002，37：113941152.

　　[12]朱颖心，水力网络流动不稳态过程的算法[].清华大学学报：自然科学版，1989，29(5)：72-78.

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