工业建筑中局部通风对有害物控制效果的评价方法研究（可编辑）

工业建筑中局部通风对有害物控制效果的评价方法研究西安建筑科技大学硕士学位论文工业建筑中局部通风对有害物控制效果的评价方法研究专业：供热、供燃气、通风及空调工程研究生：于群摘要随着我国工业生产的迅猛发展，工业有害物的散发量日益增加，环境污染问题越来越严重。有害物在危害人类健康的同时，也严重影响企业产品质量。局部通风系统作为响应节能减排号召的有力手段，是现有工业通风中昀高效的通风形式。一直以来，对室内局部通风控制效果的评价普遍集中在利用局部排风罩的捕集内工作人员仍然有可能存在严重的健康危害。而现有的评价室内通风的一系列指标例如换气效率和排污效率并不针对局部通风。因此以室内局部通风系统为评评价有害物的排除效果，还应评价逃逸的有害物对室内环境的影价整个建筑环境内的通风效果。首先，本文对国内外就通风系统评价指标进行了介绍，阐述了各个指标的计算方法、适用场合以及在评价本课题的研究对象时存在的问题。提出适用于本文研究对象的评价指标??目标区标准浓度比。其中，目标区指有害物浓度梯度昀大的一个区域，区域外的有害物浓度梯度基本为零。用室内平均浓度对目标区的平均浓度进行无量纲化，即得到目标区标准浓度比。在捕集效率的基础上运用该指标，不但能够评价出目标区域的控制效果，连同非目标区域的控制效果也能一并其次，提出两种对局部通风系统控制有害物的优化方法。一是对工作区吹吸式通风系统控制室内有害物情况下，相同外界条件和各项参数，不同工人工作位置对呼吸区控制效果进行分析，二是比较相同外界条件和各项参数式通风系统和侧吸式局部排风系统对有害物的控制效果。其中工人位置包括从工人背对吹风口、工人侧对吹风口还有工人面对吹风口三种情况。得出尽管捕集效率相同，但工人侧对吹风口时感受到更低的甲醛浓度；由于吹吸式通风系统能够西安建筑科技大学硕士学位论文将有害物控制在一个更小的目标区内，它对有害物的控制效果比侧吸式局部排风系统更好。昀后，分析和评价两种条件下??不同建筑容积和不同散发量，工作区吹吸式通风系统对有害物的控制效果。得出建筑容积越大，集中在目标区的有害物浓度越高，相对非目标区域的有害物浓度越低，局部通风的控制效甲醛散发量的增加，目标区标准化浓度比减小，说明相对集中在目标区的甲醛量减少，逸散到非目标区的甲醛量增加，充分证明即使捕集效率很物仍然会造成很大的健康危害。本论文所采用目标区标准浓度比不但能够评价工作台附近区域的通风情况，和评价起着一定的指导作用。风机理及其局部环境控制特性研究(50978214)”和高等学校博士学科点专项科研基金(20096128>0110008)的资助。西安建筑科技大学硕士学位论文ResearchforevaluationmethodofharmfulcontrolofWiththerapiddevelopmentofindustrialproductiondistributionsofharmfulsubstancesareincreasing,andsoaretheincreasingproblemsoftheenvironmentalpollution.Theseharmfonlyjeopardizehumanhealth,butalsoseriouslyaffisthepowerfulenergy-savingandreducingthedischarge,andisalsoTheevaluationindexoflocalventilationsystemusuallyusecaptureefficiencyHowever,thethecaptureefficiencyofexhausthoodistheevaluationindexesofcontaminantremovalefficiencyevaluatethetheremovaleffectofharmfulsubstances,andalsotheinfluenceofsituationandinappropriateofstudy?normalizedctheconcentrationsmalltonearzero.NormalizedtargetedzoneistheratioofaverageconcentrationoftargetedzonetoIndooraveragezone,butalsotheuntargetedzooptimizationmethodsofcontrollingharmfulsubstancesofbreathingareainthedifferentworklocationswhenusingworkingarkindsoflocations?woofworkingareapush-pullventilationundertwosituations?differentbuildingbulkeffectismoreprominent.Astheproventhatalthoughthecaptureefficiencyfworkersalsohanormalizedconcentrationinthetargetarea.TheresearchreKeywords:localventilation,controleffect,evaluationFoundationProjectofChProgramofHigherEducation1绪论11.1研究背景11.1.1机械通风系统11.1.2各类局部排风罩的比较.22.1捕集效率82.1.2实验测定方法之一?示踪气体法92.2.1空气龄102.2.2换气次数和换气效率112.2.3排污效率122.3其他指标132.3.1修正换气效率132.3.2实际新风换气次数.142.3.3工作区标准化浓度.152.3.4人体暴露指标152.4目前存在的问题162.5目标区标准化浓度比.162.5.1提出的依据.162.5.2定义式172.6本章小结173数值模拟的理论基础与数学模型的建立及验证193.1计算流体力学数值模拟基本理论193.2数学模型的建立和求解203.2.2数学模型的数值解法243.3数值模拟的验证273.4本章小结314局部通风系统对有害物控制的优化方法32模拟.364.2局部排风形式对有害物控制效果分析454.3本章小结505.2.2局部通风效果评价.565.3本章小结576结论59致谢.60参考文献.61III西安建筑科技大学硕士学位论文随着我国工业生产的迅猛发展，工业有害物的散发量日益增加，环境污染问题越来越严重。严重的环境污染和生态破坏给经济社会带来了严重的负面影响。工业生产中伴随着数以亿吨计的有害物排放，倘若这些有害物不会造成严重的环境污染问题，还会对人民身体健康产生极大危害。对一些特殊的危害人类健康的同时，也严重影响企业产品质量，使生产无以为继。在上述前提下，通风工程针对居住建筑和生产车间的空气条件，一方面对改善室内空气品质、保护人民健康、提高劳动生产率起着重大作用；另一方面在许多工业部门起着保证生产正常进行，提高产品质量的作用。我国"十二五"规划纲要对经济建设的部署中提出，要营造生态宜居的绿色家园。主要包括积极应对气候变化，着重推进节能减排，推动绿色低碳发展，加快建设资源节约型、环境友好型城市。在这样节能减排的营造良好室内环境的同时，尽可能地降低能源消耗并且保护大气环境已经成为当[2]今通风行业面临的主要挑战。1.1.1机械通风系统机械通风是借助风机所提供的风压、风量而使空气流动的方法。它一方面可以通过管道和送、排风口系统有效地将室外新鲜空气或经过处理的空气送到建筑物的任何工作地点，另一方面还可以将建筑物内受到污染的空气及时排到室外，或者送到净化装置处理合格后再予排放。通风方法按通风系统作用范围可以分为局部通风和全面通风。比起全面通风，局部通风的优点在于能够确保通风量，并且能够控制气流运动的方向和气流速度，也能够按所对进风和排风进行处理。对于高大工业厂房，全面通风势必存在通风量大、耗电更大。而局部通风凭借其风量小，效果好的特点，成为防止工业有害物污染室内空气和改善作业环境的昀有效的通风方法。局部通风分为局部送风和局部排风两大类，它们都是利用局部气流使局部工1西安建筑科技大学硕士学位论文作地点不受有害物的污染，造成良好的室内环境。对于面积很大，操作人员较少的生产车间，使用全面通风的方式改善整个车间的空气环境，既增加了通风难度又会造成很大的能源浪费。因此只需要向个别的局部工作地点送创造良好的空气环境，就可以达到安全舒适的要求。而一般的工个或多个局部地点产生有害物，仅存在局部送风无法满足安全要部排风系统对有害物进行排除，从根本上减少工人的暴露危害。所以局部排风系统在局部通风系统中占有很重要的一部分，对有害物的排除也研究的是局部排风局部排风罩是局部排风系统的重要组成部分，其性能对局部排风系统的技术经济效果有很大影响。按照工作原理不同，局部排风罩可分为以(1)密闭罩；(2)柜式排风罩(通风柜);(3)外部吸气罩(包括上吸式、侧吸式、下吸式及槽边排风罩等);(4)接受式排风罩；(5)吹吸式排风罩。随着工业劳作复杂程度的增加，工作区操作设备摆设方式的多样化，传统的局部排风系统有了演化和改善，从而出现不少适应工作区实际情况的局部排风形式。此外，环境友好概念的提出，令工人工作环境和工作过程的舒适性受到越来越多的重视，这也需要妥善的局部排风系统来应对。因此，进行排风罩需综合考虑系统能耗、控制效果等各方面因素。针对不同的工业场合以及有害物特性，可以设计选择合适的局部排风罩种类工作原理适用场合特点将有害物密闭，通风不影响操作而大量散发较少风量就能得到良好的捕密闭罩机抽吸罩内有害物有害物的场合集效果依靠罩口的抽吸力在形式多样，包括上吸式、侧吸外部吸气罩控制点处形成一定的式下吸式、以及槽边排风罩，吸入风速应用范围广排除热设备上部的热射接受由生产过程本身流以及冷设备运动部件罩外气流的运动是生产过程接受式排风罩产生或诱导的有害气产生的夹带粉状物料的产生的，与罩子无关流气流吹风口的风将有害物吸气量较其他排风罩小，能抵吹吸式排风罩槽宽较大或工作区较大吹向对侧的吸气口制横向干扰气流2西安建筑科技大学硕士学位论文除了以上基本的排风罩口形式，还存在一些新的局部通风形式，例如射流下的吸气流装置。它利用吹出的射流将控制区域与其他区域分隔开的吸风气流来捕集有害物。它的特点除了能像吹吸式通风系统那样利用小的风量就能进行远距离控制，还能够阻止外界气流对捕集过程的干扰。1.1.3工业有害气体的来源和危害在喷漆、造纸、化工、纺织物漂白、浇铸、电镀、酸洗、金属冶炼等过程中均会产生大量的有害气体和蒸汽。表1.2几种常见工业有害气体和蒸汽对人体健康的危害污染物种类来源对人体的危害汞蒸气汞矿石的冶炼及汞的生产3西安建筑科技大学硕士学位论文污染物种类来源对人体的危害甲烷煤矿开采过程中产生浓度高会使人窒息，易产生爆炸铅损害消化道、造血器官和神经系统HS矿井内有机物腐烂所产生2苯焦炉煤气、化工危及血液和造血器官设备2含硫金属矿物的燃烧、漂白、强烈腐蚀作用，2纸浆和制酸等生产过程使鼻、咽喉、支气管发炎NO燃烧、化工、电镀急性哮喘、肺气肿和肺瘤X对污染物的控制通风形式，成为我们面临的严肃课题。对室内局部通风效果的评价一直以来普遍集中在对局部排风罩价。因为捕集效率不但是评价排风罩捕集效果的昀有意义的特性之一，它也是对其进行定量评价的昀主要的指标。它被定义为单位时间内排风罩捕获空气污染物的数量与单位时间内工艺过程产生的全部污染物的数量之比，简而言之就是有害物捕集量与发生量之比。国内外学者对局部排风对有害物控制效借助该指标。1.2.1国外研究现状为了真正意义上确定局部排风罩的捕集效果，很多学者都对捕集效率作了实验1986年，FlynnandEllenbecker将经验确定的参数与流场模型结合起来，首次建立了带法兰的圆形罩子的捕集效率的模型；Jankovic等人通过实验验证得到速4西安建筑科技大学硕士学位论文度不是排风效率唯一的决定性因素这一结论；Peng等人给出捕集效率是排风量，罩口面积，有害物距罩的距离，干扰气流速度以及污染源温度的别测量出了直径为100mm的风口以及垂直于罩子中心线的捕集Kee-Chiang等人对全面通风工作环境中局部排风罩的捕集效率证实了全面通风的通风口要远离局部排风罩才能达到好的通风此外，国外学者也运用捕集效率这一指标，对不同工况下的局部排风的控制效焊接烟尘的控制进行了评价，得出吹吸式通风系统能有效减少烟尘的个人暴露量的结论。2001年，Rota等人利用CFD软件对敞口槽吹吸式通风捕集效率行模拟分析，通过分析提出相应的吹吸式通风的设计方法。2002年，Marzal等人利用流动可视化方法来监测吹风口几何要风系统捕集效率的影响，同时可以监测到没有被排风系统捕集到的有害物。在他们后期的研究中，他们发现总效率与吹风口流量之间的关系。也就是总效率曲线是二级回归多项式，它由吹风口流量决定。吹风口流量应不超过某个特定值，否则总效率会下降。激光多普勒测速仪(LDV)观察到了流动结构。对吹吸式通风系统中，不同吹气流速和吸气流速下四种模式??弥散模式，过渡模式，覆盖模式和强吸模式的捕集效率进行比较，得出当流场为强吸模式流态时，捕集效率昀高，即将流场保持在得到昀佳控制效果。2005年方案进行了研究，本着达到90?捕集效率时，所需要排风量昀少的情况为昀佳方案的原则，比较以下四种典型通风方式的优劣：(1)在铸造线之间增加下吸式排风罩；(2)在墙上设置增强喷射的排气装置；(3)顶棚排风罩辅助垂直射流；(4)水平吹吸式通风系统。结果表明水平吹吸式通风系统对有害物的控制效果昀好也昀经济。2009年，OjimaJ指出尽管吹吸式通风系统在局部排风罩方面具有很大的优势，但是由于很难对吹吸式通风系统的特性作定量的评价，所以系统需要相当费力的调试。其中捕集效率的测定则是有效的定量分析手段。他还指出，其他条件相同，如果存在横向气流的干扰，捕集效率会减少到39.3-78.5%,当横向气流不存在，捕集效率能够达到95.1-97.9%。5西安建筑科技大学硕士学位论文1.2.2国内研究现状针对不同的罩口形式，我国学者对捕集效率的影响因素进行了长期而深远的探索。对局部排风罩捕集效率的研究是从彭泰瑶、邵强开始的。早在1988年，他们就对矩形排风罩的捕集效率进行了实验研究，研究结论至今仍然广为应用。实验就越高；在某一距离点上，罩口平均风速越大捕集效率越高。此外，排气罩口应尽量对着发生源散发污染的方向，这样才能达到更高的捕集效率。2005年，马震?用烟气流动可视化方法和激光多普勒测速仪(LDV)观察到吹吸式通风系统中不同吹气流速和吸气流速下四种模式??弥散覆盖模式和强吸模式，并对捕集效率进行比较，得出要想得到好的控制效果，至少保证流场在覆盖模式流态。此外，他也证明了吹吸式通风系统的设计时，较弱的送风速度就能够满足对有害物的控制。件不足的情况下，学者们更倾向于利用模拟手段对研究对象进行分析，这不仅省时还能得到大量数据。2008年，郭建忠、鲍金铃利用fluent软件，对上吸罩物理参数(罩子高度、挡板宽度、排风量)与捕集效率之间的关系进行了研究。得出结论：为降低呼吸带空气中有害物浓度，可以通过降低罩子安装高度来提高呼吸带的平均风速；安装高度和风量一定时，如果要排出同样数量的污染物，有挡板比无挡板所需的风量更少；当系统风量一定，不加挡板的上吸罩，捕集效率与控制距离(无因次)之间呈三次多项式的数量关系。2009年，王怡、任改霞针对高温尘源条件下，风量和排风罩尺寸与捕集效率的关系进行了研究，并得出结论：风量增大到某一值时，捕集效率的升高不明显，所以不能一味的增大送风量，建议风量的设计值应处于风量经济区；风量一定时，通过增加挡板加大排风罩高度，能够提高捕集效率。1.2.3捕集效率存在的问题通过文献调研了解到，对于捕集效率的研究结果充分证明它对于评价局部排风系统性能的重要意义。然而我们知道，存在这样一种情况，尽管捕集效率很高，但室内工作人员仍然有可能存在严重的健康危害。那么人员长期处在这样的工作环境中，不但影响工作效率，更重要的是严重威胁工人健康。6西安建筑科技大学硕士学位论文通过分析可以知道，捕集效率仅仅反映了排风罩的控制效果，而我们往往需要知道整个围护结构内的通风情况，此时如果单一的用捕集效率上述原因说明捕集效率不能够作为评价建筑环境内局部通风控制效果的唯一指标。因此本研究的任务是在考虑捕集效率的前提下，探究其他能够全面评价局部通风系统的指标，从而完善对建筑环境内的局部通风对有害物控制效果的评价。1.3本课题研究的主要内容和意义本研究以工业厂房为主要研究对象，以计算流体力学和传热学为理论基础，以实验研究和数值模拟为手段，分析了现有室内各种评价局部通法，在前人基础上提出了更加适合本文研究对象的评价指标。主要工作如下：人基础上，探索适用于室内局部通风效果的评价方法。2.本课题选取了工业建筑用高大空间建筑的模型，对吹吸式通风系统中对不同位置工人呼吸区控制效果进行分析，此外，比较工作区吹吸式通风系统和侧吸式局部排风系统对有害物控制效果。3.分析和评价不同建筑容虽然我国对局部通风技术研究起步较早，但是对系统性能的评价指标相对单一，仅仅凭借捕集效率这一指标，无法全面且合理评价系统对污染物的控制效果。而我国目前一些评价指标例如通风效率、换气效率等主要以整个室内为研究对象，它们在评价工业建筑局部通风效果时，并不适用。所以提出新的评价指标乃至评不同工况选择恰当的局部通风方式是具有现实意义和工程参考价值的。7西安建筑科技大学硕士学位论文2现有评价指标的分析以及新指标的提出局部排风系统性能的评价指标??捕集效率，另一个是评价室内通的理论基础。2.1捕集效率捕集效率对于局部排风的意义重大，它不仅能够反映局部排风罩且它是能够定量的评价出局部排风罩控制效果的重要指标。从式的优选的可靠依据。捕集效率是单位时间内排气罩捕获空气污染物的数量与单位时间内工业过程产生的全部污染物的数量之比。定义式如下：dbp其中η表示捕集效率，Cs表示污染源处的浓度，C表示排风口bpCo表示背景浓度。影响捕集效率的主要因素主要有：①排气罩与污染源之间的距离某一距离物对人体的有害程度来定，此时，尽可能使得排气罩靠近有害物较小的罩口平均风速，从而减少风道的空气流量，降低能源的消②排风量但当风量增大到一定程度时，捕集效率不再有明显的变化。所以局部排风8西安建筑科技大学硕士学位论文③发生源释放污染物的方向和它与排气罩的相对位置彭泰瑶、邵强等人的实验证明，当排气罩对着污染物方向时的捕集效率高于其他情况的捕集效率。因此在排风罩的设计中，排风罩与发生源④排风口尺寸排风口尺寸越大，捕集效率越高，当排风口尺寸一2.1.2实验测定方法之一?示踪气体法针对气体，测定捕集效率通常采用示踪气体法。示踪气体法是在建筑物内或送回风中有控制地释放一定量的示踪气体，测量室内或送回风中示踪气体浓度随时间的变化，从而定量分析室内空气的流动情况。这种测量技术不仅可以应用于测量具有稳定流型的气流组织情况，而且可以研究气流变化剧型的空气流动，因此在研究建筑物内的空气流动中有极其广泛的应用范围。(1)示踪气体的选择包括可测性.稳定性，无毒性和在大气中的浓度低。常用的示踪6仪的种类及实验中释放气体所需费用，所以示踪气体的选择非常重要。为降低示踪气体的费用应考虑选择可测浓度较低、单位体积价格较为便宜的示踪气体。国外研究中所用的示踪气体主要有SF、氟利昂等，这些气体无毒无害满足安6全要求，但这类示踪气体密度较大，是空气密度的5倍以上，因此不易与空气充密度比较大也带6来另一问题，单位体积价格相对较高，可能使得应用于测量研究而释放示踪气体费用非常高。另一种常用示踪气体是NO和CO,它们没有以上2度超过25ppm时会危害人体健康。CO对人体无害，但空气中有一定的含量CO.同时人的呼吸时也会产生.因此浓度可能会不稳定，从而影响测量结果。甲烷性质当体积百分比浓度大于5%小于15%时，甲烷具有爆炸性。所以较少的被应用为示踪气体。但甲烷的可测浓度较低，可以采用比较低的实验浓度，保证实验时现场任意点的浓度都远远低于可燃浓度，并采取相应的措施，就可保证实验安9西安建筑科技大学硕士学位论文(2)实验方法彭泰瑶、邵强等人于1988年就对局部排风罩的捕集效率进行了实验测定。他们在实验室建立局部排风系统，模拟工作现场的污染物发生源的形式，在控制条件下，通过发生源模型连续释放SF。将SF发生源置于局部排为此时排风罩能将全部的SF都捕集进入风道。然后将示踪气体发生源置于距排风6罩不同距离处，测试通过在风道内采样，测得SF的浓度与罩口释放的浓度的比值，6即为排风罩的捕集效率。2.2室内通风效果的评价指标2.2.1空气龄空气龄的概念昀早于20世纪80年代由Sandberg提出。根据定义，空气龄时，某点的空气龄越小，说明该点的空气越新鲜，空气品质就越好。空气龄还反映了房间排除污染物的能力，平均空气龄小的房间，去除污染物的能力就强。就空气龄方便理解，评价效果直接的优点，它有着很广泛的应用。空气龄的实验测定可以通过三种方式，分别为脉冲法、上升法和下降法。脉冲法测量空气龄的方式是在通风房间内的入口释放少量示踪气体，记录被测点浓度变化过程，从而得到频率分布函数，空气龄的计算式如下：ppfT2-2pʃ08OOppʃfpOpS0上升法测量空气龄的方式是在房间入口处恒定释放示踪气体，记录被测点的浓度随时间变化的情况，其累积分布函数和空气龄的计算式分别ppp10西安建筑科技大学硕士学位论文pp下降法测量空气龄的方式是待房间内各点的浓度平衡之后，停止示踪气体的的加入，测量被测点的浓度变化过程，其累积分布函数和空气龄的pppS0pp2.2.2换气次数和换气效率nn房间换气次数定义为：QV式中，n为房间的换气次数(次/h)。换气次数可以通过示踪气体法测得。上升法中，根据质量平衡可以得到mCe积V,即可得到换气次数和名义时间常数。下降法中，均匀混合条件下房间出口浓度与初始浓度具有下列关系：eTn可以通过测量出口浓度和初始浓度得到名义时间常数和换气次在理想“活塞流”通风条件下，房间的换气效率昀高。此时房间平均空气龄昀小，它和出口处的空气龄、房间的名义时间常数存在以下的关因此，可以定义活塞流下房间的平均空气龄与实际通风条件下的比值为换气效率，它反映了新鲜空气置换原有空气的快慢与活塞通风下置换快慢的比例，定11西安建筑科技大学硕士学位论文义式为：TTpp通过计算得到名义时间常数和房间平均空气龄之后，根据式到房间的换气效率。各点的换气效率由各点的空气龄与名义时间其中房间平均空气龄的测量和计算方法如下：房间平均空气龄的测量方法也可以使用示踪气体法，以下是三种房间平均空