某工业厂房的空调设计和流场优化文献综述
2022-10-23 10:09:25
文献综述(或调研报告):
近年来,中国工业发展态势迅猛,面积和规模都有了很大提高,且仍处在增长期。据统计,中国每年建设的工业面积超过5亿平方米,年增长率超过13%。然而,快速的发展也带来了一些不可忽视的问题,例如空调系统和工业发展的不匹配。
相较于巨大的工业规模,不少工厂的空调系统效率依然比较低下。在大多数情况下,传统工业车间内会产生大量的污染,例如烟雾、灰尘、液滴和废热等,这些都会对工业生产造成显著影响,高浓度的污染和废热不仅会降低生产效率,也会加剧设备损耗,因此,合理的能够有效控制污染、改善生产环境的通风系统是非常重要的。事实上,消除这些污染也是传统工业建筑设计中典型的考虑因素,但是,由于设计限制、设备老旧等原因,空调和通风系统的效率往往还不够尽如人意,考虑到这一系统在全厂能耗中所占比例甚至可以达到80~90%,这种和工业生产水平的不匹配将导致全场能源消耗的剧增,因此,对空调系统的改进在社会和经济意义上有着很大的紧迫性。
此外,劳动者的安全与身心健康也是不容忽略的,在降低能耗的同时,通过提高室内环境的空气品质和热舒适性来保障工人的健康有很大意义,这也有助于提高工人的生产积极性。影响劳动者热舒适的因素相当复杂,空气的温度、湿度、气流速度等都会对人体感受产生影响,同时,个人感受到的舒适度与服装、活动类型和个人体质也有相当大的关系,难以简单评价。不过,在经过多年研究之后,各个国家和组织也纷纷建立了自己的热舒适标准,根据国际标准化组织(ISO)的ISO7730热舒适标准,冬季室内温度在20~24℃之间,颈部到脚踝的垂直温差不超过3℃,垂直方向不对称辐射温差不超过5℃,水平方向不对称辐射温差不超过10℃,并且相对湿度要处于30%到70%区间,平均风速v小于等于0.15m/s;而夏季室内温度要在23~26℃间,颈部到脚踝的垂直温差不超过3℃,相对湿度处在30%到70%,平均风速v小于等于0.25m/s,这一标准基本可以作为空调设计中的一条参考依据。
在现代厂房的暖通空调设计中,工艺性和舒适性都是需要考虑的因素,整个设计复杂度其实很高,在不大幅增加成本的情况下满足功能需求更是对设计者能力和水准的考验,充分了解工厂工艺和细节情况,从整体出发充分进行考虑都是必须的。
根据本次工程对象的厂房特点可知,作为热加工车间,在生产过程中会产生大量的辐射热和对流热,以及部分外溢的烟尘,这对通风系统提出了一定的设计要求。从化学角度来看,烟尘中含有浓度较高的二氧化硅,容易引发肺组织的纤维性病变,即尘肺,同时车间内也会产生CO、丙烯醛、氰化氢、氨等气体,在加强工人个人防护的同时,车间内也必须配备高效的通风除尘系统。
本工程作为典型的工业厂房,实际温湿度要求较高,考虑到经济效率和便捷程度,我们选择在非空调季节利用屋面通风口进行自然通风,或者采用全新风运行,而在自然通风无法满足室内环境需求时采用机械通风以满足热湿负荷、新风量、回风量等设计需求,这些都需要将当地气象参数、室内设计参数等纳入考量之后进行设计计算。例如考虑到车间的面积和跨度都比较大,周围部分通风比较好,而中部效果会差一些,从厂房布局来看,设备大多又处在厂房的中部,这都对空调系统的设计布局提出了实际的需求。通过合理的布局来调整气流组织将会显著影响室内的各种参数。合理的气流组织方式,不但能改善室内的热湿条件,使工艺环境符合标准,还能降低能耗、减少送风量,从而减少噪声等一系列额外的问题。
同时,工业厂房对厂区环境也有一定的要求,设备工作产生的蒸汽、烟雾等有污染厂房的危险,所以在节能考虑之余,合理设计系统对其进行控制处理也很重要。在满足稀释车间内有害物质、改善空气品质、达到热湿需求的前提下设计一个节能而环保的空调布置方案,为工厂创造一个安全而高效的工作环境的同时最大限度地节约能源才是我们最终的设计目的。
在本次设计中,由于条件限制,我将以理论研究和计算机模拟为主,在已有理论知识基础上加以分析得出结论,并用此指导探究方向,采用计算机数值模拟进行研究。相比因成本、时间等限制无法进行的实验,计算流体动力学(CFD)设备要求简单,结果直观,成本较低,可以较容易地对气流组织等进行研究,从而获得一些结果和参数,在无法进行实际建设的情况下对我这次的设计尝试非常有帮助。
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