多动力源集中排气系统运行特性实验与模拟对比分析

摘要：对可变截面的集中排气系统运行特性进行数值模拟与实验对比研究。探讨更合理控制住宅厨房卫生间空气污染的方式，以解决高层住宅厨房卫生间的排气不畅、串气等问题，改善高层住宅的空气环境质量。对系统在不同截面积常见工况下工作的压力分布及流量分布进行数据分析。通过模拟与实验对比，表明采用数值模拟的方法对多动力源集中式排气系统在常见工况和开机率下的运行特性分析是可行的，并总结出住宅集中式排气系统的运行特性。
关键词：住宅 污染控制 集中排气系统 数值模似

引言
随着生活水平的提高，住宅的室内空气品质愈来愈被人们所关注。厨房、卫生间是住宅中两个主要散发污染物场所。尤其是厨房，不仅有煤气燃烧所产生的污染物，还有烹饪产生的大量油烟与蒸汽。暖通工作者对厨房中的污染物、最小排风量、排气罩性能等方面都进行了比较系统的研究，但高层住宅中厨房排气系统和卫生间排风系统的运行效果仍不如人意。在实际运行中经常发生排气不畅、串气等问题。本文利用数值模拟方法分析高层住宅厨房与卫生间排风系统在常见工况和开机率情况下的运行效果，并与实验结果进行对比分析，找出数值模拟与实验测试各自的缺点与不足，以更加完善研究方法与手段。通过更精确的分析多动力源集中式排气系统的运行特性，提高其排气效果与效率。
1 多动力源集中式排气系统
集中排气系统是将每层的一个排气装置通过支风道排入一竖向的主风道，烟气由设于屋顶的主风道排气口排入大气．这种排气方式克服了分散式排气的缺点。因而新建住宅大都采用这种排气方式。集中排气系统的型式比较多，如带导流叶片和带导向弯管的变压式或者止逆阀等系统型式。对于高层住宅排气道不管采用哪种型式的集中排气系统，各层厨房排油烟机或卫生间排气扇与各自的集中排气系统相连通后，即分别组成了多动力源的管网系统。
2 本研究的实验测试与计算机模拟
相对于实验，仿真模拟软件的优势在于，可以建立最接近真实情况的模型，可以将实验中只能水平放置的风道竖直，模拟真实的建筑结构，由此可以将风道水平放置时忽略的各楼层之间由高度产生的风压、热压及气流特征差异考虑在内，模拟出各种常见的和不利的工况。但也其不利的一面。数值模拟所采用的模型过于理想化，而在实际的系统运行中许多不利困素的影响，比如管道中杂物，灰尘对管道阻力的影响，油烟机或排气扇具体运行特性与用户使用习惯，漏风与渗风等等实际因素都会对系统运行特性产生影响。
实验的直观性比较强，而且可以通过试验发现许多意想不到、而在实际中确实存在的问题，并且实验数据是支持理论分析的基础，也可为进行模拟分析提供边界条件和初始条件。
本课题组进行实验研究的装置是按1：1的实型尺寸加工，主管道为可变截面的集中排气系统。该系统中主管道的一侧为可移动面，这样可以任意改变排气道截面积。系统水平放置，用水平风管模拟竖向高层集中排风道。如此制作实验装置，并且在此基础上再进行模拟分析，其考虑的因素如下：
（1）住宅集中排气系统中的压力分布范围一般为数十帕。微压传感器的精度大多在1帕左右，因而不能用将试验装置按比例缩小的方法来测试，只能按实型制作实验管道系统。
（2）考虑到前述因素的限制，按实型制作实验管道系统，就要受空间和资金方面影响。比如30层的风道应该仿照真实情况将其竖立，难以实现；倘若在已建成的建筑内实测，风道又无法改变截面积。所以只能采取将风道水平放置的实型实验管道系统。
（3）多动力源的管网系统运行组合工况太多。由于楼层多，根据真实情况，各户开机时间不同，再加
上要改变不同截面，导致工况非常多，所有工况测量是无法实现的。
（4）实验环境和介质与实际使用有差别。实验中，测量气体为空气，与实际的热烟气有差
别，并且没有类似厨房的封闭空间，排油烟机暴露在外界空气中等。
3 多动力源集中式排气系统的模拟
根据实际情况使用GAMBIT建立层高分别为20层的住宅厨房主支式集中排风系统的三维模型；采用实际尺寸，主排风管道截面积分别为400×500mm、400×750mm，排油烟机入口距离地面为1.6m，层高3m，支风管道直径150mm。分析模型示意见图一,网格示意见图二。

将数值模拟与实验得出的数据进行比较，可以看出模拟数据与实验数据基本上是吻合的，有个别楼层出现相差较大的现像，是在实验测试过程中的误差及当实验条件等因素造成，这些相差较大的楼层也在合理的误差范围之内。对比结果见图六，图七。



6多动力源集中式排气系统常见工况与开机率下运行特性
多动力源集中式排风系统管道中的压强分布从底层到顶层，呈现低-高-低的趋势。下层的用户由于上层排气气流的引射带动作用，不易出现窜气；上层的用户由于需要克服管道内的阻力较小，串气也不严重；而中间层未开机用户的窜气程度较上下层相对严重。400×500mm的主排风管道截面积基本无法满足20层建筑在通常情况下的排风要求，最好是采用更大截面的排风道；400×750mm的排风道可以满足20层建筑在高开机率时的排风要求，是较为理想的排风道截面尺寸。系统排气效果受管道截面尺寸，总楼层数，用户开机率，室外热压等因素影响。
7 结论
①对于住宅厨房卫生间控制油烟的污染，集中式排风系统是较为理想和适合大多数住宅的排风系统形式，但要有合理的管道构造及其流通截面尺寸； 400×750mm的排风道仅可以满足20层建筑在高开机率时的排风要求，是适用于多数情况下的排风道截面尺寸。
②用数值模拟方法对多动力源集中排风系统进行模拟计算与实验所得结果较为接近，在由于空间，资金等方面原因造成无法进行实验研究的时候，可用数值模拟方法进行计算。
③多动力源集中式排风系统管道中的静压分布从底层到顶层，呈现低-高-低的运行特性规律。