本文摘要：摘要：通風技術是控制工業建筑室內污染物最主要的手段。對國內外工業通風關鍵技術的發展進行了回顧，闡述了我國制造業迅猛發展過程中工業建筑通風技術面臨的問題，總結了國內學者近期在高污染散發類工業建筑通風領域取得的進展，列舉了在通風氣流組織模式、污染物高效
摘要：通風技術是控制工業建筑室內污染物最主要的手段。對國內外工業通風關鍵技術的發展進行了回顧，闡述了我國制造業迅猛發展過程中工業建筑通風技術面臨的問題，總結了國內學者近期在高污染散發類工業建筑通風領域取得的進展，列舉了在通風氣流組織模式、污染物高效控制技術和凈化技術等方面取得的主要成果，并展望了未來我國工業建筑通風技術面臨的新挑戰。
關鍵詞：工業建筑;通風技術;污染物;氣流組織;凈化技術
1工業建筑通風技術發展回溯
工業建筑通風技術的發展與工業水平的發展和職業衛生要求的提升密不可分。工業建筑通風技術主要涵蓋廠房的整體通風、污染源附近的局部通風、工業通風管道設計和工業廢氣的凈化除塵等幾個方面，自20世紀50年代以來，大量工業發達的國家在上述領域進行了不同程度及側重的探索，逐步奠定了工業建筑通風技術的基礎理論與工程設計方法。
例如，蘇聯多位學者在工業廠房的自然通風領域進行了大量研究，得到了工業廠房基于熱壓和風壓作用的自然通風模型和設計方法[1-2];美國學者Hemeon等人提出了塵化作用、控制風速等工業建筑通風技術基礎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的工業建筑通風設計方法[3-4]。美國和蘇聯在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性研究。在蘇聯的研究中，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點分析，即通過分析空間上某些質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[4]。多位學者研究證明了置換通風技術應用于工業建筑環境控制的優越性[5-7];Aaberg排風罩[8]、低流量高流速排風(LVHVventilation)[9]等新型通風技術也被不斷提出并應用于工業建筑。
總體而言，工業建筑通風技術的發展歷程，是一個持續性的引入新理念新技術、提升現有技術的設計精度、淘汰落后技術的動態發展過程。例如，對于全面通風而言，基本的設計方法仍是基于稀釋過程的計算原理，但設計過程更加注重氣流組織對通風效率的影響;對于除塵技術而言，隨著對環境排放的要求不斷提高，重力沉降室、慣性除塵器等除塵設備幾乎被淘汰，布袋除塵器得到了廣泛的應用且性能不斷提升;對于局部通風而言，排風罩作為捕集污染物的末端裝置，一直是工業建筑通風技術中最具代表性、最亟待提升的技術要點，其設計理念和設計精度的提升成為研究和工程應用的焦點。
在理論簡化分析和簡單實驗驗證的基礎上，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]、復雜工況適應性匹配[13-15]和局部排風罩新模式開發與完善[16-18]等內容，進一步完善了局部排風罩的技術細節，擴大了其適用性。通過局部通風技術中形式最簡單的外部排風罩技術的發展，可管中窺豹地了解工業建筑通風技術的發展歷程。
從外部排風罩研究發展歷程可以看出，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值模擬技術的發展，在通風過程的氣流流動機制、通風目標及環境干擾因素特征匹配，以及通風系統節能運行控制等多個方面的持續深入研究，最終實現外部排風罩技術和設計水平不斷提升。我國工業建筑通風技術的發展與蘇聯和美國都有著密切聯系。1957年，馬克西莫夫作為蘇聯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最早關于工業建筑通風的學術文集《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建筑通風著作，將發達國家的工業建筑通風技術和理念引入國內。在設計方面，為適應國內工業企業通風設計的需求，我國最早于1952年就將蘇聯的《工廠采暖通風及照明設計》翻譯成中文，供我國建筑設計人員使用。隨后，我國又組織出版了多部通用工業建筑通風設計手冊，如1993年陸耀慶主持編寫的《實用供熱空調設計手冊》，以及2007年孫一堅組織編寫的《簡明通風設計手冊》等文獻，都對工業建筑通風設計方法進行了詳細的介紹。
除了通用的工業建筑通風設計手冊以外，我國多個行業部門還組織編寫了行業內部的工業建筑通風設計手冊，如《機器制造工廠采暖通風設計手冊》《鋼鐵企業采暖通風設計手冊》《重有色冶金企業采暖通風設計參考資料》等，為各工業行業的工業建筑通風設計提供了設計依據和有力保證。工業建筑通風技術領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建筑通風領域的學者出版了工業建筑通風書籍《工業通風設計指南》[19]。
該指南介紹了控制工業工作場所污染物的通風技術和系統設計，涵蓋了工業建筑通風技術解決方案背后的基礎理論，還包括當時最新的基礎研究和設計方程。2021年，Goodfellow等人重新修編了《工業通風設計指南》[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，更新內容涵蓋了自第一版《工業通風設計指南》出版以來，在全球范圍內為控制污染物的通風領域中出現的大量新技術。在兩版的工業建筑通風設計指南中，可以觀察到的一個現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量已經從零變為占據三分之一的比例，這與我國20年來的工業快速發展，在工業建筑通風領域的影響力提升的情況是相吻合的。
2我國工業建筑的發展及通風技術面臨的挑戰
20世紀50—90年代是發達國家工業建筑通風技術發展的高峰，隨著經濟發展、產業升級、環保要求提高，發達國家的工業出現了不同程度的衰退和產業轉移現象，尤其是鋼鐵、水泥、化工、建材等大量高污染產業轉移至新型發展中國家，導致發達國家的工業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體系，成為制造業第一大國，現代工業生產對作業環境的需求，促進了工業建筑的迅猛發展。2009—2010年，工業建筑每年竣工面積的年增幅超過14%。
2011—2020年，工業建筑每年竣工面積超過5億m2，保持在一個較高的水平[21]。從業人員衛生健康條件亟待改善、室外環境排放容量減少、企業迫切要求降低能耗并減少運行費用，對工業建筑通風技術提出了新挑戰。隨著新的環境要求及生產工藝的不斷涌現，工業建筑通風技術面臨新的問題，主要表現在工業建筑及其室內生產規模擴大、排放容量減少、健康環境要求提高3個方面。
從污染源的角度，工業建筑室內污染物的散發與生產工藝密切相關，在現代工業生產的發展進程中，仍有很多生產工藝難以通過技術改良避免污染物的散發，同時生產規模的擴大，使得污染源的尺度增大，污染散發總量和散發強度增大，因此伴隨工業建筑單體規模擴大，大尺度、高強度的污染物散發是工業建筑通風技術普遍面臨的難題。
從室外環境排放容量的角度，隨著工業生產總量的增加，大氣環境排放容量減少，對工業建筑環境形成倒逼壓力，傳統的基礎性行業，比如鋼鐵、有色、機械加工等行業的熱車間，原本利用熱壓通風方式能夠解決的室內環境問題，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作業，在大氣污染物減排強制措施要求下移至工業建筑內部，在黑色金屬冶煉行業中，煉鐵工藝由原來露天生產過程轉移至工業建筑內部，對工業建筑通風污染物控制能力提出了很高的要求，中等以上規模的煉鐵廠房通風系統風機總額定功率超過5000kW。
高污染散發類工業建筑通風技術進展冶金、化工、金屬制品、建材等行業在生產過程中不可避免會散發高強度污染物和余熱，高污染散發類工業建筑通風技術難度大、任務重。國內學者于國家“十三五”規劃期間針對高污染散發類工業建筑通風技術，在應用基礎、關鍵技術、評價方法和工程應用等方面取得了系列成果，建設了一批代表性示范工程，形成了系列行業標準規范[22]。
3.1通風氣流組織模式
解決高污染散發工業建筑室內環境質量問題依賴于通風系統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計方法。通過減少通風氣流和建筑環境空氣的摻混，減少通風氣流和污染物的摻混是提高通風系統效率的新思路，而等速同向流和旋流是可實現上述思路的2種氣流流動模式。基于以上2種模式，相關研究研發了平行流通風技術、渦旋通風技術和渦環送風技術。
針對于平行流通風技術，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鍵因素[23];明確了蜂窩器整流裝置對實現平行流送風的重要性，研究了蜂窩器結構參數對速度方向性和湍流度的調控及其阻力關系，給出了蜂窩器的最佳參數范圍[24]。在平行流通風技術應用于工業廠房高大空間環境控制的過程中，進一步提出了可實現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濟性設計思路[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，并且可以實現污染物的長距離靶向輸送。相關研究歸納闡明了工業建筑空間內形成單渦旋通風的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];研發了多種形式的渦旋通風裝置[29]。
渦環通風技術具有可有效提高送風輸送距離和效率的特點，相關研究分析了渦環形成過程及渦環送風裝置的結構參數[30-31]，開發了系列空氣渦環送風裝置。隨著新技術和新裝置的研發，相關成果也積極應用于工程試驗和示范。平行流吹吸式通風技術應用于冶金行業鉛冶煉車間的鉛煙控制改造項目，解決了原有通風系統難以將污染物有效輸送到排風口的問題。渦旋通風技術在鋼鐵行業出鐵場、鑄造行業鑄造車間和金屬制品業的焊接車間等得到了應用，有效地減少了污染物在建筑空間內的滯留和擴散。
3.2污染物高效控制關鍵技術
高溫煙塵是黑色和有色金屬行業工藝生產過程中產生的典型污染物，工藝產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，利用霧滴蒸發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、散發角度、排風速度等關鍵技術參數，形成了高效噴霧通風技術的設計方法。
噴霧通風技術成功應用于控制鋼鐵行業不銹鋼熱軋車間產生的高溫煙塵，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，研發了高速射流誘導通風捕集技術，闡明了排風速度、高速射流速度對煙氣捕集效率的作用規律，給出了不同源散發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生產過程中產生的典型污染物。涉及油霧散發的工藝設備眾多，油霧散發機制差異巨大，使得表征和預測油霧散發規律存在困難，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工藝和設備的調研與測試[37]，明確了關鍵散發工藝，并揭示了關鍵工藝參數對油霧散發量的影響規律[38]，建立了典型工藝過程中不同散發機制下油霧散發率計算模型[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)技術對噴涂槍流場特性進行了分析，發現了噴涂過程中的漆霧逃逸機理，進而發明了基于環形空氣幕技術的新型噴涂槍[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星排風機協同的通風系統，能夠適應不同噴漆工況需求，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]。在金屬制品業的飛機噴涂車間，應用了移動衛星排風機高效通風技術，實現了在高大空間中對大型工件噴涂過程中產生的漆霧的高效控制。有害氣體是橡膠化工行業典型的污染物，多點位、非穩定散發特征使污染物高效控制難度大，相關研究在有害氣體的通風系統增效和節能方面探尋了新的技術路徑。
其中，在廠房有害氣體通風系統節能關鍵技術研究與裝置開發方面，文獻[42]建立了多點位有害氣體周期性散發的重疊率計算模型，提出了設計同時系數的確定方法，奠定了變風量控制策略的基礎。為了簡化排風系統運行調控，研究人員開發了適用于多末端風量分配的均勻排風裝置與設計方法，該裝置無需調節部件，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和基于水力失調度的總風量控制方法[45]。系列污染物捕集增效和變風量調控技術在橡膠行業硫化工藝車間得到了應用，有效解決了多點位、非穩態散發有害氣體引起的室內環境質量和能耗問題。
3.3污染物高效凈化技術
工業建筑排放污染物是國家霧霾防治的重點，在評級、搬遷、限產、關停的壓力下，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域，相關研究圍繞細顆粒脫除提效機制、濾料性能改進、整體裝備及系統研發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化設計依據，闡明了多纖維捕集過程中細顆粒湍流團聚機理。研發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、非穩態運行工業建筑崗位環境循環風凈化一體化技術，系統凈化除塵后氣體達到衛生標準限值的30%以下，實現了通風用環境空氣一次供給后循環使用。循環風凈化系統在鑄造行業多個車間得到應用，降低了車間排風量和對室內空氣的需求量，實現了污染物近零排放，并減少了供暖能耗。
在對油霧漆霧污染物特征分析的基礎上，研究了更加適配工藝的凈化技術。在油霧凈化方面，提出了更加準確的雙區靜電凈化效率模型，發展了雙區電場模塊優化設計方法[56]，在此基礎上通過雙區電場模塊優化設計、結構流場優化，研制了工業油霧雙區靜電凈化器[57]。在漆霧凈化技術方面，文獻[58]利用羥基自由基的高級氧化和活性位點的協同催化效應，開發出了漆霧常溫催化劑，實現了漆霧常溫條件下的高效降解。
在易揮發性有機物(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，解決了常規球體假設下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[61-64]。文獻[65]開發出有害氣體預處理中顆粒相離心分離裝置，運行阻力穩定，能有效保護纖維濾料壽命。
4結語
制造業是我國國民經濟的主體，我國制造業分為31個大類、179個中類和609個小類[66]。在我國深入實施制造業強國戰略背景下，制造業是科技創新的主戰場，高效的工業建筑通風技術體系是綠色制造的重要保障。通風系統能效與各行業的生產工藝密切相關，關于代表性行業中工業建筑通風技術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鍵技術和凈化技術，可用于解決類似的污染物控制問題。
相關工業建筑通風技術研究進展也表明，借助實驗測試技術和數值模擬技術的進步，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，工業建筑通風技術任重而道遠，同時也為相關技術性能的大幅提升提供了良好的契機。很多行業的室內環境質量有待進一步提升，亟待進行更加深入系統的基礎性研究，在高效低耗通風技術上取得新突破。
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作者：王怡☆楊洋曹智翔
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