本文摘要：摘要：通风技术是控制工业建筑室内污染物最主要的手段。对国内外工业通风关键技术的发展进行了回顾，阐述了我国制造业迅猛发展过程中工业建筑通风技术面临的问题，总结了国内学者近期在高污染散发类工业建筑通风领域取得的进展，列举了在通风气流组织模式、污染物高效
摘要：通风技术是控制工业建筑室内污染物最主要的手段。对国内外工业通风关键技术的发展进行了回顾，阐述了我国制造业迅猛发展过程中工业建筑通风技术面临的问题，总结了国内学者近期在高污染散发类工业建筑通风领域取得的进展，列举了在通风气流组织模式、污染物高效控制技术和净化技术等方面取得的主要成果，并展望了未来我国工业建筑通风技术面临的新挑战。
关键词：工业建筑;通风技术;污染物;气流组织;净化技术
1工业建筑通风技术发展回溯
工业建筑通风技术的发展与工业水平的发展和职业卫生要求的提升密不可分。工业建筑通风技术主要涵盖厂房的整体通风、污染源附近的局部通风、工业通风管道设计和工业废气的净化除尘等几个方面，自20世纪50年代以来，大量工业发达的国家在上述领域进行了不同程度及侧重的探索，逐步奠定了工业建筑通风技术的基础理论与工程设计方法。
例如，苏联多位学者在工业厂房的自然通风领域进行了大量研究，得到了工业厂房基于热压和风压作用的自然通风模型和设计方法[1-2];美国学者Hemeon等人提出了尘化作用、控制风速等工业建筑通风技术基础性概念并进行了理论和实验研究，基于上述概念提出了相应的工业建筑通风设计方法[3-4]。美国和苏联在20世纪50年代各自基于流体力学汇流理论，对外部排风罩进行了基础性研究。在苏联的研究中，排风罩有效作用范围使用了接近于流体力学中拉格朗日法的质点分析，即通过分析空间上某些质点在排风罩作用下的运动轨迹，分析排风罩的有效作用范围，设计局部排风罩[2]。
美国的研究则在排风罩汇流等速面的基础上，提出了用接近于流体力学中欧拉法的控制速度，即通过确定排风罩口到污染源位置的有效控制风速满足捕集污染物的需求为前提确定排风罩参数[4]。多位学者研究证明了置换通风技术应用于工业建筑环境控制的优越性[5-7];Aaberg排风罩[8]、低流量高流速排风(LVHVventilation)[9]等新型通风技术也被不断提出并应用于工业建筑。
总体而言，工业建筑通风技术的发展历程，是一个持续性的引入新理念新技术、提升现有技术的设计精度、淘汰落后技术的动态发展过程。例如，对于全面通风而言，基本的设计方法仍是基于稀释过程的计算原理，但设计过程更加注重气流组织对通风效率的影响;对于除尘技术而言，随着对环境排放的要求不断提高，重力沉降室、惯性除尘器等除尘设备几乎被淘汰，布袋除尘器得到了广泛的应用且性能不断提升;对于局部通风而言，排风罩作为捕集污染物的末端装置，一直是工业建筑通风技术中最具代表性、最亟待提升的技术要点，其设计理念和设计精度的提升成为研究和工程应用的焦点。
在理论简化分析和简单实验验证的基础上，针对局部排风罩的研究主要包括局部排风罩的流场精细化分析[10-12]、复杂工况适应性匹配[13-15]和局部排风罩新模式开发与完善[16-18]等内容，进一步完善了局部排风罩的技术细节，扩大了其适用性。通过局部通风技术中形式最简单的外部排风罩技术的发展，可管中窥豹地了解工业建筑通风技术的发展历程。
从外部排风罩研究发展历程可以看出，外部排风罩的研究从单纯的理论简化分析和简单的实验分析验证开始，随着实验测试手段的进步和计算机数值模拟技术的发展，在通风过程的气流流动机制、通风目标及环境干扰因素特征匹配，以及通风系统节能运行控制等多个方面的持续深入研究，最终实现外部排风罩技术和设计水平不断提升。我国工业建筑通风技术的发展与苏联和美国都有着密切联系。1957年，马克西莫夫作为苏联援华专家到西安冶金建筑学院(西安建筑科技大学前身)指导科研和教学工作，指导学生出版了可能是国内最早关于工业建筑通风的学术文集《南方建筑降温问题的研究》。
随后，我国学者相继翻译了Baturin、Hemeon和林太郎等人的工业建筑通风著作，将发达国家的工业建筑通风技术和理念引入国内。在设计方面，为适应国内工业企业通风设计的需求，我国最早于1952年就将苏联的《工厂采暖通风及照明设计》翻译成中文，供我国建筑设计人员使用。随后，我国又组织出版了多部通用工业建筑通风设计手册，如1993年陆耀庆主持编写的《实用供热空调设计手册》，以及2007年孙一坚组织编写的《简明通风设计手册》等文献，都对工业建筑通风设计方法进行了详细的介绍。
除了通用的工业建筑通风设计手册以外，我国多个行业部门还组织编写了行业内部的工业建筑通风设计手册，如《机器制造工厂采暖通风设计手册》《钢铁企业采暖通风设计手册》《重有色冶金企业采暖通风设计参考资料》等，为各工业行业的工业建筑通风设计提供了设计依据和有力保证。工业建筑通风技术领域的文献近年来也有了新的进展。2001年，加拿大的Goodfellow和芬兰的Tahti组织来自全世界18个国家的近百名工业建筑通风领域的学者出版了工业建筑通风书籍《工业通风设计指南》[19]。
该指南介绍了控制工业工作场所污染物的通风技术和系统设计，涵盖了工业建筑通风技术解决方案背后的基础理论，还包括当时最新的基础研究和设计方程。2021年，Goodfellow等人重新修编了《工业通风设计指南》[20]，修编过程中有92位来自世界各地的专家参与到书籍的更新工作，更新内容涵盖了自第一版《工业通风设计指南》出版以来，在全球范围内为控制污染物的通风领域中出现的大量新技术。在两版的工业建筑通风设计指南中，可以观察到的一个现象就是编书人员组成的变化。在2021年的第二版中，来自我国的参与者数量已经从零变为占据三分之一的比例，这与我国20年来的工业快速发展，在工业建筑通风领域的影响力提升的情况是相吻合的。
2我国工业建筑的发展及通风技术面临的挑战
20世纪50—90年代是发达国家工业建筑通风技术发展的高峰，随着经济发展、产业升级、环保要求提高，发达国家的工业出现了不同程度的衰退和产业转移现象，尤其是钢铁、水泥、化工、建材等大量高污染产业转移至新型发展中国家，导致发达国家的工业建筑通风研究逐步回落。我国改革开放以来建立了全世界最完整的工业体系，成为制造业第一大国，现代工业生产对作业环境的需求，促进了工业建筑的迅猛发展。2009—2010年，工业建筑每年竣工面积的年增幅超过14%。
2011—2020年，工业建筑每年竣工面积超过5亿m2，保持在一个较高的水平[21]。从业人员卫生健康条件亟待改善、室外环境排放容量减少、企业迫切要求降低能耗并减少运行费用，对工业建筑通风技术提出了新挑战。随着新的环境要求及生产工艺的不断涌现，工业建筑通风技术面临新的问题，主要表现在工业建筑及其室内生产规模扩大、排放容量减少、健康环境要求提高3个方面。
从污染源的角度，工业建筑室内污染物的散发与生产工艺密切相关，在现代工业生产的发展进程中，仍有很多生产工艺难以通过技术改良避免污染物的散发，同时生产规模的扩大，使得污染源的尺度增大，污染散发总量和散发强度增大，因此伴随工业建筑单体规模扩大，大尺度、高强度的污染物散发是工业建筑通风技术普遍面临的难题。
从室外环境排放容量的角度，随着工业生产总量的增加，大气环境排放容量减少，对工业建筑环境形成倒逼压力，传统的基础性行业，比如钢铁、有色、机械加工等行业的热车间，原本利用热压通风方式能够解决的室内环境问题，由于排放容量减少，厂房密闭程度提高，则需采用机械通风方式替代，送风量很难达到自然通风水平，但却带来巨大的能量消耗;很多露天和半露天的生产作业，在大气污染物减排强制措施要求下移至工业建筑内部，在黑色金属冶炼行业中，炼铁工艺由原来露天生产过程转移至工业建筑内部，对工业建筑通风污染物控制能力提出了很高的要求，中等以上规模的炼铁厂房通风系统风机总额定功率超过5000kW。
高污染散发类工业建筑通风技术进展冶金、化工、金属制品、建材等行业在生产过程中不可避免会散发高强度污染物和余热，高污染散发类工业建筑通风技术难度大、任务重。国内学者于国家“十三五”规划期间针对高污染散发类工业建筑通风技术，在应用基础、关键技术、评价方法和工程应用等方面取得了系列成果，建设了一批代表性示范工程，形成了系列行业标准规范[22]。
3.1通风气流组织模式
解决高污染散发工业建筑室内环境质量问题依赖于通风系统控制效果的进一步提升，其核心在于提出气流组织新模式和精细化设计方法。通过减少通风气流和建筑环境空气的掺混，减少通风气流和污染物的掺混是提高通风系统效率的新思路，而等速同向流和旋流是可实现上述思路的2种气流流动模式。基于以上2种模式，相关研究研发了平行流通风技术、涡旋通风技术和涡环送风技术。
针对于平行流通风技术，研究明晰了送风速度方向性、均匀性和湍流度等降低掺混、抑制污染物扩散的关键因素[23];明确了蜂窝器整流装置对实现平行流送风的重要性，研究了蜂窝器结构参数对速度方向性和湍流度的调控及其阻力关系，给出了蜂窝器的最佳参数范围[24]。在平行流通风技术应用于工业厂房高大空间环境控制的过程中，进一步提出了可实现长距离输新风的平行流岗位送风方式和可大幅降低排风量的平行流吹吸通风经济性设计思路[25-26]。
涡旋通风的原理来自于自然界中龙卷风和尘卷风的形成机理，其对污染物的汇聚能力强、抗干扰能力强，并且可以实现污染物的长距离靶向输送。相关研究归纳阐明了工业建筑空间内形成单涡旋通风的3种基本方式，明确了各方式下污染物扩散范围、排污性能及有效作用区间，揭示了涡旋通风流动特性差异及适用场合[27];提出了大空间厂房多涡旋通风方式，明确了多涡旋通风的组合流场特性[28];研发了多种形式的涡旋通风装置[29]。
涡环通风技术具有可有效提高送风输送距离和效率的特点，相关研究分析了涡环形成过程及涡环送风装置的结构参数[30-31]，开发了系列空气涡环送风装置。随着新技术和新装置的研发，相关成果也积极应用于工程试验和示范。平行流吹吸式通风技术应用于冶金行业铅冶炼车间的铅烟控制改造项目，解决了原有通风系统难以将污染物有效输送到排风口的问题。涡旋通风技术在钢铁行业出铁场、铸造行业铸造车间和金属制品业的焊接车间等得到了应用，有效地减少了污染物在建筑空间内的滞留和扩散。
3.2污染物高效控制关键技术
高温烟尘是黑色和有色金属行业工艺生产过程中产生的典型污染物，工艺产生的高温热气流裹挟着高温烟尘形成气固两相流，热压作用强且体积流量大，由于工艺限制难以在理想位置设置排风罩，造成高温烟尘难以有效控制。研究人员提出了喷雾通风技术，利用雾滴蒸发的吸热作用有效削弱热压作用并降低气流体积流量，抑制烟尘逸散[33-34]。通过获得喷雾匹配排风的热轧机组喷雾位置、散发角度、排风速度等关键技术参数，形成了高效喷雾通风技术的设计方法。
喷雾通风技术成功应用于控制钢铁行业不锈钢热轧车间产生的高温烟尘，有效地解决了污染物因强热压作用引起的逃逸问题。同时，利用引射流通过压力场改变气流运动方向的原理，研发了高速射流诱导通风捕集技术，阐明了排风速度、高速射流速度对烟气捕集效率的作用规律，给出了不同源散发速度下高速射流的速度推荐范围[35-36]。
油雾漆雾是金属制品行业生产过程中产生的典型污染物。涉及油雾散发的工艺设备众多，油雾散发机制差异巨大，使得表征和预测油雾散发规律存在困难，控制难度大。研究人员基于典型机加工车间中主要油雾散发工艺和设备的调研与测试[37]，明确了关键散发工艺，并揭示了关键工艺参数对油雾散发量的影响规律[38]，建立了典型工艺过程中不同散发机制下油雾散发率计算模型[39]。对具有复杂几何外形的大型工件进行喷漆时，传统的通风气流组织模式难以对漆雾进行高效排除。通过粒子图像测速(PIV)技术对喷涂枪流场特性进行了分析，发现了喷涂过程中的漆雾逃逸机理，进而发明了基于环形空气幕技术的新型喷涂枪[40]，可以显著降低漆雾逃逸。
基于匹配漆雾散发源特性排风的思想，提出了漆雾车间顶送与多点位可移动卫星排风机协同的通风系统，能够适应不同喷漆工况需求，并靠近源头排除漆雾，有效减小漆雾污染物传播路径与范围[41]。在金属制品业的飞机喷涂车间，应用了移动卫星排风机高效通风技术，实现了在高大空间中对大型工件喷涂过程中产生的漆雾的高效控制。有害气体是橡胶化工行业典型的污染物，多点位、非稳定散发特征使污染物高效控制难度大，相关研究在有害气体的通风系统增效和节能方面探寻了新的技术路径。
其中，在厂房有害气体通风系统节能关键技术研究与装置开发方面，文献[42]建立了多点位有害气体周期性散发的重叠率计算模型，提出了设计同时系数的确定方法，奠定了变风量控制策略的基础。为了简化排风系统运行调控，研究人员开发了适用于多末端风量分配的均匀排风装置与设计方法，该装置无需调节部件，可有效替代定风量阀[43-44]，并提出了以均匀排风装置为核心的变风量系统和基于水力失调度的总风量控制方法[45]。系列污染物捕集增效和变风量调控技术在橡胶行业硫化工艺车间得到了应用，有效解决了多点位、非稳态散发有害气体引起的室内环境质量和能耗问题。
3.3污染物高效净化技术
工业建筑排放污染物是国家雾霾防治的重点，在评级、搬迁、限产、关停的压力下，污染物超低排放的治理水平需要进一步提升。在颗粒物除尘净化领域，相关研究围绕细颗粒脱除提效机制、滤料性能改进、整体装备及系统研发3个方面展开。研究提出了电场力[46-47]、离心力[48-49]和磁场力[50-51]作用下脱出效率提升的优化设计依据，阐明了多纤维捕集过程中细颗粒湍流团聚机理。研发了用于净化高温烟气的低阻高效强基覆膜滤料[52]、磁性滤料[53-54]。
文献[55]提出了多尘源且分散、非稳态运行工业建筑岗位环境循环风净化一体化技术，系统净化除尘后气体达到卫生标准限值的30%以下，实现了通风用环境空气一次供给后循环使用。循环风净化系统在铸造行业多个车间得到应用，降低了车间排风量和对室内空气的需求量，实现了污染物近零排放，并减少了供暖能耗。
在对油雾漆雾污染物特征分析的基础上，研究了更加适配工艺的净化技术。在油雾净化方面，提出了更加准确的双区静电净化效率模型，发展了双区电场模块优化设计方法[56]，在此基础上通过双区电场模块优化设计、结构流场优化，研制了工业油雾双区静电净化器[57]。在漆雾净化技术方面，文献[58]利用羟基自由基的高级氧化和活性位点的协同催化效应，开发出了漆雾常温催化剂，实现了漆雾常温条件下的高效降解。
在易挥发性有机物(VOCs)净化方面，提出了高浓度有害气体高效冷凝回收新工艺[59-60]，研究建立了圆柱形吸附剂各向异性堆积力学模型，解决了常规球体假设下Ergun方程计算吸附阻力偏差大的工程难题，奠定了有害气体高效低阻吸附的基础[61-64]。文献[65]开发出有害气体预处理中颗粒相离心分离装置，运行阻力稳定，能有效保护纤维滤料寿命。
4结语
制造业是我国国民经济的主体，我国制造业分为31个大类、179个中类和609个小类[66]。在我国深入实施制造业强国战略背景下，制造业是科技创新的主战场，高效的工业建筑通风技术体系是绿色制造的重要保障。通风系统能效与各行业的生产工艺密切相关，关于代表性行业中工业建筑通风技术取得的既有研究成果具有推广价值，如基于等速同向流动和旋流流动提出的通风气流组织新模式，针对高温烟尘、油雾漆雾和有害气体的高效控制关键技术和净化技术，可用于解决类似的污染物控制问题。
相关工业建筑通风技术研究进展也表明，借助实验测试技术和数值模拟技术的进步，通过加深认知水平来提高污染物控制效果并降低能耗及碳排放，具有巨大的潜力。面向双碳目标和超低排放需求，工业建筑通风技术任重而道远，同时也为相关技术性能的大幅提升提供了良好的契机。很多行业的室内环境质量有待进一步提升，亟待进行更加深入系统的基础性研究，在高效低耗通风技术上取得新突破。
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作者：王怡☆杨洋曹智翔
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