随着公众环保意识的逐步提升，铅酸蓄电池产业所面临的环境污染风险已经引发社会的广泛关注。为了实现产业发展与环境的和谐共生，业内企业日益重视环境保护和职业卫生条件的改进。铅作为铅酸蓄电池的主要原材料，其质量占电池总质量的70 %左右，因此铅蓄电池生产过程中存在较高的铅污染风险。同时，以硫酸作为电解质的铅酸蓄电池在生产过程中还存在酸污染风险。铅蓄电池生产过程中产生的污染物主要包括铅烟、铅尘、硫酸雾等。根据GB 30484—2013《电池工业污染物排放标准》的规定，对电池工业现有和新建企业边界的大气污染物浓度限值有明确要求：硫酸雾的最高质量浓度限值为0.3 mg/m³，铅及其化合物的最高质量浓度限值为0.001 mg/m³[1]。

为了确保厂房内部的空气质量，避免铅烟、铅尘向外部环境不可控制地排放，必须采取相应措施来控制厂房内外压力差。具体而言，需要通过通风系统来确保厂房内部相对于外部环境保持负压状态，以防止铅烟、铅尘泄漏。要实现厂房内部处于负压状态，需要精确地控制岗位送风系统和除尘系统排风量之间的差值。如果负压值过高，会导致排风量增大，使冬季的能源消耗增加。此外，排风量的增加还会导致风管内流速增大，噪声增大，阻力增大，或者导致风管管径增大，所占空间扩大等负面影响。然而，如果负压值过低，则无法达到控制厂房内部铅烟、铅尘不外泄的目的。因此，选择合适的负压值对于保护环境，降低投资与能耗都具有重要的意义。

目前，关于负压房间的设计多与洁净室通风空调系统[2-4]，或者除臭通风空间[5]，或者放射性污染源控制[6-7]等相关，而少有关于铅蓄电池厂房等负压化工厂房的设计计算实例和方法，导致工程设计缺乏理论指导。为了解决这一实际问题，笔者以一个铅蓄电池厂房工程为实例进行负压设计计算，并通过COMSOL软件模拟压力场进行验证，总结提出了一套经济上、技术上可行的铅蓄电池厂房负压计算方法，可为实际工程设计提供理论支持和实践参考。

1、工程实例模型

1.1 物理模型和设计参数

以新疆维吾尔自治区某铅蓄电池厂房为工程实例。该厂房主体长234.6 m，宽184.0 m。而且，主体可分为2个部分，分别高11.5 m和15.5 m。厂房四周与室外环境相接触，且在周围建有辅助用房。对于外墙，高度1.2 m以下采用砖墙结构，1.2 m以上则采用双层压型钢板复合保温墙体，且双层钢板之间填充玻璃丝棉保温层，内附夹筋铝箔贴面。厂房四面外墙上设有大小不同的门、窗。所有外门、外窗和墙体都需要考虑压差作用下可能产生的渗透现象。

根据标准GBZ 2.1—2007[8]规定，铅蓄电池厂房内部空气中的有害物时间加权平均容许质量浓度不得超过规定限值。其中，铅尘的最高质量浓度限值为0.05 mg/m³，铅烟的最高质量浓度限值为0.03 mg/m³，硫酸的最高质量浓度限值为1 mg/m³。因此，应确保所有相关操作和工作环境符合标准要求，以保障员工的健康和安全。

根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50019—2015)[9]规定，冬季和夏季的室内、外空气计算参数分别设定为：

⑴ 室内设计温度为：冬季16℃，夏季40℃。

⑵ 室外计算温度为：冬季-12.6℃，夏季36.2℃。

⑶ 冬季室外空气密度为1.356 kg/m3，室内空气密度为1.222 kg/m3。

⑷ 夏季室外的空气密度为1.142 kg/m3，室内的空气密度为1.128 kg/m³。

⑸ 冬季室外最多风向为SSE(东南偏南风向的符号)，平均风速为1.3 m/s。

⑹ 夏季室外最多风向为ESE(东南偏东风向的符号)，平均风速为2.4 m/s。

1.2 厂房负压计算取值方法

厂房静压差形成的根本原因在于气流流经缝隙时产生压力损失，如门窗的开、关等均会引起室内外压差的变化[10-11]。在排除外界干扰因素后，所得到的净压力差值即为厂房的基础负压值。在通风系统设计过程中，外界干扰通常包括风压和热压。对于铅蓄电池厂房的负压取值，主要需要考虑基础负压值、风压和热压这3个影响因素[12]。

1.2.1 基础负压(p0)

在不考虑风、温度等外界影响因素的情况下，为了保证厂房室内空气不外泄，与室外环境之间应维持的基础负压差称为基础负压p0。在建筑通风系统中，基础负压被视为一个重要的控制参数，直接影响空气流动的状态和效率。为了确保空气流动稳定，通常会取一个标准值作为压差控制的最小值。根据规定，控制气流进出一个房间的最小压差为0.25 Pa。然而，即使压差只有1.00 Pa，缝隙处的风速也可达到约1.00 m/s。这个速度足以防止来自缝隙彼端的气流渗透。由于1.00 Pa是一个难以测量的小数值，并且考虑压差仪表的刻度导致的精度问题，一般推荐以2.50 Pa作为压差控制的最小值[13]。

1.2.2 风压(pw)

由于建筑物的阻挡，四周空气流动受到阻碍，导致动压下降，静压升高，而在建筑物侧面和背面产生局部涡流，使静压下降，动压升高，从而形成风压。风压的大小与风向、风速、空气密度、建筑物朝向、建筑物周围环境等因素有关。风压值可以是正数也可以是负数，与建筑物外形、风向与建筑物外围护结构的夹角等因素有关。在忽略由建筑物高度而导致的风速变化，以及作用于建筑物外表面的压力损失后，风压可以通过公式

进行计算。式(1)中：pw为风压；Cp为风压系数；ρ为室外空气密度，受温度和海拔影响；u为风速。在设计通风系统时，以冬季和夏季室外平均风速和风向作为计算风速、风向的依据，而不考虑10 a不遇的极大风速。风压系数Cp是一个与围护结构表面和风向的夹角φ有关的系数。夹角φ是指垂直于围护结构表面的轴与风向之间的夹角(如图1所示)。可以使用公式

计算夹角φ下的风压系数Cp(φ)。然而，需要注意的是，公式(2)受建筑物外形的影响较大，并且仅适用于低矮建筑和长边为短边3倍以内的矩形建筑。其中，低矮建筑是指高度小于迎风面宽度3倍的建筑。在通常情况下，Cp(0°)=0.6，Cp(180°)=-0.3，Cp(90°)=Cp(270°)=-0.65。为了计算厂房某点外表面的风压，需要根据当地的气象资料，利用空气密度、风速、风向与建筑表面的夹角，通过公式(1)和(2)进行计算。

图1夹角φ下的风压系数

1.2.3 热压(ps)

在室内温度高于室外温度的情况下，建筑物外表面的上部将产生负热压，导致室内空气外流，而下部则产生正热压，促使室外空气流入。反之，当室内温度低于室外温度时，上部热压为正，下部热压为负。在两种压力作用下中间空气不流动界面称为中和界，通常位于建筑物高度的一半位置。热压值可根据公式

进行计算：式(3)中：ps为热压；H为中和界高度；h为计算点高度；ρi为室内空气密度；g为重力加速度，取g=9.8 m/s2。

1.2.4 综合负压值(p)

为了确保铅蓄电池厂房内的含铅空气不会外泄，在需要克服风压、热压影响的条件下，仍然可以保证铅蓄电池厂房相对于周边环境具备基本的负压状态。可以通过公式

计算综合负压p。

1.3 工程实例计算

对于基础负压，既考虑到系统的稳定性，又考虑到经济性和实用性，选择2.50 Pa作为压差控制的最小值。

厂房的围护结构包括复合保温钢板外墙、外窗和外门，都存在一定的缝隙。在正压作用下，含铅尘的气体可能会通过这些缝隙向室外扩散。因此，必须考虑厂房围护结构四周的风向影响，以确定最不利的情况。参考设计经验，通常φ为90°的风向会导致最大的风压值。通过公式(1)、(2)计算可得到，冬季风压pww为-0.74 Pa，夏季风压pws为-2.14 Pa。

中和界高度的选择对于热压的计算至关重要。选择最高主体厂房高度的一半(即7.75 m)作为中和界高度。车间屋面最高点处的材料为复合保温钢板。通过公式(3)计算得到其缝隙处的热压值。冬季的最小热压psw为-10.18 Pa，夏季最小热压pss为-1.06 Pa。在冬季由于内外温差较大，室内外空气密度差更大，热压效应更为显著，因此热压值也更大。

通过公式(4)的计算得到，厂房冬季室内负压应不大于-13.42 Pa，夏季室内负压应不大于-5.70 Pa。考虑到实际应用的经济性和实用性，选择取最小值-13.42 Pa作为厂房负压设计值。该数值既保证了厂房内的空气流动效果，又考虑了能源消耗和经济效益等因素。

表1工程实例中物理量详表

2、铅蓄电池厂房压力场的数值模拟

为了验证上述铅蓄电池厂房负压取值方法的可行性和合理性，采用数值模拟方法分别对冬季和夏季建筑群的压力场进行验证。计算流体动力学(简称CFD)数值模拟方法是通过计算机模拟流体在特定条件下的运动状态，展示流体在空间中的运动轨迹、速度分布和压力分布，为流场分析提供预测流体的运动规律，优化实验设计，提高实验效率的前期平台和验证工具[14-16]。

2.1 模型建立和网格划分

采用COMSOL软件进行建模计算。在厂房建模过程中，充分考虑了周围其他建筑的位置、高度和形状对风速的潜在影响。通过精确的几何建模和物理场设置，真实还原了铅蓄电池厂房及其周围的建筑模型。

网格划分是有限体积分析前处理的关键步骤。其目标是将模拟计算区域划分为多个小计算单元。本次模拟采用了四面体网格来对整个物理模型进行网格划分，同时对中间厂房部分的网格进行了局部加密。网格划分的结果如图2所示。总网格数量为112 480，模拟软件中平均网格的质量为0.827，符合软件计算需求。

2.2 数值模拟计算的简化假设

由于铅蓄电池厂房的整体结构和实际环境比较复杂，因此为了便于模拟计算，提出以下假设和简化条件：

① 根据流体流动参数是否随时间变化，流动可以划分为定常流动和非定常流动。为了简化计算过程并模拟室内空气的稳态流动，假定室内、外空气为定常流动。

② 根据流体可压缩性的不同，可分为可压缩流体和不可压缩流体两类。在压强研究范围仅为0～50 Pa的情况下，对于负压度的研究可以忽略空气分子的可压缩性影响。因此，为简化连续性方程，选择不考虑空气密度的影响，并将室内外空气视为不可压缩流体。

③ 由于热压数据呈现为简单的线性形式，主要对室外风场进行模拟，取模拟结果的最小风压与模型最小热压值相叠加作为综合风压值。

图2三维网格示意图

2.3 数值模拟计算方法[17-18]

在本次气流组织模拟中，采用雷诺平均法(简称RANS)对厂区气流运动进行了稳态数值模拟。假定流体是等温不可压缩流体，作定常流动。选择标准k–ε湍流计算模型，流体运动遵循质量、动量守恒定律。具体控制方程如下：

(1)连续性方程：

(2)动量方程(Navier-Stokes方程)：

式(6)中，p为静压；Si为包含了模型的其他相关源项，如体积力ρgi以及热源等引起的源项。这里不考虑热源，故Si=ρgi。τij为应力张量，即

当i=j时，δij=1；当i≠j时，δij=0。

(3)标准k-ε 湍流模型：

① 湍动能k方程：

② 耗散率 ε 方程：

式(8)和式(9)中：Sk和Sε是用户自定义源项；Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb为由浮力引起的湍动能k的产生项；C1ε、C2ε和C3ε均为经验常数，常取C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；σk和 σε和分别为与湍动能k和耗散率ε对应的普朗特数，σk=1.0，σε=1.3。

入口设置为速度边界，夏季法向速度为2.4 m/s，冬季法向速度为1.3 m/s。出口设置为压力边界，出口静压为0 Pa。地面设置为气流无速度滑移的静止壁面，不考虑壁面粗糙度影响，其他面为对称面。

2.4 模拟结果分析

2.4.1 冬季模拟结果

建筑A为铅蓄电池厂房的主体建筑，周围建筑为办公楼、仓库等。冬季风压模拟结果图3、图4和表2所示。从冬季的风压模拟云图来看，由于冬季盛行风向与建筑物的迎风面形成了较大的角度，使得主迎风面被其他建筑物遮挡，因此建筑表面的风压最大值并没有出现在主迎风面，而是出现在侧迎风面。由于侧面的建筑物较少，风能够更加顺畅地吹袭建筑物表面。此外，由于建筑本身的高低不平和形状的非单一矩形特性，风压最小值也没有出现在厂房主体，而是出现在辅房的屋面。因为辅房的屋面形状较为平坦，且处于建筑物的背风面，所以风压相对较小。故冬季综合负压值为：

图3冬季厂房外速度云图

表2冬季风压模拟结果

2.4.2 夏季模拟结果

图5夏季厂房外速度云图

表3夏季风压模拟结果

夏季风压模拟结果如图5、图6和表3所示。因为在夏季风吹向建筑物时，没有遇到任何障碍物，导致风压直接作用在建筑表面上，所以建筑物表面的风压最大值跟预期一样，出现在主迎风面。与此相反，风压最小值出现在厂房的侧面。风吹向厂房侧面时会遇到其他建筑物的遮挡，导致风压减小。这种遮挡可能来自其他建筑物或者地形特征，阻碍了风的直接流动，从而降低了风压。故夏季模拟综合负压值为：

图4冬季厂房表面风压云图

2.4.3 数值模拟与理论计算结果对比分析

根据模拟计算结果，可得厂房冬季室内负压应不大于-13.56 Pa，夏季室内负压应不大于-8.85 Pa。为了保证铅蓄电池厂房负压的长期适用性，应取两者间较小值-13.56 Pa作为厂房负压设计值。

图6夏季厂房表面风压云图

通过表4可知，冬季最小风压模拟值与理论值之间的相对误差为15.4 %，而夏季最小风压模拟值与理论值之间的相对误差为59.5 %。经过计算公式分析，通常认为最大负压值为90°角的风压值与建筑物最高处热压值之和，即最高屋面处的负压值。然而，由模拟软件对实际情况进行模拟发现，冬、夏季的风压最小值均未出现在厂房主体建筑的最高屋面处，而是分别出现在辅楼屋顶和厂房拐角处。夏季建筑物拐角处的气流扰动导致软件模拟的最小负压值与公式计算值相差较大。

表4理论计算与数值模拟结果

由数值模拟及理论计算的结果可知，两者的厂房室内负压设计值均取冬季室内负压值。其主要原因是，冬季的室内外气流密度差较大，导致冬季热压最小值更小。由此可知，对于该地区厂房的综合负压，热压的影响比风压更大。一般情况下，满足冬季室内所需负压值，则可满足夏季的室内负压需要。此外，冬季综合负压的模拟值与理论值之间的相对误差仅为1 %。因此，该理论计算方法合理，在工程实际中可作为铅蓄电池厂房设计值确定方法。

3、结论

根据公式计算风压时，无法考虑周围建筑群对室外风速的影响，采用软件进行室外风场数值模拟可以更真实地反映实际情况。由于室外风场的复杂性和建筑物的不规则形状，主迎风面的风压并不一定是最强的，而侧迎风面和辅房屋面的风压也可能成为最大或最小值。本文中采用负压计算方法所得负压值与数值模拟所得负压值之间相对误差仅为1 %，所以该方法可作为实际工程设计的取值方法。

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文章来源:李源,樊莹,鱼澎,等.铅蓄电池厂房负压取值方法的模拟分析[J].蓄电池,2024,61(05):229-236.