高大空间厂房空气环境整体治理的 研究与应用

徐志平

摘要：神华准能设备维修中心新建矿用电动轮卡车维修厂房，属于高大空间工业厂房，生产过程中产生有毒有害物质，对人体伤害较大，尤其在冬季还需要保证厂房内的供暖温度，治理难度极大。本文通过暖通空气环境整体治理系统设计，使室外环境温度低于-20℃时，厂房内工作区域温度不低于10℃，目的是给员工创造温暖舒适、空气清新的工作环境，厂房内既要实现通风换气、保证厂房内的空气质量，又能保证厂房内温度适宜的热环境和人的舒适感。

关键词：厂房；空气环境；空气治理

中图分类号：X51 文献标识码：A

1 简述

由于露天采矿设备超宽、超长、超高、体积巨大的因素，所以该类型設备维修厂房建筑占地面积及其空间高度都超大，属于超大型空间建筑。尤其是西北地区，如何解决好厂房内的供暖、通风、空气净化治理，达到空气环境整体治理，是厂房设计、基建期间的重大研究课题。

本项目以神华准能公司设备维修中心新建矿用电动轮卡车维修厂房为例，具体研究、解决露天采矿设备维修厂房空气环境整体治理的问题。神华准能公司设备维修中心地处西北，位于内蒙古鄂尔多斯准格尔旗境内，尤其是冬季漫长且寒冷，平均气温约-20℃。在冬季如何整体治理厂房内空气环境，是当地工业厂房治理的难点。新建矿用电动轮卡车维修厂房：长度195m，共2跨，每跨24m宽，柱距7.5m，共9360m2，标高23.6m。

新建矿用电动轮卡车维修厂房的功能是对矿用卡车进行日常维修及保养，检修过程中会产生粉尘、油雾及发动机尾气等有害物质，需要对厂房进行供暖及空气净化整体治理（除油雾、异味净化）。要求整体治理系统具备采暖、除尘、除异味、换新风等功能，冬季为厂房提供暖气加热、并兼有通风除尘功能，夏季主要功能是通风、除尘、空气净化功能。

2 高大空间通风供暖空气净化整体治理方案研究

2.1 供暖方式选择

为达到上述目标，结合空气净化治理手段，需要选择供暖方式。工业建筑常用的三种基本采暖方式是自然对流采暖方式、辐射采暖方式以及强制对流采暖方式。

自然对流采暖方式：以热水或蒸汽为热媒的传统散热器自然流采暖，热源供出的热水或蒸汽通过热网将热量输送至厂房内的散热器[1]，但这种供暖方式往往会使散热器背面的墙体被过分加热并通过外墙损失掉[2]，同时对于高度超过5m的大空间厂房出现温度“分层”现象，使上层温度和地面的温差达到5℃以上，导致大量的能源损失，对于大跨距建筑物，不但布置困难，而且供暖效果差，室内温度分布不均匀，工作区很难达到设计温度要求。

辐射方式采暖：辐射采暖系统[3]是依靠供暖设备表面对外发射的热射线传递热能的采暖方式，热辐射特点是直线传播、传递速度快、可以被反射，其热能被固体物吸收并使温度升高，但不能明显地提高厂房空间内的空气温度；

强制对流方式采暖：具有热惰性小、升温快、室内温度分布均匀、温度梯度小，利用循环空气供暖技术，适用于大空间、允许循环使用室内空气的场所。

经以上分析，新建矿用电动轮卡车维修厂房应采用强制对流方式采暖。

2.2 高大空间厂房空气环境整体治理方案

新建矿用电动轮卡车维修厂房投入使用后，厂房内会产生粉尘、油雾及发动机尾气等有害物质，若通过增加建筑物的密闭性来提高厂房冬季供暖效率，但会造成厂房空气内有害物质增多，影响人体健康，并容易引起诸如病态建筑综合症。为给员工创造温暖舒适、空气清新的工作环境，要求厂房内既要通风换气、保证厂房内的空气质量，又要保证厂房内温度适宜的热环境和人的舒适感。

因为工业厂房空间大，若要实现厂房内空气完全清洁达标，投入的成本造价将极高。为了既节约投资成本，又能保证员工工作环境舒适，所以提出分层治理的理念。空气环境治理采用置换通风分层送风方式，在车间1.5～3m高度内采用低风速大流量的送风筒向厂房输送洁净新风；利用送风气流推力及上浮力，将生产过程中产生的含害气体和污浊空气推送至车间侧部回风口，在回风口吸力和上浮力共同作用下，形成流动的气流，送至系统内的组合式空气处理机组内进行处理。

分层治理原理图见图1。图中人员工作空间区域始终有清新舒适的暖风循环，而在人员非作业的高空区域，部分颗粒较大的烟尘、粉尘等物质浑浊在空气内，在受强制对流循环热空气流作用下，会在高空区域悬浮。

2.2.1 空气处理系统的构成及工作流设计

空气处理系统主要由回风段、油雾净化段（高效过滤段）、排风段，新风段（全热交换）、初效过滤段、异味净化段、热水加热段、送风机段，系统还包含风阀等装置，包括旁通阀、排风阀、新风阀、混风阀、热水调节阀、变频器等，其工作流程见图2。根据室内外工况实现自动调节，实现不同季节风量、风速、温度等的控制要求。

夏季被污染的空气经除尘过滤净化后直接排放到厂房外部大气，将新鲜的空气输送至厂房内（新风功能可以实现0～100%的调节）。冬季，为了保证厂房内人员活动区域的环境温度保持在>15℃，处理后的空气除少量排出室外，这些带着热能的被污染的空气经过除尘、油雾净化后，大部分或全部洁净的热空气通过送风系统再次被送回厂房内，只有少量的污浊空气被排出厂房，同时少量的室外洁净的冷空气进入系统与排出的污浊的热空气进行热量交换后进入厂房送风系统内。进气量、排气量、温度以及风速等过程可以通过计算机控制实现合理配置。

2.3 空气处理机组运行参数计算设计

要确定空气处理机组的能力，首先要确定冬季高大空间厂房内所需求的供暖温度。鉴于厂房空间大，需要的热能量大，所以本项目预先设定工人活动区域为10℃～12℃，以此来设计所需的热负荷和通风换气量的大小。

依据围护结构基本耗热量；围护结构附加耗热量；门窗缝隙的冷风渗透耗热量，大门开启冲入冷风量（按照《工业通风》相关原理计算）和换气时室外新风所需的热负荷，初步计算得到高大空间厂房的热负荷。具体计算值见表1。

考虑到系统漏风、间歇性作业等因素，在实际施工时需要在统计耗热量基础上增加20%～30%的设计余量，最终得出高大空间厂房整体空气治理系统的设计热负荷为4500kW。

通风换气量的确定。一般地，在没有工艺特殊要求的情况下，工业厂房内通风换气量按照单位时间内换气次数计算，通常取2次/h，由此可以确定通风换气量=建筑物体积×换气次数。经计算得到441，792 m3/h。由此选用4臺风量为120，000m3/h的风机作为强制对流采暖空气净化治理的动力源。与此风机配置的热水散热器加热功率>4500kW。

2.4 应用CFD计算分析高大空间厂房的流场和温度场

流动场采用湍流流动模型描述，由于送风口处送风温度和环境温度差异，会产生浮力作用，因此本计算采用Boussinesq近似，考虑到室内采暖问题，耦合温度场进行计算，由于为大空间计算，计算网格量较大，同时风口尺寸与房间尺寸的数量级差别，采用结构化网格与非结构化网格相结合的方式进行空间离散。本计算采用浮力和压差推动下的湍流流动模型对除尘过程进行描述。其运动过程的控制方程有：连续方程、三个坐标方向的动量方程、湍流流动的湍流动能方程和湍流耗散方程[4]。

首先假设按理想气体考虑，流动为稳态过程，计算时仅考虑单相流动，忽略粉尘等烟气流动影响。在此基础上建立数学模型。

空气运动控制方程

连续方程： （1）

动量方程： （2）

湍流动能（ ）方程：

（3）

湍流耗散（ ）方程：

（4）

化简得到： （5）

以上提到的双方程模型仅适用于离开壁面一定距离的湍流区，它是根据湍流流动的各向同性理论推导出来的，对壁面附近区域，由于固体壁面粘滞力的作用，使湍流流动失去了各向同性的特点，必须要进行单独处理，本文对贴近壁面的部分采用壁面函数法来处理。[5]

矿用电动轮卡车维修厂房流场、温度场分析。厂房设置送风口，见图4和图5。可以看出在此种气流组织条件下，工作区域的温度场可以满足室内采暖要求，新风可有效送至工作区域。气流整体的流动情况为360°送风。由于浮力的作用，送风向上倾斜约为5°～10°，向工作区域扩散，气流从送风口送出后，速度迅速衰减，到工作区位置约为0.2～0.4m/s，之后向着回风口方向运动，至回风口处，速度增加值4～5m/s。

3、实际应用成效

新建矿用电动轮卡车维修厂房主要功能是维修保养矿用电动轮自卸卡车，工作过程中产生有毒有害物质，对人体伤害较大，尤其在冬季还需要保证厂房内的供暖温度，治理难度极大。通过暖通空气环境整体治理系统设计、应用，使室外环境温度低于-20℃时，厂房内工作区域温度不低于10℃，而且经过净化后排放到空气中的气体符合排放标准。自空气净化整体治理系统运行两个采暖期以来，目前应用效果良好，可以有效去除车间内的污浊空气，提高车间内空气质量，并且对于节能效果明显，冬季运行中可以均匀控制车间内昼夜温度。

参考文献：

[1] 韩飞燕，等.散热器对流采暖与地板辐射采暖的比较分析[J].山西建筑，2008，20.

[2] 冀志强.低温热水地板辐射供暖施工技术[J].内蒙古科技与经济，2011，6.

[3]赵宇，高扬.高大厂房采暖设计形式探讨[J].科技创新导报，2012（2）：43

[4]赵彬，林波荣，李先庭，等.室内空气分布的预测方法及比较[J].暖通空调，2001（4）：82-86.

[5]赵彬，李先庭，彦启森.室内空气流动数值模拟的风口模型综述[J].暖通空调，2000（5）：33-38.