时间：2024-03-13 点击量：
“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境(BERL)课题组陈冰倩博士在中科院二区期刊《Energy and Buildings》(JCR Q1, IF=6.7)发表论文, 一种用于强热羽流工业厂房的新型节能增强排风系统。
一.题目
An energy-efficient exhaust hood for industrial buildings with strong thermal buoyancy
一种用于强热羽流工业厂房的新型节能增强排风系统
该研究获得“十四五”国家重点研发项目资助（NO. 2022YFC3702803）
二.作者
Bingqian Chen (陈冰倩) , Sumei Liu(刘素梅,通讯作者), Junjie Liu(刘俊杰) , Nan Jiang(姜楠), Qingyan Chen (陈清焰)
三.研究亮点
1) 以前热羽流强烈的房间通风依靠被动浮力，忽略了排风汇流的设计；
2) 优化增强排风系统，增强排风吸力，提高通风效率；
3) 通过射流优化，新系统最大限度地减少了壁冲击和射流碰撞产生的涡流；
4) 改进的强化排风系统在保证相同污染物浓度的情况下节能60%以上。
四.中文摘要
通风对工业建筑中工人的健康和安全至关重要，因为它可以减少接触有害物质的风险。这项研究利用具有强烈热浮力的实验室室内进行了实验，以测量两种排气罩下的气流速度和污染物浓度：增强型和传统型。通过将模拟结果与实测数据进行比较，本文验证了基于数据驱动的湍流模型及其新的壁函数。接下来，在一个小房间中本文评估了不同的通风策略。增强型排气通风效果最佳，但由于冲击流产生了涡流，导致了污染物的滞留。为了解决这个问题，本文设计了一种改进的增强型排气罩，具有多个独立进气口。通过调整这些进气口的速度，成功减少了因壁面冲击流而产生的涡流，从而使污染物浓度减少了77%。对于大房间，该研究优化了多个增强型排气罩同时运行时的喷射碰撞速度。增强型排气通风系统将呼吸区域的污染物浓度降低到现有通风下的89%。此外，改进的增强型排气罩还实现了显著的节能效果。在小型和大型工业建筑中，该排气罩将风扇能耗减少了80%以上，空调能耗减少60%以上。
五.研究背景
工业通风的设计必须根据目标工业建筑内的具体流场特征进行定制。在热浮力主导的房间中，研究人员探索了各种通风系统。例如，混合通风会扰乱分层温度和污染物分布，需要增加风量才能有效去除污染物。置换通风可以减小温度和污染物分层。然而，对于大房间，置换通风由于送风速度低而面临在中心区域形成空气湖的限制。为了克服这个问题，在核心区域引入了大量的空心柱作为连接的空气管道，以确保低速度。然而，一些工厂的空间限制可能会阻碍这些空心柱的安装。因此，李等人建议将附件通风作为替代解决方案，与混合通风相比，实现 14.3% 的节能。然而，这些通风方法并没有充分重视风口的设计和优化。通风的有效性取决于进风口和出风口，研究表明出风口的布置会影响通风效率和能耗同时，由于排气速度的二次衰减，出口的控制距离受到限制，如图1(a)所示。
图1，（a）普通排风罩，（b）增强排风罩
为了解决这个问题，一些学者提出了一种新型的排气罩，称为增强排风罩。工作原理如图1(b)所示。当空气 A 从法兰边缘径向排出时，射流的夹带效应会吸入空气 B，否则空气 B 会被吸入出口。这样一来，原来的半球形吸气范围就变成了拉长的圆锥形，如图1中红线所示。这种创新设计有效地减缓了排气速度的衰减，拉长了烟罩的控制距离。这些研究是在等温环境，忽略了热浮力对强化排气罩的潜在协同效应且集中于在近乎无限的空间中使用单个加固排气罩，忽略了有限空间内由内墙引起的冲击射流，并忽略了多个加固排气罩一起运行时可能发生的射流碰撞。
本文报告了我们在设计创新型增强排风罩方面所做的努力，以减轻具有强热浮力的工业建筑中的污染物浓度。我们的目标是提出一种改进的增强排风罩，以减少冲击流和射流碰撞产生的涡流造成的污染物截留。为了实现这一目标，我们研究了增强排风罩在具有明显浮力的密闭空间中去除污染物的性能。然后，我们设计了一种改进的增强排风罩，专门用于解决由壁冲击流和射流碰撞产生的问题。
六.主要结果
1. 搭建1:4的缩比实验台，对比普通排风罩与增强排风罩在排除污染物方面的表现。同时利用我们组开发的考虑浮力的新型函数与针对热羽流这种各向异性流动的数据驱动模型进行模拟验证。数据驱动模型和新的壁函数产生了准确的预测，特别是在羽流较强的区域，速度平均误差不超过 30%，污染物预测平均误差不超过 15%。证明了模型的正确性。
Figure 2 (a) 实验布局图, (b) 增强排风罩, (c)流场测点布置 (d) 二氧化碳测点布置
Figure 3 速度预测与实测对比图 (a)增强排风罩 (b) 普通排风罩
2. 利用验证的模型模拟在小跨度的工业厂房中对比传统上送下排、分层补风、置换通风、增强排风和改进型增强排风5种不同的通风方式的流场与污染物场。通过分析发现在小跨度房间内，强化排风罩优于现有通风和置换通风，平均浓度为 0.18 Bq/m3。经过优化，浓度进一步降低至0.14 Bq/m3，使增强排风罩更适合非对称布置的工厂。
Figure 4 不同通风系统布置图: (a)既有排风, (b) 分层补风, (c) 置换通风, (d) 增强排风 (e) 改进型增强排风
Figure 5 浓度云图: (a)既有排风, (b) 分层补风, (c) 置换通风, (d) 增强排风 (e) 改进型增强排风
Figure 6 速度云图: (a)既有排风, (b) 分层补风, (c) 置换通风, (d) 增强排风 (e) 改进型增强排风
Figure7 浓度云图: (a) 增强排风 (b) 改进型增强排风
3. 在大型工厂中，对比既有通风、置换通风与改进型增强排风罩的通风效果。并通过发现相邻两排风罩的最佳射流临界碰撞速度为0.3 m/s。增强排风在夏季表现出色，与现有通风相比，呼吸区浓度降低了89%，与置换通风相比降低了53%。冬季需要调整送风角度，避免向上卷吸。
Figure 8夏季1.5m呼吸区浓度云图. (a) 既有通风, (b) 置换通风, (c) 增强排风
Figure 9东季1.5m呼吸区浓度云图. (a) 增强排风,(b)改进型增强排风
Figure 10 东季垂直面流线图. (a) 增强排风,(b)改进型增强排风.
七.结论
1. 数据驱动模型和新的壁函数产生了准确的预测，特别是在羽流较强的区域，速度平均误差不超过 30%，污染物预测平均误差不超过 15%。
2. 在小跨度工业厂房内，增强排风罩优于现有通风和置换通风，平均浓度为 0.18 Bq/m3。经过优化，浓度进一步降低至0.14 Bq/m3，使增强排风罩更适合非对称布置的工厂。
3. 在大跨度工业厂房中，增强排风罩的最优临界碰撞速度确定为0.3 m/s。增强排风罩在夏季表现出色，与现有通风相比，呼吸区浓度降低了 89%，与置换通风相比，降低了 53%。
项目所属专项大气与土壤、地下水污染综合治理，负责课题名称室内气载污染物有机毒性和氧化活性定量评价及协同净化技术。
课题主要研究内容：
（1）超细颗粒和 SVOCs 高效协同净化技术
（2）新型靶向通风气流组织和空气净化对病原体污染的协同驱除机理及效果。
课题主要创新点：
（1）建立兼顾认知和生理的健康评价方法，突破多污染物协同治理技术
（2）提出新型靶向汇聚气流组织通风新理念新技术
Chen B, Liu S, Liu J, et al. An energy-efficient exhaust hood for industrial buildings with strong thermal buoyancy[J]. Energy and Buildings, 2024,308:114036.
原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037877882400152X
稿件编辑：陈冰倩
审核人：刘俊杰
刘素梅
田媛
