热压作用下高大工业厂房地道自然通风的实测分析及数值模拟研究

摘要

近年以来，建筑通风能耗问题已经成为我国国民经济社会发展过程中亟待解决的战略问题。其中，工业类型建筑的能源消耗量在经济社会总能源消耗中所占的比例很大，尤其是高热源大空间工业厂房在生产作业过程所产生的能源消耗更是占到70％左右。随着人们对室内热舒适性要求及绿色节能减排可持续意识的重视，以热压为驱动力的地道自然通风方式已被广泛用于高大工业厂房之中。热压作用下的地道自然通风作为一种被动式通风降温手段，它不仅可以改善大厂房工作区内部的空气热舒适品质要求，还可以显著降低工业厂区内的通风能耗求。在本文课题研究过程中，笔者通过对武汉地区某典型高大工业厂房热压自然通风的现场测试后发现，厂房工作区热环境温度偏高和地道通风的气流组织效果不佳等问题普遍存在。比如，在工作区靠近热源生产段位的空气温度高达55℃，热压自然通风量明显不足，这些突出存在的问题对工艺生产效率和作业工人的身心健康造成严重影响。同时，经过实地勘察测试可知，长期以来此类高大工业厂房建筑类型的通风能耗量相当大。
　　为了解决此类高大工业厂房工作区恶劣的热环境和热压自然通风效果不佳的问题，本文采用了现场测试和数值模拟相结合的技术研究手段，以武汉地区某典型高大工业厂房为研究对象，确定了适用于热压作用下高大工业厂房地道自然通风的CFD数值预测模型，并对湍流模型的独立性、物理预测模型网格划分的无关性与现场实测数据有效性及误差因素进行了严格而全面的对比验证分析。进而，应用该物理预测模型研究了武汉某典型工业厂房的进-排风口面积比、室外环境温度值及厂房工作区域内两个热源间距分散度等影响因素对此类高大工业厂房热压自然通风的影响机理和特性规律，并以改善该厂房内工作区热环境舒适环境问题为宗旨，获得各个不同模拟工况条件下厂区内工作区热环境及通风气流等相关数值模拟数据。同时，考虑到该工业厂房地道自然通风的特征，笔者进一步研究了地道通风系统中地道长度和竖井高度这两个重要因素对地道自然通风系统的影响规律，以控制降低此类工业厂房热压自然通风能耗量为目标，提出地道通风这一典型通风形式应用于工业建筑的节能优化设计方法。
　　研究发现，当进排风口面积比达到0.900时，厂房工作区平均温度值已降至305 K以下，厂房通风量也将趋于定值；随着热源间距的增大，厂房通风量逐步减小，工作区空气平均温度逐步增大；地道长度由60 m增加到200 m时，地道通风量逐步增大到最大值18.7 kg·s-1，通风地道出口处空气温度值及工作区空气平均温度值都将线性减小；竖井高度增加到4.5 m时，通风地道出口处空气温度值将不再变化，地道通风量减小，工作区平均温度略有增加。

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1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 高大工业厂房热压自然通风的研究方法及评价指标

1.3 高大工业厂房热压自然通风国内外研究现状

1.4 课题研究的主要内容

2 热压通风理论方法及现场实测分析

2.1 热压通风理论方法

2.2 工业厂房现场实测

2.3 物理预测模型

2.4 本章小结

3 高大工业厂房热压通风数值模拟

3.1 概述

3.2 高大工业厂房热压通风数值方法

3.3 热压通风数值模拟边界条件

3.4 高大工业厂房热压通风数值验证

3.5数值模拟结果分析

3.6 本章小结

4 地道通风数值模拟

4.1 概述

4.2 地道通风数值计算方法

4.3 地道通风边界条件及工况设定

4.4 数值模拟结果分析

4.5本章小结

5 结论及展望

5.1主要研究结论

5.2展望

致谢

参考文献

硕士研究生学习阶段发表论文