本文摘要：摘要：通風技術(shù)是控制工業(yè)建筑室內(nèi)污染物最主要的手段。對國內(nèi)外工業(yè)通風關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展進行了回顧，闡述了我國制造業(yè)迅猛發(fā)展過程中工業(yè)建筑通風技術(shù)面臨的問題，總結(jié)了國內(nèi)學者近期在高污染散發(fā)類工業(yè)建筑通風領(lǐng)域取得的進展，列舉了在通風氣流組織模式、污染物高效
摘要：通風技術(shù)是控制工業(yè)建筑室內(nèi)污染物最主要的手段。對國內(nèi)外工業(yè)通風關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展進行了回顧，闡述了我國制造業(yè)迅猛發(fā)展過程中工業(yè)建筑通風技術(shù)面臨的問題，總結(jié)了國內(nèi)學者近期在高污染散發(fā)類工業(yè)建筑通風領(lǐng)域取得的進展，列舉了在通風氣流組織模式、污染物高效控制技術(shù)和凈化技術(shù)等方面取得的主要成果，并展望了未來我國工業(yè)建筑通風技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵詞：工業(yè)建筑;通風技術(shù);污染物;氣流組織;凈化技術(shù)
1工業(yè)建筑通風技術(shù)發(fā)展回溯
工業(yè)建筑通風技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)水平的發(fā)展和職業(yè)衛(wèi)生要求的提升密不可分。工業(yè)建筑通風技術(shù)主要涵蓋廠房的整體通風、污染源附近的局部通風、工業(yè)通風管道設(shè)計和工業(yè)廢氣的凈化除塵等幾個方面，自20世紀50年代以來，大量工業(yè)發(fā)達的國家在上述領(lǐng)域進行了不同程度及側(cè)重的探索，逐步奠定了工業(yè)建筑通風技術(shù)的基礎(chǔ)理論與工程設(shè)計方法。
例如，蘇聯(lián)多位學者在工業(yè)廠房的自然通風領(lǐng)域進行了大量研究，得到了工業(yè)廠房基于熱壓和風壓作用的自然通風模型和設(shè)計方法[1-2];美國學者Hemeon等人提出了塵化作用、控制風速等工業(yè)建筑通風技術(shù)基礎(chǔ)性概念并進行了理論和實驗研究，基于上述概念提出了相應(yīng)的工業(yè)建筑通風設(shè)計方法[3-4]。美國和蘇聯(lián)在20世紀50年代各自基于流體力學匯流理論，對外部排風罩進行了基礎(chǔ)性研究。在蘇聯(lián)的研究中，排風罩有效作用范圍使用了接近于流體力學中拉格朗日法的質(zhì)點分析，即通過分析空間上某些質(zhì)點在排風罩作用下的運動軌跡，分析排風罩的有效作用范圍，設(shè)計局部排風罩[2]。
美國的研究則在排風罩匯流等速面的基礎(chǔ)上，提出了用接近于流體力學中歐拉法的控制速度，即通過確定排風罩口到污染源位置的有效控制風速滿足捕集污染物的需求為前提確定排風罩參數(shù)[4]。多位學者研究證明了置換通風技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)建筑環(huán)境控制的優(yōu)越性[5-7];Aaberg排風罩[8]、低流量高流速排風(LVHVventilation)[9]等新型通風技術(shù)也被不斷提出并應(yīng)用于工業(yè)建筑。
總體而言，工業(yè)建筑通風技術(shù)的發(fā)展歷程，是一個持續(xù)性的引入新理念新技術(shù)、提升現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計精度、淘汰落后技術(shù)的動態(tài)發(fā)展過程。例如，對于全面通風而言，基本的設(shè)計方法仍是基于稀釋過程的計算原理，但設(shè)計過程更加注重氣流組織對通風效率的影響;對于除塵技術(shù)而言，隨著對環(huán)境排放的要求不斷提高，重力沉降室、慣性除塵器等除塵設(shè)備幾乎被淘汰，布袋除塵器得到了廣泛的應(yīng)用且性能不斷提升;對于局部通風而言，排風罩作為捕集污染物的末端裝置，一直是工業(yè)建筑通風技術(shù)中最具代表性、最亟待提升的技術(shù)要點，其設(shè)計理念和設(shè)計精度的提升成為研究和工程應(yīng)用的焦點。
在理論簡化分析和簡單實驗驗證的基礎(chǔ)上，針對局部排風罩的研究主要包括局部排風罩的流場精細化分析[10-12]、復雜工況適應(yīng)性匹配[13-15]和局部排風罩新模式開發(fā)與完善[16-18]等內(nèi)容，進一步完善了局部排風罩的技術(shù)細節(jié)，擴大了其適用性。通過局部通風技術(shù)中形式最簡單的外部排風罩技術(shù)的發(fā)展，可管中窺豹地了解工業(yè)建筑通風技術(shù)的發(fā)展歷程。
從外部排風罩研究發(fā)展歷程可以看出，外部排風罩的研究從單純的理論簡化分析和簡單的實驗分析驗證開始，隨著實驗測試手段的進步和計算機數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，在通風過程的氣流流動機制、通風目標及環(huán)境干擾因素特征匹配，以及通風系統(tǒng)節(jié)能運行控制等多個方面的持續(xù)深入研究，最終實現(xiàn)外部排風罩技術(shù)和設(shè)計水平不斷提升。我國工業(yè)建筑通風技術(shù)的發(fā)展與蘇聯(lián)和美國都有著密切聯(lián)系。1957年，馬克西莫夫作為蘇聯(lián)援華專家到西安冶金建筑學院(西安建筑科技大學前身)指導科研和教學工作，指導學生出版了可能是國內(nèi)最早關(guān)于工業(yè)建筑通風的學術(shù)文集《南方建筑降溫問題的研究》。
隨后，我國學者相繼翻譯了Baturin、Hemeon和林太郎等人的工業(yè)建筑通風著作，將發(fā)達國家的工業(yè)建筑通風技術(shù)和理念引入國內(nèi)。在設(shè)計方面，為適應(yīng)國內(nèi)工業(yè)企業(yè)通風設(shè)計的需求，我國最早于1952年就將蘇聯(lián)的《工廠采暖通風及照明設(shè)計》翻譯成中文，供我國建筑設(shè)計人員使用。隨后，我國又組織出版了多部通用工業(yè)建筑通風設(shè)計手冊，如1993年陸耀慶主持編寫的《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》，以及2007年孫一堅組織編寫的《簡明通風設(shè)計手冊》等文獻，都對工業(yè)建筑通風設(shè)計方法進行了詳細的介紹。
除了通用的工業(yè)建筑通風設(shè)計手冊以外，我國多個行業(yè)部門還組織編寫了行業(yè)內(nèi)部的工業(yè)建筑通風設(shè)計手冊，如《機器制造工廠采暖通風設(shè)計手冊》《鋼鐵企業(yè)采暖通風設(shè)計手冊》《重有色冶金企業(yè)采暖通風設(shè)計參考資料》等，為各工業(yè)行業(yè)的工業(yè)建筑通風設(shè)計提供了設(shè)計依據(jù)和有力保證。工業(yè)建筑通風技術(shù)領(lǐng)域的文獻近年來也有了新的進展。2001年，加拿大的Goodfellow和芬蘭的Tahti組織來自全世界18個國家的近百名工業(yè)建筑通風領(lǐng)域的學者出版了工業(yè)建筑通風書籍《工業(yè)通風設(shè)計指南》[19]。
該指南介紹了控制工業(yè)工作場所污染物的通風技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計，涵蓋了工業(yè)建筑通風技術(shù)解決方案背后的基礎(chǔ)理論，還包括當時最新的基礎(chǔ)研究和設(shè)計方程。2021年，Goodfellow等人重新修編了《工業(yè)通風設(shè)計指南》[20]，修編過程中有92位來自世界各地的專家參與到書籍的更新工作，更新內(nèi)容涵蓋了自第一版《工業(yè)通風設(shè)計指南》出版以來，在全球范圍內(nèi)為控制污染物的通風領(lǐng)域中出現(xiàn)的大量新技術(shù)。在兩版的工業(yè)建筑通風設(shè)計指南中，可以觀察到的一個現(xiàn)象就是編書人員組成的變化。在2021年的第二版中，來自我國的參與者數(shù)量已經(jīng)從零變?yōu)檎紦?jù)三分之一的比例，這與我國20年來的工業(yè)快速發(fā)展，在工業(yè)建筑通風領(lǐng)域的影響力提升的情況是相吻合的。
2我國工業(yè)建筑的發(fā)展及通風技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
20世紀50—90年代是發(fā)達國家工業(yè)建筑通風技術(shù)發(fā)展的高峰，隨著經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)升級、環(huán)保要求提高，發(fā)達國家的工業(yè)出現(xiàn)了不同程度的衰退和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，尤其是鋼鐵、水泥、化工、建材等大量高污染產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移至新型發(fā)展中國家，導致發(fā)達國家的工業(yè)建筑通風研究逐步回落。我國改革開放以來建立了全世界最完整的工業(yè)體系，成為制造業(yè)第一大國，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對作業(yè)環(huán)境的需求，促進了工業(yè)建筑的迅猛發(fā)展。2009—2010年，工業(yè)建筑每年竣工面積的年增幅超過14%。
2011—2020年，工業(yè)建筑每年竣工面積超過5億m2，保持在一個較高的水平[21]。從業(yè)人員衛(wèi)生健康條件亟待改善、室外環(huán)境排放容量減少、企業(yè)迫切要求降低能耗并減少運行費用，對工業(yè)建筑通風技術(shù)提出了新挑戰(zhàn)。隨著新的環(huán)境要求及生產(chǎn)工藝的不斷涌現(xiàn)，工業(yè)建筑通風技術(shù)面臨新的問題，主要表現(xiàn)在工業(yè)建筑及其室內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模擴大、排放容量減少、健康環(huán)境要求提高3個方面。
從污染源的角度，工業(yè)建筑室內(nèi)污染物的散發(fā)與生產(chǎn)工藝密切相關(guān)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展進程中，仍有很多生產(chǎn)工藝難以通過技術(shù)改良避免污染物的散發(fā)，同時生產(chǎn)規(guī)模的擴大，使得污染源的尺度增大，污染散發(fā)總量和散發(fā)強度增大，因此伴隨工業(yè)建筑單體規(guī)模擴大，大尺度、高強度的污染物散發(fā)是工業(yè)建筑通風技術(shù)普遍面臨的難題。
從室外環(huán)境排放容量的角度，隨著工業(yè)生產(chǎn)總量的增加，大氣環(huán)境排放容量減少，對工業(yè)建筑環(huán)境形成倒逼壓力，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)性行業(yè)，比如鋼鐵、有色、機械加工等行業(yè)的熱車間，原本利用熱壓通風方式能夠解決的室內(nèi)環(huán)境問題，由于排放容量減少，廠房密閉程度提高，則需采用機械通風方式替代，送風量很難達到自然通風水平，但卻帶來巨大的能量消耗;很多露天和半露天的生產(chǎn)作業(yè)，在大氣污染物減排強制措施要求下移至工業(yè)建筑內(nèi)部，在黑色金屬冶煉行業(yè)中，煉鐵工藝由原來露天生產(chǎn)過程轉(zhuǎn)移至工業(yè)建筑內(nèi)部，對工業(yè)建筑通風污染物控制能力提出了很高的要求，中等以上規(guī)模的煉鐵廠房通風系統(tǒng)風機總額定功率超過5000kW。
高污染散發(fā)類工業(yè)建筑通風技術(shù)進展冶金、化工、金屬制品、建材等行業(yè)在生產(chǎn)過程中不可避免會散發(fā)高強度污染物和余熱，高污染散發(fā)類工業(yè)建筑通風技術(shù)難度大、任務(wù)重。國內(nèi)學者于國家“十三五”規(guī)劃期間針對高污染散發(fā)類工業(yè)建筑通風技術(shù)，在應(yīng)用基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)、評價方法和工程應(yīng)用等方面取得了系列成果，建設(shè)了一批代表性示范工程，形成了系列行業(yè)標準規(guī)范[22]。
3.1通風氣流組織模式
解決高污染散發(fā)工業(yè)建筑室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量問題依賴于通風系統(tǒng)控制效果的進一步提升，其核心在于提出氣流組織新模式和精細化設(shè)計方法。通過減少通風氣流和建筑環(huán)境空氣的摻混，減少通風氣流和污染物的摻混是提高通風系統(tǒng)效率的新思路，而等速同向流和旋流是可實現(xiàn)上述思路的2種氣流流動模式�；谝陨�2種模式，相關(guān)研究研發(fā)了平行流通風技術(shù)、渦旋通風技術(shù)和渦環(huán)送風技術(shù)。
針對于平行流通風技術(shù)，研究明晰了送風速度方向性、均勻性和湍流度等降低摻混、抑制污染物擴散的關(guān)鍵因素[23];明確了蜂窩器整流裝置對實現(xiàn)平行流送風的重要性，研究了蜂窩器結(jié)構(gòu)參數(shù)對速度方向性和湍流度的調(diào)控及其阻力關(guān)系，給出了蜂窩器的最佳參數(shù)范圍[24]。在平行流通風技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)廠房高大空間環(huán)境控制的過程中，進一步提出了可實現(xiàn)長距離輸新風的平行流崗位送風方式和可大幅降低排風量的平行流吹吸通風經(jīng)濟性設(shè)計思路[25-26]。
渦旋通風的原理來自于自然界中龍卷風和塵卷風的形成機理，其對污染物的匯聚能力強、抗干擾能力強，并且可以實現(xiàn)污染物的長距離靶向輸送。相關(guān)研究歸納闡明了工業(yè)建筑空間內(nèi)形成單渦旋通風的3種基本方式，明確了各方式下污染物擴散范圍、排污性能及有效作用區(qū)間，揭示了渦旋通風流動特性差異及適用場合[27];提出了大空間廠房多渦旋通風方式，明確了多渦旋通風的組合流場特性[28];研發(fā)了多種形式的渦旋通風裝置[29]。
渦環(huán)通風技術(shù)具有可有效提高送風輸送距離和效率的特點，相關(guān)研究分析了渦環(huán)形成過程及渦環(huán)送風裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)[30-31]，開發(fā)了系列空氣渦環(huán)送風裝置。隨著新技術(shù)和新裝置的研發(fā)，相關(guān)成果也積極應(yīng)用于工程試驗和示范。平行流吹吸式通風技術(shù)應(yīng)用于冶金行業(yè)鉛冶煉車間的鉛煙控制改造項目，解決了原有通風系統(tǒng)難以將污染物有效輸送到排風口的問題。渦旋通風技術(shù)在鋼鐵行業(yè)出鐵場、鑄造行業(yè)鑄造車間和金屬制品業(yè)的焊接車間等得到了應(yīng)用，有效地減少了污染物在建筑空間內(nèi)的滯留和擴散。
3.2污染物高效控制關(guān)鍵技術(shù)
高溫煙塵是黑色和有色金屬行業(yè)工藝生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的典型污染物，工藝產(chǎn)生的高溫熱氣流裹挾著高溫煙塵形成氣固兩相流，熱壓作用強且體積流量大，由于工藝限制難以在理想位置設(shè)置排風罩，造成高溫煙塵難以有效控制。研究人員提出了噴霧通風技術(shù)，利用霧滴蒸發(fā)的吸熱作用有效削弱熱壓作用并降低氣流體積流量，抑制煙塵逸散[33-34]。通過獲得噴霧匹配排風的熱軋機組噴霧位置、散發(fā)角度、排風速度等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，形成了高效噴霧通風技術(shù)的設(shè)計方法。
噴霧通風技術(shù)成功應(yīng)用于控制鋼鐵行業(yè)不銹鋼熱軋車間產(chǎn)生的高溫煙塵，有效地解決了污染物因強熱壓作用引起的逃逸問題。同時，利用引射流通過壓力場改變氣流運動方向的原理，研發(fā)了高速射流誘導通風捕集技術(shù)，闡明了排風速度、高速射流速度對煙氣捕集效率的作用規(guī)律，給出了不同源散發(fā)速度下高速射流的速度推薦范圍[35-36]。
油霧漆霧是金屬制品行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的典型污染物。涉及油霧散發(fā)的工藝設(shè)備眾多，油霧散發(fā)機制差異巨大，使得表征和預測油霧散發(fā)規(guī)律存在困難，控制難度大。研究人員基于典型機加工車間中主要油霧散發(fā)工藝和設(shè)備的調(diào)研與測試[37]，明確了關(guān)鍵散發(fā)工藝，并揭示了關(guān)鍵工藝參數(shù)對油霧散發(fā)量的影響規(guī)律[38]，建立了典型工藝過程中不同散發(fā)機制下油霧散發(fā)率計算模型[39]。對具有復雜幾何外形的大型工件進行噴漆時，傳統(tǒng)的通風氣流組織模式難以對漆霧進行高效排除。通過粒子圖像測速(PIV)技術(shù)對噴涂槍流場特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)了噴涂過程中的漆霧逃逸機理，進而發(fā)明了基于環(huán)形空氣幕技術(shù)的新型噴涂槍[40]，可以顯著降低漆霧逃逸。
基于匹配漆霧散發(fā)源特性排風的思想，提出了漆霧車間頂送與多點位可移動衛(wèi)星排風機協(xié)同的通風系統(tǒng)，能夠適應(yīng)不同噴漆工況需求，并靠近源頭排除漆霧，有效減小漆霧污染物傳播路徑與范圍[41]。在金屬制品業(yè)的飛機噴涂車間，應(yīng)用了移動衛(wèi)星排風機高效通風技術(shù)，實現(xiàn)了在高大空間中對大型工件噴涂過程中產(chǎn)生的漆霧的高效控制。有害氣體是橡膠化工行業(yè)典型的污染物，多點位、非穩(wěn)定散發(fā)特征使污染物高效控制難度大，相關(guān)研究在有害氣體的通風系統(tǒng)增效和節(jié)能方面探尋了新的技術(shù)路徑。
其中，在廠房有害氣體通風系統(tǒng)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究與裝置開發(fā)方面，文獻[42]建立了多點位有害氣體周期性散發(fā)的重疊率計算模型，提出了設(shè)計同時系數(shù)的確定方法，奠定了變風量控制策略的基礎(chǔ)。為了簡化排風系統(tǒng)運行調(diào)控，研究人員開發(fā)了適用于多末端風量分配的均勻排風裝置與設(shè)計方法，該裝置無需調(diào)節(jié)部件，可有效替代定風量閥[43-44]，并提出了以均勻排風裝置為核心的變風量系統(tǒng)和基于水力失調(diào)度的總風量控制方法[45]。系列污染物捕集增效和變風量調(diào)控技術(shù)在橡膠行業(yè)硫化工藝車間得到了應(yīng)用，有效解決了多點位、非穩(wěn)態(tài)散發(fā)有害氣體引起的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和能耗問題。
3.3污染物高效凈化技術(shù)
工業(yè)建筑排放污染物是國家霧霾防治的重點，在評級、搬遷、限產(chǎn)、關(guān)停的壓力下，污染物超低排放的治理水平需要進一步提升。在顆粒物除塵凈化領(lǐng)域，相關(guān)研究圍繞細顆粒脫除提效機制、濾料性能改進、整體裝備及系統(tǒng)研發(fā)3個方面展開。研究提出了電場力[46-47]、離心力[48-49]和磁場力[50-51]作用下脫出效率提升的優(yōu)化設(shè)計依據(jù)，闡明了多纖維捕集過程中細顆粒湍流團聚機理。研發(fā)了用于凈化高溫煙氣的低阻高效強基覆膜濾料[52]、磁性濾料[53-54]。
文獻[55]提出了多塵源且分散、非穩(wěn)態(tài)運行工業(yè)建筑崗位環(huán)境循環(huán)風凈化一體化技術(shù)，系統(tǒng)凈化除塵后氣體達到衛(wèi)生標準限值的30%以下，實現(xiàn)了通風用環(huán)境空氣一次供給后循環(huán)使用。循環(huán)風凈化系統(tǒng)在鑄造行業(yè)多個車間得到應(yīng)用，降低了車間排風量和對室內(nèi)空氣的需求量，實現(xiàn)了污染物近零排放，并減少了供暖能耗。
在對油霧漆霧污染物特征分析的基礎(chǔ)上，研究了更加適配工藝的凈化技術(shù)。在油霧凈化方面，提出了更加準確的雙區(qū)靜電凈化效率模型，發(fā)展了雙區(qū)電場模塊優(yōu)化設(shè)計方法[56]，在此基礎(chǔ)上通過雙區(qū)電場模塊優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)流場優(yōu)化，研制了工業(yè)油霧雙區(qū)靜電凈化器[57]。在漆霧凈化技術(shù)方面，文獻[58]利用羥基自由基的高級氧化和活性位點的協(xié)同催化效應(yīng)，開發(fā)出了漆霧常溫催化劑，實現(xiàn)了漆霧常溫條件下的高效降解。
在易揮發(fā)性有機物(VOCs)凈化方面，提出了高濃度有害氣體高效冷凝回收新工藝[59-60]，研究建立了圓柱形吸附劑各向異性堆積力學模型，解決了常規(guī)球體假設(shè)下Ergun方程計算吸附阻力偏差大的工程難題，奠定了有害氣體高效低阻吸附的基礎(chǔ)[61-64]。文獻[65]開發(fā)出有害氣體預處理中顆粒相離心分離裝置，運行阻力穩(wěn)定，能有效保護纖維濾料壽命。
4結(jié)語
制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟的主體，我國制造業(yè)分為31個大類、179個中類和609個小類[66]。在我國深入實施制造業(yè)強國戰(zhàn)略背景下，制造業(yè)是科技創(chuàng)新的主戰(zhàn)場，高效的工業(yè)建筑通風技術(shù)體系是綠色制造的重要保障。通風系統(tǒng)能效與各行業(yè)的生產(chǎn)工藝密切相關(guān)，關(guān)于代表性行業(yè)中工業(yè)建筑通風技術(shù)取得的既有研究成果具有推廣價值，如基于等速同向流動和旋流流動提出的通風氣流組織新模式，針對高溫煙塵、油霧漆霧和有害氣體的高效控制關(guān)鍵技術(shù)和凈化技術(shù)，可用于解決類似的污染物控制問題。
相關(guān)工業(yè)建筑通風技術(shù)研究進展也表明，借助實驗測試技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的進步，通過加深認知水平來提高污染物控制效果并降低能耗及碳排放，具有巨大的潛力。面向雙碳目標和超低排放需求，工業(yè)建筑通風技術(shù)任重而道遠，同時也為相關(guān)技術(shù)性能的大幅提升提供了良好的契機。很多行業(yè)的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量有待進一步提升，亟待進行更加深入系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究，在高效低耗通風技術(shù)上取得新突破。
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作者：王怡☆楊洋曹智翔
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