热加工厂房建筑自然通风的模拟方法及通风量预测模型研究

In China，70% of the total energy is consumed by the industry, in which industrial building energy consumption takes 10%. Despite that, the polluted air produced during the manufactory processes threatens the health of the workers. At home and abroad, environmental control and energy saving method such as natural ventilation is popularly utilized to improve the internal environment and reduce the building energy consumption. However, design of the natural ventilation in such buildings is limited to the unknown effect coupled by multiple thermal sources and naturally ventilation, lack of efficient, accurate simulation techniques and difficulty in evaluating ventilation rates. Therefore, this project aims to utilize state-of-art techniques involving simulation and experimental tools, to measure and analyze the fluid mechanism of the indoor and outdoor air conditions. Based on the experimental and numerical results from the study, we will further develop the numerical tools that can couple the airflow, mass and energy transport between the internal and external environment. The theory and numerical platform developed in the project can be further applied to other renewable energy industrial building to improve the indoor environment and reduce the energy consumption.

我国工业能耗占社会总能耗的70%，其中工业建筑能耗为工业能耗的10%；很多工业过程产生的空气污染危及工人健康。国内外正利用自然通风这种环境控制和节能方法来改善工业建筑内部空气质量并减少建筑能耗。目前针对高耗能的热加工厂建筑，对室内多热源和自然风驱动的耦合作用原理了解不足；缺乏高效、准确的室内空气流动的模拟手段；缺乏精确的自然通风量计算模型，已成为自然通风系统设计的瓶颈。本项目拟采用实验和数值模拟的方法，研究建立工业建筑内外环境的空气流动和传热传质的动态耦合模拟方法，并完善工业建筑自然通风的评价方法，为最终实现低能耗工业建筑奠定坚实的理论基础。

我国工业能耗占社会总能耗的70%，其中工业建筑能耗为工业能耗的10%；国内外正利用自然通风这种环境控制和节能方法来改善工业建筑内部空气质量并减少建筑能耗。然而针对高耗能的热加工厂房建筑，对室内多热源和自然风驱动的耦合作用原理了解不足；缺乏高效、准确的室内空气流动的模拟手段；缺乏精确的自然通风计算模型，已成为自然通风系统设计的瓶颈。.本项目采用实验和数值模拟结合的方法研究热加工厂房内外空气流动和传热耦合的物理模型。在实验方面，采用红外热成像仪测量了某高炉、转炉和轧钢车间的热边界特征；采用手持式传感器测量了车间内若干点的空气风速和温度。本项目开展了人工环境舱实验，对高温热源条件下的室内强自然对流流场进行了比例模型试验，以获得空气流动和传热耦合的物理模型。本项目开展了1:25建筑模型的风洞试验，对开口尺寸和位置对建筑室内外流场的影响进行了研究。本研究开展了1:60比例建筑模型风洞试验，对建筑屋顶形式对室外流场的影响进行了分析。本研究还对厂房建筑室内外流场的计算流体力学模型进行了研究。研究了强自然对流条件下的CFD模拟方法，对传统的有限体积法的湍流模型进行了筛选，并将该方法的模拟结果与格子玻尔兹曼法进行了对比。最后，本研究分析了复合多因素对自然通风量定量表达的影响，分析了不同开口尺寸、位置和屋顶形式对建筑自然通风的影响。本项目还对实际测量过程中的测点优化选择问题进行了研究。.上述研究有以下结果：1）实际热加工厂房建筑室内外流动和传热受不同工艺过程的影响很大，同时还受辐射、对流和相变传热过程的影响。在部分工艺如转炉和高炉出铁过程中，流场和温度场呈非稳态变化。2）在室内强自然对流的模拟中，采用稳态V2f湍流模型比SST κ-ω 和RNG k-ε 模型总体上跟实验值更接近，但是在热源表面附近仍存在较大偏差。3）风洞试验的结果表明室内的速度分布受入口尺寸和与出口的相对位置的影响。4）自然通风量受入口大小和位置影响很大，与斜形、拱形屋顶相比，平形屋顶在建筑屋顶迎风区域产生负压区，更利于自然通风设计。5）与均匀布点法相比，基于梯度法的测点优化算法可以在相同测点条件下获得更精确的室内参数分布特征。6）格子玻尔兹曼法在模拟室内强自然对流方面比传统的有限体积法具有更高精度和计算速度。上述这些结论将为进一步研究工业建筑自然通风的流场特征和改进建筑的通风设计提供参考。