摘要針對(duì)防護(hù)工程高大空間有害物質(zhì)檢測(cè)導(dǎo)致房間通風(fēng)量大、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗高，及早期工程難以改造實(shí)現(xiàn)的不足，提出了變頻過(guò)濾的局部通風(fēng)技術(shù)思路，通過(guò)模擬仿真及實(shí)測(cè)驗(yàn)證，該技術(shù)有效提升了對(duì)房間內(nèi)有害物質(zhì)的控制能力，降低了系統(tǒng)能耗，為新建及改建工程承擔(dān)此類任務(wù)提供了新的技術(shù)解決方案.

　　關(guān)鍵詞 防護(hù)工程：高大空間：有害物質(zhì)：能耗

　　Abstract In view of the task of harmful substances detection in the high and large space of protective engineering, and the resulted problems of large volume of room ventilation, high energy consumption of the ventilation and ai conditioning svstem and the difficulties in the reconstruction of the earlier projects, this paper puts forward the concept of local ventilation technology of frequency conversion filtration. It is proved through simulation and experimen-tal verification that this technology has effectively improved the control capability of hannful substances in the room and reduced the energy consumption of the system, which provides a new technical solution for new and modification projects to undertake such tasks.

　　Keywords protective engineering: high and large space; hamful substances; energy consumption

　　一些特殊防護(hù)工程高大空間承擔(dān)著有害部件的儲(chǔ)存及檢測(cè)任務(wù)，傳統(tǒng)的檢測(cè)操作臺(tái)為普通平臺(tái)，有害物質(zhì)在檢測(cè)過(guò)程中易產(chǎn)生大量有害物質(zhì)及氣體，并擴(kuò)散至整個(gè)地下空間"。因部分有害部件體積大、質(zhì)量重、需翻轉(zhuǎn)，且需要多人同時(shí)檢測(cè)操作，傳統(tǒng)的通風(fēng)柜等局部排風(fēng)裝置不能滿足此類檢測(cè)任務(wù)。為將有害氣體排出高大空間，規(guī)范要求采取全新風(fēng)的全面通風(fēng)換氣措施，換氣次數(shù)要求為6次/h，導(dǎo)致通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)裝機(jī)容量大、運(yùn)行費(fèi)用高，但有害物質(zhì)仍會(huì)殘留在高大空間的墻壁、拱頂及地面，洗消處理困難，不利于操作人員的身心健康。特別是一些早期的防護(hù)工程，設(shè)計(jì)時(shí)選用的通風(fēng)管徑細(xì)、通風(fēng)量小，如使之具備此類有害部件的檢測(cè)功能，依靠傳統(tǒng)的改造技術(shù)手段難以實(shí)現(xiàn)，亟需一種全新的局部通風(fēng)技術(shù)。

　　1總體研究思路

　　降低高大空間通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗的一個(gè)關(guān)鍵手段就是要營(yíng)造出科學(xué)合理的局部通風(fēng)空調(diào)環(huán)境[2-3]，采用層流送風(fēng)的方式將有害物質(zhì)控制在規(guī)定區(qū)域，并將有害物質(zhì)就近過(guò)濾凈化，切斷其傳播途徑[43]。系統(tǒng)構(gòu)成包括可排風(fēng)操作臺(tái)、一體化層流送風(fēng)口、有害物質(zhì)過(guò)濾凈化系統(tǒng)及變頻通風(fēng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在較小風(fēng)量的前提下，將檢測(cè)過(guò)程中散發(fā)的有害物質(zhì)控制在規(guī)定區(qū)域，并及時(shí)凈化處理，杜絕了有害物質(zhì)擴(kuò)散至其他區(qū)域的隱患，且在操作人員頭部區(qū)域形成穩(wěn)定可靠的新風(fēng)層流，為操作人員營(yíng)造出安全健康的工作環(huán)境[]，系統(tǒng)運(yùn)行能耗低、有害物質(zhì)殘留易洗消。該系統(tǒng)運(yùn)行流程為：將經(jīng)處理的新風(fēng)通過(guò)上部一體化層流送風(fēng)口送至操作區(qū)域，操作臺(tái)面上散發(fā)的有害物質(zhì)被吸入有害物質(zhì)過(guò)濾器進(jìn)行凈化處理，并通過(guò)變頻排風(fēng)機(jī)及排風(fēng)管排出工程。控制系統(tǒng)通過(guò)操作臺(tái)兩側(cè)有害氣體濃度傳感器、操作區(qū)域溫濕度傳感器、有害物質(zhì)過(guò)濾器后排風(fēng)管內(nèi)壓力傳感器，監(jiān)測(cè)操作臺(tái)周圍有害氣體濃度、溫濕度及排風(fēng)管內(nèi)壓力值大小，控制變頻排風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小，將房間內(nèi)有害氣體濃度控制在規(guī)定范圍內(nèi)[4]。空間內(nèi)局部排風(fēng)與全面排風(fēng)的作用和相互關(guān)系見(jiàn)表1，其通風(fēng)原理及系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1-3

　　2模擬計(jì)算

　　局部通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際效果如何，取決于良好的氣流組織及操作臺(tái)面對(duì)有害物質(zhì)的捕捉能力，特別是合理確定操作臺(tái)面排風(fēng)口的布置形式、風(fēng)口大小、排風(fēng)量的大小、各操作臺(tái)模塊間的風(fēng)量平衡等。本文以一實(shí)際高大空間為參照，建立了計(jì)算模型并進(jìn)行了模擬計(jì)算。

　　2.1幾何模型

　　該工程為一早期工程，因功能定位需承擔(dān)有害部件的檢測(cè)任務(wù)。內(nèi)部一高大空間房間的幾何尺寸為20.0 m x 12.0m ×6.5 m(LxBxH(拱高))，房間體積為1920 m，如圖4所示。早期設(shè)計(jì)時(shí)房間按1次/h的換氣次數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)風(fēng)量為1920m/

　　h，埋設(shè)的風(fēng)管管徑為D320，如按6次/h的換氣次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，則房間設(shè)計(jì)風(fēng)量為11 520m，/h，風(fēng)管管徑需擴(kuò)大為D800，因房間有防內(nèi)爆要求，風(fēng)管均埋設(shè)進(jìn)出，擴(kuò)大埋設(shè)風(fēng)管管徑難度極大，亟需改變?cè)O(shè)計(jì)思路，引入局部通風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)仍采用原D320風(fēng)管及1920 m，/h的通風(fēng)量，利用操作臺(tái)對(duì)有害物質(zhì)及氣體的捕捉能力營(yíng)造符合要求的室內(nèi)空氣環(huán)境[].

　　根據(jù)確定的設(shè)計(jì)風(fēng)量，如圖1所示，在操作臺(tái)上方設(shè)置送風(fēng)口2個(gè)，尺寸1 000 mm x 500 mm;在房間側(cè)墻兩側(cè)設(shè)置排風(fēng)口，每一格操作臺(tái)中心位置兩側(cè)各對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)排風(fēng)口，尺寸250 mm x250 mm，共10個(gè)。操作臺(tái)兩側(cè)邊緣及中間各設(shè)置有2排6 mm孔徑大小的圓孔作為操作臺(tái)排風(fēng)口。

　　2.2邊界條件

　　房間總風(fēng)量為1920 m/h，通過(guò)逐漸增加操作臺(tái)排風(fēng)量的方式，多次模擬得出更優(yōu)效果，入口條件為均勻速度分布，采用速度入口，出口條件采用速度出口，保證進(jìn)出控制區(qū)域的流量相等。下面分別給出操作臺(tái)排風(fēng)量為500，800.1 000 m/h時(shí)的邊界條件。

　　送風(fēng)口采用速度入口，風(fēng)口風(fēng)速為0.86 m/s，送風(fēng)溫度26℃，相對(duì)濕度35%;側(cè)墻回風(fēng)口為速度出口，對(duì)應(yīng)操作臺(tái)排風(fēng)量分別為500，800.1 000 m/1

　　h，風(fēng)口風(fēng)速分別設(shè)為0.64.0.50.0.42 m/s：操作臺(tái)回風(fēng)口設(shè)置為速度出口，為了簡(jiǎn)便模擬，采用10mm寬的長(zhǎng)條代替，對(duì)應(yīng)操作臺(tái)排風(fēng)量分別為500，8001000 m/h，風(fēng)口風(fēng)8分別為0.23.0.37.0.46 m/s.操作臺(tái)上設(shè)置球形污染物，污染物濃度設(shè)置為0.2 mg/m'。房間壁面溫度定為18℃，房間初始溫度定為20℃，相對(duì)濕度為50%，污染物初始濃度為0。

　　2.3 數(shù)學(xué)模型

　　計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬的基本思想可以歸結(jié)為：把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值，CFD可以看作是在流動(dòng)基本方程(質(zhì)量守恒方程，動(dòng)量守恒方程，能量守恒方程)控制下對(duì)流體流動(dòng)的數(shù)值模擬[to-1本次數(shù)值模擬計(jì)算中，采用有限容積法，所用模型為標(biāo)準(zhǔn)Kt雙方程模型，求解問(wèn)題為三維非穩(wěn)態(tài)的不可壓縮黏性流體湍流流動(dòng)。由于湍流時(shí)均方程組不封閉，在Kt雙方程模型中，附加了K方程和方程，因而可以構(gòu)成封閉的方程組，能夠求解。湍流動(dòng)量擴(kuò)散率，與流動(dòng)能K之間有如下關(guān)系：

　　式中:νt表示湍流動(dòng)量擴(kuò)散率;Cμ表示常數(shù); K表示湍流動(dòng)能;ε表示湍流動(dòng)能擴(kuò)散率。

　　以上模型及各系數(shù)適用在高雷諾數(shù)條件下，由于房間氣流雷諾數(shù)大于200[1]，其模型為高雷諾數(shù)模型，可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)Kt雙方程模型，無(wú)需修正。

　　2.4計(jì)算結(jié)果

　　采用軟件默認(rèn)收斂條件，經(jīng)過(guò)多次模擬計(jì)算，最終確定在操作臺(tái)四周布置孔口排風(fēng)口，操作臺(tái)的排風(fēng)量為1 000 m/b，室內(nèi)兩側(cè)排風(fēng)量為920 m/h。受篇幅限制，同時(shí)考慮保障重點(diǎn)為人員操作區(qū)域的空氣質(zhì)量，本文僅列出在上述排風(fēng)量下人員操作區(qū)域YZ斷面處的模擬結(jié)果圖，各斷面模擬結(jié)果分別見(jiàn)圖5-8

　　房間環(huán)境保障要求：干球溫度15℃-25℃，相對(duì)濕度<70%;由圖54圖8可以看出，相對(duì)于操作臺(tái)500 m，/h的排風(fēng)量，操作臺(tái)的排風(fēng)量增加到1000

　　m'/h后，操作區(qū)域各種空氣參數(shù)指標(biāo)如下：(1)操作臺(tái)上方的空氣流動(dòng)速度明顯加大，約為0.052 m/s。房間兩側(cè)風(fēng)管排風(fēng)速度由原來(lái)的0.66 m/s減小到了0.43 m/s，有效地抑制了操作臺(tái)上方污染物向兩側(cè)排風(fēng)口的擴(kuò)散。

　　(2)操作臺(tái)表面排風(fēng)量的增加并沒(méi)有破壞室內(nèi)空氣的溫度分布形式，室內(nèi)溫度的分布和沒(méi)有增加排風(fēng)量時(shí)基本一樣，維持在20℃-21℃左右。(3)操作臺(tái)表面的排風(fēng)量的增加并沒(méi)有擾亂室內(nèi)相對(duì)濕度的分布，操作區(qū)域的相對(duì)濕度仍為50%

　　左右，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

　　(4)操作臺(tái)排風(fēng)量增加到1000 m/h后，操作臺(tái)面上污染物的濃度最大值增加至0.2 mg/m'，污染物在操作臺(tái)表面的擴(kuò)散范圍減小了。這是由于操作臺(tái)表面的排風(fēng)速度增加，在污染物周圍形成了一層氣流，包裹住了污染源，使其散發(fā)出的污染物不向外擴(kuò)散，進(jìn)而被排風(fēng)由操作臺(tái)下方帶走。由此可見(jiàn)，適當(dāng)?shù)卦黾硬僮髋_(tái)的排風(fēng)量是可行的，這樣可以有效地控制污染物擴(kuò)散。

　　2.5 討論分析

　　通過(guò)對(duì)不同模型、不同輸入?yún)?shù)的模擬計(jì)算，并立足工程現(xiàn)狀，可以得出如下結(jié)論：

　　(1)在操作臺(tái)相同的局部排風(fēng)量下，操作臺(tái)表面周圍布置風(fēng)口的形式優(yōu)于其表面全部布置風(fēng)口的形式。

　　(2)排列有序的圓形孔口排風(fēng)效果優(yōu)于方形孔口的排風(fēng)效果。

　　(3)在操作臺(tái)表面風(fēng)口形式一樣的前提下，局部排風(fēng)量越大，污染物的擴(kuò)散范圍就越小。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量提高污染源周圍的排風(fēng)速度。

　　(4)操作臺(tái)表面的風(fēng)口布置形式和排風(fēng)量的變化基本不會(huì)影響室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度的分布。(5)每個(gè)模塊單元分別設(shè)置排風(fēng)靜壓箱，每個(gè)靜壓箱單獨(dú)設(shè)置排風(fēng)支管與總風(fēng)管相接，且在各排風(fēng)支管上設(shè)置調(diào)節(jié)和關(guān)閉閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)各模塊單元排風(fēng)量一致，排出有害氣體均衡效果顯著。

　　3試驗(yàn)研究

　　試驗(yàn)?zāi)康氖菣z查該裝置能否滿足設(shè)計(jì)要求，主要包括：空間內(nèi)溫濕度情況，送風(fēng)對(duì)污染氣體的壓制效果，排風(fēng)系統(tǒng)對(duì)污染氣體的捕捉能力，變頻系統(tǒng)的控制能力。

　　3.1試驗(yàn)方案

　　針對(duì)以上問(wèn)題，制定如下試驗(yàn)方案：

　　(1)在檢測(cè)區(qū)域組裝5個(gè)操作臺(tái)模塊。

　　(2)送風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)。對(duì)應(yīng)每臺(tái)局部通風(fēng)裝置的上部，設(shè)置層流送風(fēng)口，用風(fēng)速儀和風(fēng)量?jī)x檢測(cè)操作人員呼吸區(qū)域的風(fēng)速和風(fēng)量，通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)口部閥門(mén)，滿足一定的送風(fēng)速度和送風(fēng)風(fēng)量，保證操作人員有足夠的新鮮空氣感覺(jué)的同時(shí)，又能使送風(fēng)對(duì)污染氣體起到壓制作用，并使送風(fēng)風(fēng)速控制在一定范圍內(nèi)，避免風(fēng)速過(guò)大而攪動(dòng)污染氣體，造成污染氣體飄溢。除用風(fēng)速和風(fēng)量?jī)x器檢測(cè)外，同時(shí)進(jìn)行人工觀測(cè)和模擬操作人員工作狀態(tài)進(jìn)行親身感受。

　　(3)排風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)。在5個(gè)操作臺(tái)面的中心，分別放置干冰，利用干冰的融化霧氣來(lái)模擬有害氣體。因?yàn)楦杀诨F氣的流動(dòng)特性與有害氣體相似，通過(guò)觀察霧氣的流動(dòng)走向，及工作臺(tái)面上排風(fēng)孔洞對(duì)霧氣的吸入能力和狀況，驗(yàn)證操作臺(tái)對(duì)有害氣體收集的可靠性。

　　(4)變頻系統(tǒng)控制試驗(yàn)。通過(guò)改變排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量和風(fēng)壓，檢測(cè)變頻系統(tǒng)的響應(yīng)能力，以滿足實(shí)際使用要求。同時(shí)在變頻控制柜液晶屏中讀取排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量和風(fēng)壓，并用手持風(fēng)量?jī)x和測(cè)壓儀進(jìn)行校核。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)吻合性較好，驗(yàn)證了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性及局部通風(fēng)技術(shù)的可靠性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比情況見(jiàn)表2，各現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況見(jiàn)圖9-12.

　　3.2 測(cè)試結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)該局部通風(fēng)裝置的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)和觀察不同工作狀態(tài)下的運(yùn)行情況，結(jié)論如下。

　　(1)空間內(nèi)溫溫度保障效果良好，層流送風(fēng)能有效將有害物質(zhì)及氣體壓制在工作臺(tái)面上，不飄散、不外溢。

　　(2)排風(fēng)系統(tǒng)能將干冰霧氣吸附于工作臺(tái)表面，并被排風(fēng)孔快速吸入排風(fēng)靜壓箱后排出。

　　(3)通過(guò)對(duì)各單元排風(fēng)系統(tǒng)中的閥門(mén)調(diào)節(jié)，5個(gè)工作臺(tái)的排風(fēng)量均衡，干冰霧氣排出效果均勻。(4)針對(duì)不同工作狀態(tài)的運(yùn)行，變頻風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，實(shí)測(cè)和感觀效果與液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)一致。

　　4結(jié)論

　　按設(shè)計(jì)規(guī)范要求，部分承擔(dān)有害物質(zhì)檢測(cè)任務(wù)的高大空間換氣次數(shù)通常為6次/h，其目的是為了保證操作區(qū)域的空氣質(zhì)量，并將有害物質(zhì)及時(shí)置換出去。而很多早期工程此類房間的換氣次數(shù)僅為1次/h，操作區(qū)域空氣質(zhì)量得不到有效保障，若增加換氣次數(shù)則需加大原有通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)管管徑，大量穿墻孔洞需要擴(kuò)大，施工十分困難甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)，并可能對(duì)原有結(jié)構(gòu)造成破壞。在新建工程中，此類房間起拱高、空間大，為保證操作區(qū)域的空氣質(zhì)量及快速排除有害物質(zhì)，需要增加整個(gè)大空間的換氣次數(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)量大，空調(diào)能耗高，建設(shè)投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。

　　本文提出的高大空間局部通風(fēng)技術(shù)，在盡量不改變?cè)兴团棚L(fēng)系統(tǒng)的前提下，使高大空間內(nèi)操作區(qū)域的換氣次數(shù)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，并將有害物質(zhì)集中收集、就地凈化，切斷了其擴(kuò)散的途徑，有效提升了空間內(nèi)的環(huán)境保障質(zhì)量。此技術(shù)如應(yīng)用到新建工程中，同樣能降低系統(tǒng)通風(fēng)量、縮減通風(fēng)管徑，降低工程投資及陣地運(yùn)行費(fèi)用，達(dá)到響應(yīng)軍隊(duì)建設(shè)節(jié)能降耗號(hào)召的目的。

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文章名稱： 防護(hù)工程高大空間局部通風(fēng)技術(shù)研究

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