摘要針對防護工程高大空間有害物質檢測導致房間通風量大、通風空調系統能耗高，及早期工程難以改造實現的不足，提出了變頻過濾的局部通風技術思路，通過模擬仿真及實測驗證，該技術有效提升了對房間內有害物質的控制能力，降低了系統能耗，為新建及改建工程承擔此類任務提供了新的技術解決方案.

　　關鍵詞 防護工程：高大空間：有害物質：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

　　一些特殊防護工程高大空間承擔著有害部件的儲存及檢測任務，傳統的檢測操作臺為普通平臺，有害物質在檢測過程中易產生大量有害物質及氣體，并擴散至整個地下空間"。因部分有害部件體積大、質量重、需翻轉，且需要多人同時檢測操作，傳統的通風柜等局部排風裝置不能滿足此類檢測任務。為將有害氣體排出高大空間，規范要求采取全新風的全面通風換氣措施，換氣次數要求為6次/h，導致通風空調系統裝機容量大、運行費用高，但有害物質仍會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工程，設計時選用的通風管徑細、通風量小，如使之具備此類有害部件的檢測功能，依靠傳統的改造技術手段難以實現，亟需一種全新的局部通風技術。

　　1總體研究思路

　　降低高大空間通風空調系統能耗的一個關鍵手段就是要營造出科學合理的局部通風空調環境[2-3]，采用層流送風的方式將有害物質控制在規定區域，并將有害物質就近過濾凈化，切斷其傳播途徑[43]。系統構成包括可排風操作臺、一體化層流送風口、有害物質過濾凈化系統及變頻通風控制系統。該系統能在較小風量的前提下，將檢測過程中散發的有害物質控制在規定區域，并及時凈化處理，杜絕了有害物質擴散至其他區域的隱患，且在操作人員頭部區域形成穩定可靠的新風層流，為操作人員營造出安全健康的工作環境[]，系統運行能耗低、有害物質殘留易洗消。該系統運行流程為：將經處理的新風通過上部一體化層流送風口送至操作區域，操作臺面上散發的有害物質被吸入有害物質過濾器進行凈化處理，并通過變頻排風機及排風管排出工程?？刂葡到y通過操作臺兩側有害氣體濃度傳感器、操作區域溫濕度傳感器、有害物質過濾器后排風管內壓力傳感器，監測操作臺周圍有害氣體濃度、溫濕度及排風管內壓力值大小，控制變頻排風機的風量大小，將房間內有害氣體濃度控制在規定范圍內[4]?？臻g內局部排風與全面排風的作用和相互關系見表1，其通風原理及系統構成見圖1-3

　　2模擬計算

　　局部通風系統實際效果如何，取決于良好的氣流組織及操作臺面對有害物質的捕捉能力，特別是合理確定操作臺面排風口的布置形式、風口大小、排風量的大小、各操作臺模塊間的風量平衡等。本文以一實際高大空間為參照，建立了計算模型并進行了模擬計算。

　　2.1幾何模型

　　該工程為一早期工程，因功能定位需承擔有害部件的檢測任務。內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。早期設計時房間按1次/h的換氣次數設計，設計風量為1920m/

　　h，埋設的風管管徑為D320，如按6次/h的換氣次數標準，則房間設計風量為11 520m，/h，風管管徑需擴大為D800，因房間有防內爆要求，風管均埋設進出，擴大埋設風管管徑難度極大，亟需改變設計思路，引入局部通風系統，該系統仍采用原D320風管及1920 m，/h的通風量，利用操作臺對有害物質及氣體的捕捉能力營造符合要求的室內空氣環境[].

　　根據確定的設計風量，如圖1所示，在操作臺上方設置送風口2個，尺寸1 000 mm x 500 mm;在房間側墻兩側設置排風口，每一格操作臺中心位置兩側各對應設置一個排風口，尺寸250 mm x250 mm，共10個。操作臺兩側邊緣及中間各設置有2排6 mm孔徑大小的圓孔作為操作臺排風口。

　　2.2邊界條件

　　房間總風量為1920 m/h，通過逐漸增加操作臺排風量的方式，多次模擬得出更優效果，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，保證進出控制區域的流量相等。下面分別給出操作臺排風量為500，800.1 000 m/h時的邊界條件。

　　送風口采用速度入口，風口風速為0.86 m/s，送風溫度26℃，相對濕度35%;側墻回風口為速度出口，對應操作臺排風量分別為500，800.1 000 m/1

　　h，風口風速分別設為0.64.0.50.0.42 m/s：操作臺回風口設置為速度出口，為了簡便模擬，采用10mm寬的長條代替，對應操作臺排風量分別為500，8001000 m/h，風口風8分別為0.23.0.37.0.46 m/s.操作臺上設置球形污染物，污染物濃度設置為0.2 mg/m'。房間壁面溫度定為18℃，房間初始溫度定為20℃，相對濕度為50%，污染物初始濃度為0。

　　2.3 數學模型

　　計算流體動力學(CFD)模擬的基本思想可以歸結為：把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值，CFD可以看作是在流動基本方程(質量守恒方程，動量守恒方程，能量守恒方程)控制下對流體流動的數值模擬[to-1本次數值模擬計算中，采用有限容積法，所用模型為標準Kt雙方程模型，求解問題為三維非穩態的不可壓縮黏性流體湍流流動。由于湍流時均方程組不封閉，在Kt雙方程模型中，附加了K方程和方程，因而可以構成封閉的方程組，能夠求解。湍流動量擴散率，與流動能K之間有如下關系：

　　式中:νt表示湍流動量擴散率;Cμ表示常數; K表示湍流動能;ε表示湍流動能擴散率。

　　以上模型及各系數適用在高雷諾數條件下，由于房間氣流雷諾數大于200[1]，其模型為高雷諾數模型，可以直接使用標準Kt雙方程模型，無需修正。

　　2.4計算結果

　　采用軟件默認收斂條件，經過多次模擬計算，最終確定在操作臺四周布置孔口排風口，操作臺的排風量為1 000 m/b，室內兩側排風量為920 m/h。受篇幅限制，同時考慮保障重點為人員操作區域的空氣質量，本文僅列出在上述排風量下人員操作區域YZ斷面處的模擬結果圖，各斷面模擬結果分別見圖5-8

　　房間環境保障要求：干球溫度15℃-25℃，相對濕度<70%;由圖54圖8可以看出，相對于操作臺500 m，/h的排風量，操作臺的排風量增加到1000

　　m'/h后，操作區域各種空氣參數指標如下：(1)操作臺上方的空氣流動速度明顯加大，約為0.052 m/s。房間兩側風管排風速度由原來的0.66 m/s減小到了0.43 m/s，有效地抑制了操作臺上方污染物向兩側排風口的擴散。

　　(2)操作臺表面排風量的增加并沒有破壞室內空氣的溫度分布形式，室內溫度的分布和沒有增加排風量時基本一樣，維持在20℃-21℃左右。(3)操作臺表面的排風量的增加并沒有擾亂室內相對濕度的分布，操作區域的相對濕度仍為50%

　　左右，完全滿足設計要求。

　　(4)操作臺排風量增加到1000 m/h后，操作臺面上污染物的濃度最大值增加至0.2 mg/m'，污染物在操作臺表面的擴散范圍減小了。這是由于操作臺表面的排風速度增加，在污染物周圍形成了一層氣流，包裹住了污染源，使其散發出的污染物不向外擴散，進而被排風由操作臺下方帶走。由此可見，適當地增加操作臺的排風量是可行的，這樣可以有效地控制污染物擴散。

　　2.5 討論分析

　　通過對不同模型、不同輸入參數的模擬計算，并立足工程現狀，可以得出如下結論：

　　(1)在操作臺相同的局部排風量下，操作臺表面周圍布置風口的形式優于其表面全部布置風口的形式。

　　(2)排列有序的圓形孔口排風效果優于方形孔口的排風效果。

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

　　(4)操作臺表面的風口布置形式和排風量的變化基本不會影響室內溫度和相對濕度的分布。(5)每個模塊單元分別設置排風靜壓箱，每個靜壓箱單獨設置排風支管與總風管相接，且在各排風支管上設置調節和關閉閥門，實現各模塊單元排風量一致，排出有害氣體均衡效果顯著。

　　3試驗研究

　　試驗目的是檢查該裝置能否滿足設計要求，主要包括：空間內溫濕度情況，送風對污染氣體的壓制效果，排風系統對污染氣體的捕捉能力，變頻系統的控制能力。

　　3.1試驗方案

　　針對以上問題，制定如下試驗方案：

　　(1)在檢測區域組裝5個操作臺模塊。

　　(2)送風系統試驗。對應每臺局部通風裝置的上部，設置層流送風口，用風速儀和風量儀檢測操作人員呼吸區域的風速和風量，通過調節送風口部閥門，滿足一定的送風速度和送風風量，保證操作人員有足夠的新鮮空氣感覺的同時，又能使送風對污染氣體起到壓制作用，并使送風風速控制在一定范圍內，避免風速過大而攪動污染氣體，造成污染氣體飄溢。除用風速和風量儀器檢測外，同時進行人工觀測和模擬操作人員工作狀態進行親身感受。

　　(3)排風系統試驗。在5個操作臺面的中心，分別放置干冰，利用干冰的融化霧氣來模擬有害氣體。因為干冰融化霧氣的流動特性與有害氣體相似，通過觀察霧氣的流動走向，及工作臺面上排風孔洞對霧氣的吸入能力和狀況，驗證操作臺對有害氣體收集的可靠性。

　　(4)變頻系統控制試驗。通過改變排風系統的風量和風壓，檢測變頻系統的響應能力，以滿足實際使用要求。同時在變頻控制柜液晶屏中讀取排風系統的風量和風壓，并用手持風量儀和測壓儀進行校核。試驗數據與模擬數據吻合性較好，驗證了模擬計算的準確性及局部通風技術的可靠性，試驗數據與模擬數據對比情況見表2，各現場測試情況見圖9-12.

　　3.2 測試結論

　　通過對該局部通風裝置的現場實驗，檢測和觀察不同工作狀態下的運行情況，結論如下。

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

　　(2)排風系統能將干冰霧氣吸附于工作臺表面，并被排風孔快速吸入排風靜壓箱后排出。

　　(3)通過對各單元排風系統中的閥門調節，5個工作臺的排風量均衡，干冰霧氣排出效果均勻。(4)針對不同工作狀態的運行，變頻風機和控制系統反應靈敏，實測和感觀效果與液晶顯示屏顯示數據一致。

　　4結論

　　按設計規范要求，部分承擔有害物質檢測任務的高大空間換氣次數通常為6次/h，其目的是為了保證操作區域的空氣質量，并將有害物質及時置換出去。而很多早期工程此類房間的換氣次數僅為1次/h，操作區域空氣質量得不到有效保障，若增加換氣次數則需加大原有通風空調系統的風管管徑，大量穿墻孔洞需要擴大，施工十分困難甚至無法實現，并可能對原有結構造成破壞。在新建工程中，此類房間起拱高、空間大，為保證操作區域的空氣質量及快速排除有害物質，需要增加整個大空間的換氣次數，導致系統風量大，空調能耗高，建設投資及運行維護費用高。

　　本文提出的高大空間局部通風技術，在盡量不改變原有送排風系統的前提下，使高大空間內操作區域的換氣次數滿足現行規范要求，并將有害物質集中收集、就地凈化，切斷了其擴散的途徑，有效提升了空間內的環境保障質量。此技術如應用到新建工程中，同樣能降低系統通風量、縮減通風管徑，降低工程投資及陣地運行費用，達到響應軍隊建設節能降耗號召的目的。

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