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通风口对膜结构厂房自然通风效果的影响
徐豪，樊越胜，王欢，田国记
（西安建筑科技大学 建筑设备科学与工程学院， 陕西 西安 710055）
摘要：以某膜结构厂房为研究对象，采用数值模拟方法，研究不同进、排风口组合方式对膜结构建筑通风效果的影响。进风口布置在厂房底部两侧，排风口布置在厂房顶部两侧。单侧进风口条件下，排风口同侧或异侧布置对厂房通风效果影响不大。排风口双侧布置可改善无进风口侧工作区的通风效果。双侧进排风口布置的通风效果最佳。进风口壁面附近的空气龄较大，通风效果不佳，不宜设置人员作业区域。
关键词：膜结构厂房；自然通风；通风口
参考文献示例：
徐豪，樊越胜，王欢，等. 通风口对膜结构厂房自然通风效果的影响［J］. 煤气与热力，2025，45（1）：A32-A36.
国家生态环境部相关研究表明，我国主要城市空气质量不达标的约占40%，其中PM2.5、PM10等大气颗粒物含量过高是城市大气污染的重要原因之一［1］。特别是露天堆放的矿物料堆在风力作用下产生大量扬尘，严重污染环境［2］。
与传统封闭式钢结构储料场相比，新型封闭式膜结构储料场不仅能有效解决露天料堆引起的扬尘污染问题［3-4］，而且由于半透明轻薄膜材料具有一定透光性，膜结构建筑可利用透过的自然光采光，降低建筑照明能耗。然而，由于煤等物料具有自发热，同时通过膜材进入室内的太阳辐射也会被地面和料堆吸收，导致膜结构储料场内地面和料堆表面温度升高，从而造成室内空气温度升高，不利于人员在内部进行作业［5］。依靠风压及建筑室内外空气温度差形成的热压进行自然通风，不消耗能源，在余热量较大的工业厂房较为适用［6］。由于风压经常发生变化，因此在实际工程自然通风设计计算时，通常仅考虑热压引起的自然通风。
本文针对某膜结构厂房，采用数值模拟方法，研究不同进、排风口组合方式对膜结构建筑通风效果的影响。
以西安市某膜结构厂房为研究对象，以地面中心为坐标原点建立物理模型，见图1。x正方向为北向，建筑长×宽×高（含拱顶）为70 m×30 m×16 m，其中曲面弧形拱高4 m。除地面外，模型四周及顶面均为膜材。料堆（内热源）底面长×宽为35 m×16 m，顶面长×宽为27 m×8 m，堆放高度为4 m。进、排风口长×高均为70.0 m×0.5 m，进风口下边缘距地面0.5 m，排风口下边缘距地面11.0 m。
不同的进、排风口组合，易影响建筑内部的温度分布、换气量、通风效率等［6］。本文针对不同进、排风口组合方式下的膜结构厂房自然通风进行研究，组合方式见表1。
采用Fluent软件进行模拟计算，湍流模型选用Realizable k-ε模型，壁面附近流场采用标准壁面函数法处理，并考虑浮升力的影响［7］。空气物性参数采用Boussinesq假设，室外空气温度为西安夏季通风室外计算温度30.6 ℃。内热源采用定热流边界条件，热流量为煤温70 ℃时的放热强度110 W/m3［8］，发射率为0.95。地面无自发热，地面吸收辐射热后通过对流换热加热室内空气，地面材料为混凝土，发射率为0.94。
膜材表面的太阳辐射吸收率为0.067 5，透射率为0.05，边界条件采用第三类边界条件，膜材热导率为0.16 W/（m·K），膜外表面表面传热系数为5.1 W/（m2·K）。由于膜材为半透明材料，辐射模型采用DO模型。太阳辐射计算采用太阳射线追踪模型，太阳辐射计算时间为Fluent软件中典型气象年的8月13日13时，太阳辐照度由太阳射线追踪模型自动计算得到，为880.7 W/m2。
进风口边界条件为Pressure Inlet，排风口边界条件为Pressure Outlet。本文仅针对热压通风作用，因此进、排风口的相对压力均为0 Pa。计算初始化采用软件标准初始化。
模型网格划分采用六面体网格，将模型网格数分别划分为71×104、114×104、207×104，分别模拟计算方式4在3种网格数下的工作区（指高度2 m及以下区域）平均温度。由模拟结果可知，网格数71×104与114×104模拟结果的相对误差绝对值为4.32%，网格数114×104与207×104模拟结果的相对误差绝对值为0.93%。综合考虑计算精度与计算时间，模型网格数选取114×104。
笔者搭建了膜结构厂房室内热环境测试实验模型，温度测点布置图2。膜材厚度为1 mm，太阳辐射吸收率为0.067 5，透射率为0.05。长×宽×高（含拱顶）为2.00 m×1.20 m×0.64 m，其中曲面弧形拱高0.16 m。内热源由电加热带外包黑色壁纸制作，电加热功率为287 W。内热源底面长×宽为1.40 m×0.64 m，顶面长×宽为1.08 m×0.32 m，高度为0.16 m。室内温度采用T型热电偶测量，所有热电偶布置于地面中心正上方。温度测点布置见图2，从z轴正方向至z轴负方向温度测点编号依次为A1~A7，图中仅标出测点A1、A5、A7。测点A1位于屋面最高处下方约0.005 m处，测点A2位于屋面最高处下方0.04 m处，测点A2~A5间距为0.04 m，测点A5~A7间距为0.1 m。采用Vantage Pro 2 Plus小型气象站测量室外温度、风速、太阳辐照度等参数，置于实验模型附近1.5 m高处。测试在西安建筑科技大学某教学楼屋面进行，四周无遮挡，测试日为2021年8月27日，当日为晴天。
按实验模型尺寸建模，以测试日13：00的室外气象参数为条件进行模拟计算。13：00测得太阳辐照度为879.8 W/m2，室外温度为29.6 ℃，室外风速为0.4 m/s。对各温度测点的测试值与模拟值进行对比。各温度测点的测试值结果、模拟结果见表2。由表2可知，与测试结果相比，模拟结果最大相对误差绝对值为4.2%。因此，可认为计算模型满足工程计算精度要求。
方式1~4中间竖直截面（x=0）空气温度分布见图3~6。由图3~6可知，室外空气进入室内后被地面和料堆加热，从进风口一侧壁面向料堆方向的空气温度升高。空气被加热后在料堆上方形成热羽流并向上部空间汇聚，形成高温区域。地面附近空气保持较低温度，在空间上存在着明显的温度分层现象。
由图3、4可知，方式1、2，厂房内空气温度分布差异较小，左侧工作区空气温度为31~32 ℃，右侧工作区空气温度为33 ℃，在厂房上部区域空气温度为34~45 ℃，近壁面处部分区域空气温度大于40 ℃。这说明，当厂房单侧设置进风口，排风口与进风口同侧或异侧布置对厂房空气温度的影响不大。
由图3~5可知，与方式1、2相比，方式3厂房上部区域34 ℃等温线位置更高，左侧工作区的温度分布没有明显区别，仍为31~32 ℃，而右侧工作区内33 ℃等温线的范围扩大。这说明，当厂房单侧设置进风口，增加排风口数量，有利于降低厂房无进风口一侧工作区的空气温度。
由图6可知，与方式3相比，方式4厂房上部空间温度大于34 ℃的范围缩小，左侧工作区内31.5 ℃等温线的变化不大，32 ℃等温线上移。这说明，当厂房两侧设置排风口，厂房一侧增加进风口，对另一侧工作空间的空气温度也产生影响。
方式1~4水平截面（z=2 m）空气龄分布见图7~10。空气龄指空气进入室内的时间，空气龄越小说明该处的空气越新鲜，通风效果越好。
由图7~10可知，靠近设置进风口侧壁面附近的空气龄为400~700 s，大于其他区域，人员作业区域不宜设在此处。这主要是由于室外空气经进风口进入室内后，不能直接置换或稀释进风口侧壁面附近区域的空气，而是沿地面向厂房中间流动，并卷吸上部空间的空气。
由图7~9可知，方式1~3未设置进风口壁面附近的空气龄为300~500 s，小于设置进风口壁面附近的空气龄。这是由于地面吸收了透过膜材进入室内的太阳辐射后，地面温度升高，地面附近空气被加热并向上流动，在水平方向上具有一定的负压梯度，使得从进风口进入室内的空气能补充到厂房内部区域。
由图7、8可知，方式1、2的空气龄分布差别不大。当厂房单侧设置进风口时，排风口与进风口同侧或异侧布置对工作区的通风效果影响不大。
由图7~9可知，与方式1、2相比，方式3未设置进风口壁面附近空气龄大于300 s的区域范围减小。这说明，当厂房单侧设置进风口时，双侧排风口设置可改善无进风口一侧工作区通风效果。
由图7~10可知，与方式1~3相比，除设置进风口壁面外，方式4所有区域的空气龄均有所减小。这说明，采取双侧进排风，可有效改善工作区通风效果。
各方式工作区平均温度与厂房换气量见表3。由表3可知，方式1、2的工作区平均温度一致，方式4的工作区平均温度最低。在4种方式中，方式4的厂房换气量最大。这说明，增加进、排风口数量有助于改善厂房通风效果。
① 单侧进风口条件下，排风口同侧或异侧布置对厂房通风效果影响不大。排风口双侧布置可改善无进风口侧工作区的通风效果。双侧进排风口布置的通风效果最佳。
② 进风口壁面附近的空气龄较大，通风效果不佳，不宜设置人员作业区域。
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