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改善厂房自然通风效果的内隔墙及其辐射换热特性的研究张旭涛1高甫生2赵加宁2万沐3王印夫3丁大勇3刘海男31华北电力大学能源与动力工程学院2哈尔滨工业大学市政环境工程学院3沈阳铝镁设计研究院公用工程室摘要：为了提高厂房的自然通风效率，改善工作区热环境，铝电解工业厂房出现了一种新的建筑形式——在电解槽体的两端距离外墙一定尺寸处分别增设了一面多孔内隔墙。文章研究内隔墙在厂房内与各表面间所进行的辐射换热，以确定其在厂房自然通风中所起的作用。室外空气通过内隔墙进入工作区，与多孔内隔墙表面进行对流换热，同时多孔内隔墙表面与厂房内其它表面进行辐射换热。采用蒙特卡洛法计算了各表面之间辐射角系数，并利用光照系数法得到了多孔内隔墙与其它表面间辐射换热量表达式，建立了内隔墙辐射对流耦合热平衡方程，为新建筑形式厂房自然通风系统研究设计提供了理论依据。关键词：自然通风，铝电解厂房，多孔内隔墙，蒙特卡洛法，光照系数法Abstract:Inordertoincreasetheefficiencyofnaturalventilationandimprovetheairqualityinthepotroom,anovelconstructionisconsidered.Theperforatedbrickwallislocatedonthesideofthepot,respectively.Thepaperdiscussestheradiationbetweenthebrickandtheothersurfaces,andfindstheperforatedwallsishelpful.Thefreshairenterstheoperationregion,andhasconvectionwiththeperforatedwalls,togetherwithradiation.Monte-Carlomethodisusedtocalculatetheshapefactors,andtheLightingFactormethodisappliedfortheradiationbetweenthesurfaces.Thebalanceformulaoftheconvectioncombinedwithradiationisobtained,whichprovidesthefundamentalsforthedesignofnaturalventilationofthepotroom.Keywords:naturalventilation,potroom,perforatedbrickwall,Monte-Carlomethod,LightingFactormethod1引言我国铝电解工业的高速发展，单台电解槽容量不断增大，相应工业厂房逐步扩大，传统建筑形式的工业热厂房自然通风效率低，工作区的环境差[1]。常规铝电解厂一般为单跨厂房、双层结构，其自然通风系统如图1所示。针对于此，出现了一种新的建筑形式，即在厂房内的楼板上槽体两端、距离外墙一定尺寸分别设置了一面内隔墙，如图2所示。图2所示的厂房自然通风系统中，在热压的作用下室外空气从楼板下部的外窗进入，大部分空气沿楼板通过电解槽体经由槽间的固定格栅进入厂房，这部分空气带走槽体散发出的大量余热和污染物，降低槽体表面温度；另一部分空气进入后则沿楼板的开口向上通过多孔内隔墙进入室内工作区，这部分空气主要是改善工作区的环境，最终这两部分空气均通过厂房上部的通风器排到室外。这种新建筑形式的自然通风系统与传统形式的系统相比，提高了自然通风效率，可以进一步降低电解槽体表面温度，保证电解槽的正常运行，同时能够大大改善了工人工作环境。图1传统建筑形式的厂房示意图图2设置多孔内隔墙后的厂房示意图2多孔内隔墙的影响多孔内隔墙是图2所示新建筑形式厂房的重要标志，与图1所示传统形式建筑厂房相比，可能起到了如下影响作用：（1）从减少室外气候因素的影响角度看：一般厂房自然通风设计中只考虑热压作用的影响，忽略风压作用，然后对风压的影响进行定性考虑。图2所示的自然通风系统去掉了传统建筑形式的楼板上部外窗，室外空气通过下部外窗进入，然后通过多孔内隔墙进入厂房，这样从很大程度上减少了风压不确定性作用的影响，使自然通风效果更接近于设计下的状况。（2）从改善工作区的空气品质看：室外空气大部分经地下室由电解槽周围的固定格栅进入厂房，小部分经由楼板开口处进入。多孔内隔墙上的小孔对由楼板开口进入的空气起到一定诱导作用，使新鲜空气进入工作区，带走余热和污染物，进一步改善了工作区的空气品质。（3）从阻挡沿外墙内表面下降的热气流看：电解槽体作为厂房内一强热源，其上部形成不断上升的热羽流，上升过程中不断卷吸周围空气。在达到屋顶附近时开始向四周扩散，并沿墙壁下降，到一定高度和室外空气混合又进入工作区，这样降低了自然通风效率，同时对工作区的工作环境产生不利影响。多孔内隔墙吸收来自电解槽体表面的辐射热，表面温度升高，通过隔墙的室外空气在热浮升力的作用下沿隔墙上升，对上述的下降污浊气流进行阻挡。综上，多孔内隔墙的设置能够使厂房自然通风效果得到进一步改善，明显减小了室外气候因素的不利或者不确定影响，即第1个作用的影响毋庸置疑，其余2个作用有待进一步研究验证，本文主要对多孔内隔墙辐射换热特性进行研究，即在第3项作用里，内隔墙的与周围环境进行热交换并对环境的影响。3物理模型及计算方法3.1物理模型铝电解厂内每排厂房一般长度约为1000m、高约为20m（包括楼板下方的高度）、宽度约为30m，某铝电解厂房布置如图3所示。为了研究方便，取一个电解槽体作为计算单元，厂房由若干个计算单元组合而成，如图4。图4中右侧的多孔内隔墙没有画出，其中n-n线将电解槽体分成上下两部分，n-n线以下槽体外壳与铝液直接接触，温度较高，n-n线以上为槽体盖板，对槽体进行保温，温度较低。同时对厂房内各建筑物表面进行编号，见表1，多孔内隔墙的编号分别为7与8，表中的封闭面是为了使所研究的系统封闭而假想存在的面，代表了外界对系统的影响，可认为是黑体。表1厂房内围护结构内表面编号内表面左侧外墙右侧外墙屋顶地面封闭面1编号12345内表面封闭面2左侧内隔墙右侧内隔墙电解槽体槽体盖板编号678910多孔内隔墙与厂房围护结构内表面的辐射换热属于固体表面间的辐射换热，工程计算中一般假设表面为漫灰面，有效辐射均匀，多孔内隔墙表面符合上述假设，且认为表面温度分布均匀。图3铝电解厂房远景图4所选取的厂房计算单元所采取的多孔内隔墙结构形式多种多样，为了研究具有一定的代表性，假设内隔墙上的孔隙均匀、规则布置，如图5所示，阴影部分为砖。砖的长度b=240mm，孔隙的宽度为s，不同的s值表示不同开孔率下的多孔内隔墙，开孔率指的是多孔内隔墙上孔隙面积与表面积的比值。图5多孔内隔墙结构示意图由图4可知多孔内隔墙一侧面与厂房内各表面不可见，即不参与辐射换热计算，如图6所示。侧面A_D与厂房内各表面不进行辐射换热，只有侧面A_B与孔隙的侧面A_C参与辐射换热。多孔内隔墙通过表面A_B与A_C与厂房内其它表面进行辐射换热，其中辐射能束均通过表面A0，如图6中虚线所示，这样多孔内隔墙与其它表面辐射换热可以看作表面A0与之进行的辐射换热。这里表面A0与其它表面间角系数称之为当量角系数。图6多孔内隔墙表面的组成3.2各表面之间的辐射角系数辐射角系数在固体表面之间辐射换热量的计算中是一个非常重要的几何参数。确定角系数的方法有解析法、图表法、实验法等，对复杂的中间有障碍物的几何系统则不能采用上述方法，要对表面间的可见性进行判断。多孔内隔墙与厂房内其它表面之间相对位置比较复杂，蒙特卡洛法对复杂的几何系统有较好的适应性，能满足工程精度，其计算结果在真实解上下波动。取某几何尺寸下铝电解厂房的一个电解槽体为计算单元，假设两侧的多孔内隔墙距离两侧外墙的距离均为1.5m，高4.0m，开孔率均为0.3，应用蒙特卡洛法编程计算各表面之间辐射角系数，计算结果见表2，表中角系数之和约为1，即角系数的完整性，验证了程序的正确。由表2可见多孔内隔墙与地面、封闭面及电解槽体表面角系数较大，与其它表面间角系数很小。表2各表面之间的辐射角系数注：表面7、8对各表面角系数为当量角系数3.3光照系数法固体表面间辐射换热计算常采用四种方法：净热量法、杰勃哈特法、网络法和射线踪迹法[2]。净热量法应用比较广泛，但是一个明显的缺点是当温度或者热流密度的数值发生变化时，线性代数方程组需要重新求解，所以当表面工况发生变化时，此方法使用不方便。图7表面i到表面j辐射能束的途径本文采用另一种方法计算辐射换热量——光照系数法，这种方法类似于杰勃哈特法，对于计算动态问题特别有效。与净热量法相比，当各表面温度或物性参数发生变化时，光照系数方法计算热流量是比较方便的。光照系数法的原理是[3]：一个由n个表面组成的封闭辐射系统，见图7，从表面i向表面j进行辐射的辐射能有多种途径，一是表面i直接投射到表面j，如图中数字0；二是表面i投射到除表面j外其它表面上，经其它面一次或多次与反射后剩下的、投射到表面j上，如图中数字1、2、…。称表面i与表面j之间的光照系数为Gij，则Gij表示从表面i经过各种途径辐射到表面j而未被吸收的能量占表面i总辐射能的百分比。由光照系数的原理可以得到Gij的表达式，ijijillljikkkllljGFFFFFFρρρ=+++L(1)式中Fij——表面i对表面j的辐射角系数；ρ——表面发射率。可见光照系数是通过角系数的一系列的代数运算而得到，亦是一个几何参数。对于工程实际，只需计算一次反射后的能量就可以达到要求的精度，只考虑一次反射后表面i对表面j的光照系数为ijijillljGFFFρ=+(2)根据光照系数的定义，设表面i辐射能到达表面j未被吸收的辐射能为'ijq，则'ijq为'ijibiijqEGε=(3)式中Ebi是表面i的黑体辐射力；εi是表面i的发射率。表面i辐射能到达表面j且被吸收的辐射能为ijqijibiijjqEGεα=(4)αj是表面j的吸收率。由式(4)，则在一个封闭系统内表面i对其它表面的总辐射量为：111nnnijibiijjibiijjjjjqEGEGεαεα=====⋅∑∑∑(5)其中，所以，即证明了光照系数具有完整性的特点。同理表面j辐射能到达表面i且被吸收的辐射能为1nijibijqEε==∑11nijjjGα==∑jiq，则jiq为：jijbjjiqEGiεα=(6)所以i、j两表面的辐射换热量为：ijjiijjbjjiiibiijjqqqEGEGεαεαΔ=−=−(7)4多孔内隔墙的辐射对流耦合热平衡两表面之间辐射换热量可用式(7)计算，即辐射换热计算可以大致分成四个独立的过程：各表面间辐射角系数的计算；由辐射角系数进行光照系数的计算；各表面辐射力的计算；各表面间辐射换热量的计算。对所取的某几何尺寸铝电解厂房计算单元，根据各已知条件可以得到两侧多孔内隔墙的辐射换热计算式，分别以Q7、Q8表示：10777701108788081()()jbjjjbjjjbjjjbjjQEAGEAQEAGEAεεεε==⎧=−⎪⎪⎨⎪=−⎪⎩∑∑7GG(8)把各参数值代入式(8)即可得到多孔内隔墙的辐射换热量。忽略隔墙内部的导热量，由隔墙表面辐射对流耦合热平衡则有：0conradQQ+=(9)即：0.2653.20.6573.213.277770710.2653.20.6573.213.28888081{[1.396()]8.32()}()()0{[1.396()]8.32()}()()0wnjbjjjbjjwnjbjjjbjjTUATEAGEAGTUATEAGEAGεεεε==⎧Δ+−⎪⎪−=⎪⎪⎨Δ+−⎪⎪⎪−=⎪⎩∑∑（）（）TT−−(10)式中U——室外空气通过内隔墙的迎面风速，m/s；Tw——室外空气温度，℃；A——空气与内隔墙对流换热的表面积，m2；A0——图6所示多孔内隔墙面积，m2。求解上述非线性方程组，若取经过多孔内隔墙的空气量为8kg/s，