在大型资源消耗型企业中, 料场用于储存生产资源如燃煤、矿石等, 灰场主要用于储存灰渣等。目前, 我国料场 (灰场) 绝大部分采取露天形式, 粉料扬尘问题明显, 对大气环境造成严重污染, 也对居民的生活造成影响, 由此引发的投诉和纠纷时有发生。此外, 物料 (特别是生产资源) 的露天堆放也造成了资源的损失, 并影响物料品质。

企业对中小型料场 (灰场) 的扬尘采取了有限的抑制措施, 如喷洒抑尘剂 (见图1) 、设置挡风网 (见图2) 等。喷洒抑尘剂仅适合于中小型料场 (灰场) , 须反复作业, 消耗大量水, 风力较大时, 仍然存在二次飞扬。挡风网虽能够起到一定的抑尘作用, 但仍然存在二次飞扬。因此, 部分企业采用了钢结构密闭厂房用于抑制扬尘, 但由于钢结构厂房造价高, 采光效果差, 仅适合于小型料场 (灰场) , 不适合于大中型料场 (灰场) 。

近年来, 随着环保要求日益严格, 出现了膜结构密闭厂房[1,2] (见图3) , 可实现对各类型物料的全封闭储存。优点表现在采光和抑尘效果好、储存空间大、无梁柱、施工期短等[3]。但由于膜材料具有一定透光性, 增加了封闭空间的太阳能辐射得热量, 导致夏季厂房内工作区温度过高。目前, 国内对膜结构密闭厂房室内环境品质的研究较少。本文针对某燃煤料场, 采用数值模拟方法, 研究进风口、排风口的面积以及进风口位置 (以进风口底缘距地面高度表征) , 对膜结构密闭厂房自然通风效果 (以工作区平均温度作为评价指标) 的影响。

以武汉某燃煤料场的膜结构密闭厂房作为研究对象, 建立物理模型 (见图4) 。图4为物理模型的一般情况, 模拟时排风口上缘与厂房穹顶下缘的距离为0。该厂房的基本尺寸 (长×宽×高, 高指厂房穹顶最高点距地面距离) 为273 m×56 m×31.4 m, 厂房侧墙高度为21.4 m。燃煤堆料横截面按等腰三角形考虑, 三角形底边长为46 m, 高为13 m, 燃煤堆料长度为263 m。考虑燃煤堆料存在自发热现象, 取堆料表面温度为78℃[4]。拟采用自然通风, 控制工作区 (指厂房内1.5 m及以下空间, 不包括燃煤堆料) 平均温度。在夏季工况下进行模拟, 室外温度取当地夏季通风室外计算温度32℃。

厂房的开窗位置见图4, 靠近地面位置为进风口, 靠近厂房穹顶位置为排风口。对于自然通风, 进风口底缘距室内地面 (模型中室内外地面标高相同) 高度控制在0.3~1.2 m。由自然通风原理可知, 排风口位置越高, 热压越大, 越有利于自然通风, 因此在模拟时排风口上缘设定在厂房侧墙最高处。

工业厂房的自然通风是在热压、风压共同作用下进行的, 由于厂房迎风侧与背风侧的速度场较为复杂, 因此在模拟时需要将计算区域扩大。通过试算, 确定计算区域的长度、宽度均为厂房长度的30倍, 计算区域的高度为厂房穹顶高度的50倍, 以形成无限远边界。为缩短计算时间并提高计算精度, 采用非均匀网格对物理模型划分网格, 燃煤堆料表面、进风口、排风口网格划分得较为密集, 除燃煤堆料外的厂房内部空间以及厂房周围的计算区域网格划分得较为稀疏。

本文采用Fluent软件进行数值模拟计算。模型的流场采用RNG湍流模型处理, 壁面附近采用标准壁面函数法进行处理。采用DO辐射模型, 模拟热源 (燃煤堆料、膜) 与厂房各壁面之间的辐射传热。采用二阶迎风格式对方程进行离散, 采用分离隐式求解器和SIMPLEC算法对差分方程进行求解。在模拟时, 未考虑厂房与室外环境的传热。

厂房的进风口与排风口设为多孔跳跃边界条件 (porous-jump) , 将进风口、排风口视为无限渗透的相当薄的薄膜, 薄膜的厚度设定为10-10m, 渗透率设定为1010m2。计算区域迎风侧采用速度进口 (Velocity-Inlet) , 通过分析, 选取环境风速在0.5~3.0 m/s变化[5], 模拟时取最不利风速0.5 m/s。计算区域背风侧设为自由出口 (outflow) 。燃煤堆料表面采用第一类边界条件。鉴于膜材的透光性, 模型考虑了厂房的太阳辐射得热量, 膜结构表面采用第二类边界条件, 热流密度取膜结构单位面积太阳能辐射得热量。笔者根据当地近30 a的气象数据, 选取太阳辐射强度最强日的太阳辐射强度, 确定膜结构单位面积太阳能辐射得热量。

通过改变进风口、排风口面积以及进风口位置, 研究厂房工作区平均温度的变化, 分析这3个结构参数对厂房自然通风效果的影响。

设定排风口面积为546 m2, 此时排风口底缘与地面距离为20.4 m。考虑到厂房内燃煤堆料高度较高, 为避免堆料影响进风效果, 进风口底缘距地面高度选取为1 m。工作区平均温度、通风量随进风口面积的变化见图5。由图5可知, 在排风口面积、进风口位置一定的条件下, 通风量随进风口面积增大基本呈线性增长。工作区平均温度随进风口面积的增大先快速下降, 然后趋于平缓。当进风口面积由546 m2增至819 m2, 工作区平均温度由34.67℃快速降至33.76℃, 随后下降速度趋缓。这主要是由于随着进风口面积的增大, 通风量持续增加, 使得工作区平均温度趋向室外温度。因此, 在排风口面积、进风口位置一定的条件下, 存在最佳进风口面积。

设定进风口面积为819 m2, 进风口底缘距地面高度为1 m。工作区平均温度、通风量随排风口面积的变化见图6。由图6可知, 在进风口面积、进风口位置一定的条件下, 通风量随着排风口面积的增大先较快速增大, 当排风口面积增至1 092 m2后, 通风量增大的速度变缓。工作区平均温度随着排风口面积的增大先快速下降, 当排风口面积增至1 092m2后, 工作区平均温度下降的速度变缓。主要原因是, 增大排风口面积易导致中和面位置升高, 排风口处的室内外压差也无法持续增大, 通风量也趋于平稳, 最终导致工作区平均温度的变化不再明显。因此, 在进风口面积、进风口位置一定的条件下, 存在最佳排风口面积。

设定进风口面积为819 m2, 排风口面积为1 092m2, 此时排风口底缘距地面高度为18.9 m。工作区平均温度、通风量随进风口底缘距地面高度的变化见图7。由图7可知, 在进排风口面积一定的条件下, 通风量随着进风口底缘距地面高度的增大, 呈现先增加后减小的趋势。工作区平均温度随进风口底缘距地面高度的增大, 呈现先降低后升高的趋势。当进风口底缘距地面高度为0.5 m时, 通风量达到最大, 工作区平均温度降至最小。随着进风口底缘距地面高度继续增大, 通风量逐渐减小, 工作区平均温度逐渐升高。这与文献[6]得到的研究结果基本一致。因此, 在进风口面积、排风口面积一定的条件下, 存在最佳进风口位置。

由文献[7]可知, 当进排风口面积、排风口位置一定时, 中和面将随着进风口位置上升而上移, 从而导致通风量的下降, 但该厂房却表现出通风量随着进风口位置的升高先增大后减小的变化趋势。主要原因是, 当进风口位置较低时, 进风易受到厂房内燃煤堆料的阻挡。随着进风口位置逐渐升高, 虽然中和面位置也有所上升, 但燃煤堆料的阻挡作用减弱, 综合表现出通风量增大, 工作区平均温度下降。随着进风口位置进一步升高, 在中和面位置持续上升的作用下, 通风量持续减小, 工作区平均温度上升。

由以上分析可知, 对于该厂房, 当进风口面积为819 m2, 排风口面积为1 092 m2时, 进风口底缘距地面高度为0.3~0.5 m范围内, 燃煤堆料对通风量的影响程度大于中和面位置。在0.5~1.2 m范围内, 中和面位置成为关键影响因素。

采用数值模拟方法, 研究进风口、排风口的面积以及进风口位置, 对膜结构密闭厂房的自然通风效果 (以工作区平均温度作为评价指标) 的影响。在模拟时, 将排风口设置在厂房侧墙的最高处。

(1) 在排风口面积、进风口位置一定的条件下, 通风量随进风口面积增大基本呈线性增长;工作区平均温度随进风口面积的增大先快速下降, 然后趋于平缓。

(2) 在进风口面积、进风口位置一定的条件下, 通风量随着排风口面积的增大先较快速增大, 然后趋于平缓;工作区平均温度随着排风口面积的增大先快速下降, 然后趋于平缓。

(3) 在进风口、排风口面积一定的条件下, 通风量随着进风口位置的升高, 呈现先增加后减小的趋势;工作区平均温度随进风口位置的升高, 呈现先降低后升高的趋势。

(4) 自然通风时, 膜结构密闭厂房存在最佳进风口面积、最佳排风口面积、最佳进风口位置。