建陶厂房窑炉车间大长宽比高温廊道热环境测试分析

蒲 静 蒋福建 牛东兴 袁艳平

（1.西南交通大学机械工程学院 成都 610031 2.中铁科学研究院有限公司 成都 610032）

0 引言

随着我国工业化的快速发展，工业建筑的规模、数量以及建设速度在世界上已属前列，其能耗已占到工业生产总能耗的10%以上[1]。与普通民用建筑相比，工业建筑的生产厂房具有设备多、体量大及内部有较大通敞空间等特点，其生产过程往往会散发大量热量[2]，需消耗较多通风空调能耗来控制其热环境，这一问题在二类工业建筑中尤为明显[3]。因生产工艺的需求，在二类工业建筑中，连续排列的多个高温设备将组成长宽比较大的带状体热源，并在此类热源之间形成高温廊道，这种热廊道普遍存在于机械加工、冶金和陶瓷等行业。在热廊道中，两侧高温热源的热辐射和热对流共同作用将可能造成局部区域过热，而高温的工作环境会对工人健康和生产效率产生负面影响[4-6]。因此，廊道热环境的形成和控制亟待关注。

对工业建筑热环境的研究方法通常为现场实测和数值模拟。其中现场实测的主要目的是揭示人员活动区在各类工业热源作用下热环境的实际情况，以为工作环境的保障与改善研究提供背景支撑。刘显晨等人[7]对某一有大量热源散热的高大空间厂房不同高度和不同热源处的空气温度进行了测试，以明确现有热环境状况，并分析影响自然通风效果的主要因素；孟晓静等人[8,9]对西安某热轧厂房的室内辐射热强度和定向平均辐射温度等参数进行了测试，以揭示强热源工业厂房内部的对流辐射特性；Tian 等人[10]对车间的室内温度和风速进行了测试，以明确通风优化的数值模拟研究；为了获得符合实际的水电站机电设备散热量以正确指导电站内的通风空调系统设计，罗琦[11,12]对三个电站的设备散热量进行了现场测试；Wang 等人[13]则测试了强热源自然通风工业厂房夏季和冬季的空气温度、空气流速、平均辐射温度和WBGT 等数据，以探究高温环境评价指标WBGT 的影响因素。现有研究揭示了不同类型工业厂房的热环境特性，但缺乏对大长宽比带状热源形成的热廊道关注，其热环境特性尚不明确，难以指导廊道环控系统的设计运行。

据此，为掌握高温廊道现有热环境特性，为其厂房与环控系统的设计提供优化措施，本文以建陶厂房的窑炉车间为对象，对其廊道热环境参数进行了现场测试。获取了在自然通风条件下，廊道热源表面温度和垂直方向上的空气温度分布数据，总结了现有热环境特征，研究结果可为其通风方案的有效设计提供参考。

1 现场测试

1.1 测试对象

四川省夹江县是西部最大的陶瓷生产中心，其主要生产陶瓷类型为建筑陶瓷。因生产过程干燥和烧成工序的要求，窑炉设备连续排列，从而在两排设备间形成大长宽比的热廊道。故本文将现场测试对象定为夹江县某建陶厂窑炉车间，厂房长和宽分别为230m 和45m。其中窑炉车间长145m，宽15.2m，廊道宽5.2m，厂区平面图、立面图及测点布置如图1 和图2所示，其中图1 虚线框部分即为窑炉车间，其东、西侧分别与制粉车间和制釉车间相邻，南侧为打包车间。测试窑炉车间除东侧有隔墙外，其他均为开敞区域，且东侧制粉车间设备几乎对进风没有阻碍作用。

图1 厂房平面图及测点布置（单位:m）Fig.1 The horizontal layout of the plant and locations of measurement point(unit:m)

图2 厂房立面图及测点布置（单位:m）Fig.2 The vertical layout of the plant and locations of measurement point(unit:m)

厂房现有降温方式为热压主导条件下的自然通风，北墙和南墙分别布置有高度为1.8m 的一排进风侧窗，屋顶设有高度为1.5m 的两排天窗排风。整个生产工艺为瓷砖坯体从原料区依次送入窑炉进行干燥和烧成，然后经过上釉、磨边等工序，最后送往成品区。窑炉是陶瓷生产重要的部件，其内部工作温度可达到1000℃以上，窑炉两侧每隔2h有工人进行日常巡查检修工作，单次停留时间可长达30min，如图3所示廊道即为工人工作岗位，其中两侧窑炉尺寸为140m×3m×3m，主烟管外径约为0.9m，辅烟管外径约为0.6m。热源面积大且温度水平高，其散热量也大。

图3 厂房窑炉区廊道实景图Fig.3 Real view of the corridor of the kiln plant area

1.2 测试内容

测试时间为2020年7月20日～23日，测试期间厂区生产正常运行。测试内容包括廊道两侧热源表面温度和各测点1.5m、3m、4.5m、5.5m 高度处的空气温度。室内空气温度测点布置如图1 和图2所示，两窑炉中间廊道测点布置按窑炉预热—烧成—冷却生产过程，从北至南依次布置测点为①-④，测点距离两侧热源均为2.6m；西侧窑炉靠制釉车间测点为⑤，东侧窑炉靠外墙测点为⑥，测点均布置在距离热源1m 处。为防止热源高温热辐射对测试结果的影响，在自记仪探头外包铝箔纸。测试车间窑炉总共70 段，每段2m，窑炉表面温度测点按每5 段布置一个，分别对烟气管道、窑顶、上窑墙和下窑墙进行测量，测点示意图如图4所示。

图4 表面温度测点布置示意图Fig.4 Schematic diagram of surface temperature measuring point

1.3 测试仪器

测试所用仪器汇总如表1所示，其中空气温度和热流密度的测量间隔均为15min，表面温度的测量间隔为3h，测量时间总计3 天。

表1 测试所用仪器Table 1 Measurement instrumentation specifications

2 实测结果

2.1 热源表面温度

对于有高温热源的工业厂房来说，各种热源以辐射和对流的方式向厂区大量散热，厂房内空气温度较高[15,16]。因此，确定廊道热源强度，从源头改善廊道热环境，具有重要意义。本次测量采用红外测温仪和红外热成像仪分别对东西侧窑炉表面温度进行了测试，窑炉顶部温度较为均匀，故不考虑分段测量。窑炉及烟气管道不同段表面温度如表2和表3所示。

表2 东侧窑炉不同段表面温度情况/℃Table 2 The surface temperature of different sections in the east kiln/℃

表3 西侧窑炉不同段表面温度情况/℃Table 3 The surface temperature of different sections in the west kiln/℃

从上表可以看出，两窑炉表面温度分布不均且差异较大。这是由于东侧窑炉是烧制瓷砖胚体作用，西侧窑炉是干燥瓷砖胚体作用，而烧成工序温度要求远高于干燥过程。故东侧窑炉表面温度高于西侧窑炉，东侧窑炉窑墙最高温度122.6℃，西侧窑炉窑墙最高温度74.9℃。窑炉外表面温度随内部温度的变化而变化，其中在烧成状态下温度水平最高，窑炉内部温度高达1000℃以上，而预热和冷却阶段工作温度相对较低。选取东侧窑炉烧成段（第43 段窑墙和53 段烟管）为例，其实景照片和红外热成像照片如图5所示。从（a），（b）图可以发现，窑墙表面温度均超过80℃，距离烧成砖越近窑墙温度越高，从（c），（d）图可以发现车间内部烟气管道表面温度低于上窑墙温度。根据GBZ1-2010《工业企业设计卫生标准》[17]中规定，工作人员经常停留或靠近的高温地面或壁板，其表面温度不应大于40℃，瞬间最高温度也不宜大于60℃，而工人经常靠近的窑墙高温段表面温度均超过60℃规定限值。

图5 热源局部实景图和热成像图Fig.5 Local view and thermal image of the heat source

2.2 室内空气温度

测试期间天气为阴转小雨，故选取没有降雨的21 号测试数据进行分析，室外逐时平均温度变化如图6所示，室外平均气温25℃，日最高气温29℃，室外无持续风向，风力等级为1～2 级。图7 给出了窑炉区廊道各测点垂直方向24h 的逐时空气温度变化情况。

图6 室外逐时平均温度Fig.6 The average outdoor air temperature by hour

图7 各测点垂直方向上的逐时平均温度（图(a)～(f)依次对应测点①～⑥）Fig.7 Hourly mean air temperature in the vertical direction of each measuring point

空气测点①～④依次对应窑炉段为24、38、52、66，⑤和⑥测点对应窑炉段为45 段，其中24 段前为预热段，窑炉内部温度较低，24～38 段内部开始升温向烧成段过渡，之后进入高温烧成段，66 段以后温度开始逐步下降向冷却段过渡。从图7 可以看出，廊道空气温度随着窑炉表面温度的变化而变化。①～④测点温度先升高，后稍有降低，③测点空气温度最高，廊道平均空气温度37.5℃。即热源表面温度越高，空间范围内空气温度越高。而热源东侧⑥测点由于距侧墙进风口较近，在风口作用范围内，垂直方向4.5 和5.5m 处温度较低。而距离风口越远温度越高，1.5m 和3m 测点由于距热源较近，空气温度最高达48℃；除⑥测点外，其他区域测点空气沿垂直方向的温度梯度较小，说明热空气没有形成明显的温度分层；这主要是由于东侧侧墙风口进入的冷空气在掠过热源表面时温度逐渐升高，到中间廊道区域时冷空气温度与区域热空气温差逐渐减少至零。此外，各测点24h 逐时空气温度随室外气温波动较小，故廊道热环境主要是由于室内强热源影响。

考虑到工人工作岗位，将距离地面1.5m 高定义为工作区，表4 给出了廊道不同热源段测点工作区温度。从上表发现廊道热源高温段工作区温度超过40℃，工作区平均气温为38.5℃。文献[14]指出工作地点的气温超过38℃即为高温作业，故在现有热压主导自然通风作用下，廊道工作区属于高温作业场所。

表4 廊道工作区空气温度Table 4 Air temperature in corridor working area

3 实测结果分析

3.1 车间热源散热分析

热源表面温度一定程度上决定了厂房内热源强度，故分别对上述测试的热源散热量进行计算。对于室内设备和管道，可只考虑辐射换热和自然对流换热，综合为复合换热过程，其表面散热量简化计算式[18]：

式中：Q为管道或设备表面散热量，W；为散热热流密度，W/m2；A为设备及管道的外部表面积，m2；sα为综合换热系数，W/(m2·K)，按式（2）和式（3）计算；Tw为设备及管道的外表面温度，℃；Ta为环境温度，℃。Tw和Ta的取值均按实测的表面温度和环境温度数据取值。

对于圆筒壁[19]：

对于平壁[19]：

管道表面散热损失按求算术平均值的方法处理，按式（4）计算；设备表面散热损失按求表面积加权平均值的方法处理，按式（5）计算[19]。

式中：n为测点数，个；x1，x2，…，xn-1，xn为管道或设备各段的表面散热热流密度，W/m2；A1，A2，…，An-1，An为各区域面积，m2。散热量计算结果如图8所示。

图8 窑炉车间热源散热量Fig.8 Heat dissipation of heat source in kiln workshop

计算得到本次调研厂房窑炉车间热源总散热量为1795kW，车间余热强度约为93W/m3。由图8可以看出，东侧热源散热量高于西侧，由于窑墙表面温度水平较高、散热面积较大，故廊道两侧窑墙是车间最大的热源。车间热源单位设备表面积散热损失如表5所示。

表5 车间热源参数Table 5 The parameters of workshop heat source

从表5 可以看出，车间热源散热不均匀，上窑墙的单位面积损失高达其他热源的3 倍，热源最小单位面积损失为193W/m2。根据相关保温规范[19-21]的说明：常年运行工况设备、管道及附件保温后外表面温度为100℃时，允许的最大散热损失均不得超过84W/m2。可以发现，窑炉车间热力设备和管道保温工程的单位面积热损远高于规定值。

3.2 窑炉廊道热环境分析

强热源工业建筑内部往往散发大量辐射，仅用空气温度很难准确评价人体舒适。文献[22-24]指出，对于过热环境或辐射换热环境普遍以操作温度作为热环境评价指标，因此本文以操作温度作为廊道热环境对人体热感觉影响的评价指标，根据ASHRAE 手册[25]中操作温度的简化计算公式：

式中：t0为操作温度，℃；ta为空气平均温度，℃；A为相对风速vr的函数，本文取0.5[25]；tr为平均辐射温度，℃。平均辐射温度是指一个假定的黑色等温面的表面温度，人在其中产生的热损失与在真实的内表面温度不均匀的环境的热损失相等，可由面积加权法按式（7）计算[26-28]。

式中：ti为表面i的温度，℃；B为表面面积，m2。

根据以上公式对测试6 个测点的操作温度进行计算，计算结果如图9所示。

图9 夏季各位置操作温度Fig.9 Operating temperature of each measuring location in summer

本文以文献[29]中使用的操作温度35℃限值作为工业建筑操作温度评定标准，从图9 可以看出，廊道除了①测点外，其他测点操作温度均超过35℃，最高操作温度46.6℃，廊道平均操作温度41.2℃，现有热环境较为恶劣。对于高温热源工业建筑，厂房内热源以对流和辐射的形式向室内散发热量，因此合理的通风方式降低厂区热对流作用和有效的隔热措施减少热源热辐射作用对于热环境的改善具有重要意义。

假设空气温度变化对热源表面温度的影响可以忽略不计，即保持平均辐射温度不变，通过式（6）和式（7）计算廊道各位置达到操作温度35℃的空气温度限值，计算结果如图10所示。从图10 可以看出，①测点由于热辐射作用较弱，故通过合理的气流组织使空气温度控制在35℃即可满足要求。③和④测点由于两侧热源温度水平较高，导致平均辐射温度较大，故达到规定操作温度限值的空气温度较低，操作温度为35℃的空气温度控制值为18℃。显然在实际情况中通过通风的方式使厂房温度达到18℃是不现实的，必定消耗大量通风与制冷能耗。因此，对于内热源辐射热量较大的厂房，可以考虑采取有效的隔热措施，例如采用隔热板降低热源对工作区的辐射热量，效果比较显著[30]。以规范[17]规定的工作人员经常停留或靠近的高温地面或壁板，其表面温度不应大于40℃为依据，若采取有效的防辐射措施使廊道热源表面温度达到规定要求，通过式（6）和式（7）计算，则达到操作温度限值的空气温度为30℃。这一结果与上述计算的空气温度控制值18℃相比，在实际环控系统设计中更为合理。因此，强热源厂房降低其内部热源辐射作用是热环境改善的重点方向。

图10 维持操作温度要求的各位置空气温度Fig.10 Air temperature at each measuring location as required by operating temperature

4 结论

为探究大长宽比高温廊道热环境特性，以夹江县某建陶厂房的窑炉车间为例，对表面温度和室内温度进行了测试，并对实测结果进行分析，得到以下结论：

（1）在现有热压主导的自然通风降温方式下，窑炉车间廊道工作区平均气温38.5℃。中间廊道空气沿垂直方向没有形成明显的温度分层。廊道逐时空气温度变化不明显，热厂房空气温度随室外气温变化不大，主要受强热源影响。现有侧墙自然通风方式与热源形式不匹配，室外新风由于热源的遮挡无法直接作用于廊道工作区。东侧热源表面温度范围为43.7～122.6℃，西侧热源表面温度范围为42.5～90.9℃，两热源高温段表面温度均超过规定的60℃热表面温度限值。热源散热量计算结果表明窑炉车间余热强度约为93W/m3。

（2）选取操作温度作为廊道热环境评价指标，发现廊道平均操作温度41.2℃，最高操作温度46.6℃。若不采取防辐射措施，仅采用合理的气流组织，则达到操作温度限值的空气温度控制值为18℃。若采取有效的隔热措施使廊道热源表面温度保持在规范规定的40℃，则达到操作温度限值的空气温度为30℃。这一结果与空气温度控制值18℃相比，在实际环控系统设计中更为合理，能显著降低通风或制冷能耗。因此，对于强热源厂房减少其内部热源辐射作用是热环境改善的重点方向。