使用CFD模擬分析建築物開口通風之整體換氣模式

在高溫度、高濕度的環境下作業可能會導致勞工體溫升高、水分與電解質代謝紊亂、神經與心血管等系統功能障礙,主要表現的急性病癥有中暑、熱衰竭、熱暈厥。參考勞動部職業安全衛生署所訂定之「職業暴露熱危害引起之職業疾病認定參考指引」,具潛在暴露熱危害之作業有:(一)於鍋爐房從事之作業、(二)灼熱鋼鐵或其他金屬塊壓軋及鍛造之作業、(三)於鑄造間處理熔融鋼鐵或其他金屬之作業、(四)鋼鐵或其他金屬類物料加熱或熔煉之作業、(五)處理搪瓷、玻璃、電石及熔爐高溫熔料之作業、(六)於蒸氣火車、輪船機房從事之作業、(七)從事蒸氣操作、燒窯等作業、(八)大型洗衣廠、食品蒸煮廚房、家禽屠體濕式褪毛廠…等,或其他濕熱廠房之作業、(九)戶外營造工人、馬路工人、電線桿維修工人等,或其他室外日射暴露環境從事之作業、(十)其他經中央主管機關指定之高溫作業。[1]

為避免暴露熱危害,加強工作現場的通風換氣為主要的手段之一,作為最常採用且最具經濟效益的通風換氣方式則屬於整體換氣改善,整體換氣改善通常以自然通風搭配機械通風的方式進行雙效控制。在執行整體換氣改善時,可運用流體力學模擬(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)方式來幫助預測改善成效。

參考「Prediction of effective ventilation in a bleaching industry using CFD analysis – A case study」此篇文獻,執行漂白作業之工廠,作業時針對漂白設備注入熱蒸氣及廠房屋頂接受太陽輻射熱所形成之廠房高溫濕熱環境的狀態,探討以工廠建築結構上不同通方位之通風開口之啟閉狀態,所產生不同整體通風換氣的結果,並同步使用CFD進行預測現場溫度及風速的狀況,作為分析最適當的通風換氣開口方式。該研究規劃了如表1的五種不同建築物開口通風方式進行分析,同時建立了如圖1的工廠模型,此工廠模型中包含有1座蒸汽鍋爐、20座漂白機及10座屋頂排風扇。

表1 五種不同的通風開口方式

圖1 工廠立體模型

在此研究中以上述5種不同的通風開口方式運用CFD進行模擬,該廠作業現場的溫度及風速結果可參考如表2。首先觀察現場溫度的部分,其溫度高低的呈現方式,以相對高溫為紅色顯示,相對低溫以藍色表示。Case-1為改善前的方式,其整體換氣方式僅有工廠正面與背面作為此建築物的通風開口,作為整體換氣使用,其他側開口則都保持密閉。在此狀況下,現場熱蒸氣及輻射熱不易排除、降低,漂白機周遭現場溫度最高可達350(K),而以屋頂通風口保持打開的Case-4其漂白機周遭最高溫度為此5種Case中相對最低者為310(K),其CFD之模擬圖像可明顯看出溫度呈現以較為有規律的方式向上呈現,但在相對最低溫度的表現部分,上述5種Case溫度都相當接近,皆在299(K)左右。同樣參考表2之結果觀察風速呈現部分,風速相對高處時以接近紅色之顏色顯示,風速相對低溫以藍色表示。Case-1的通風開口方式現場最高與最低風速明顯較低,相較於Case-1以Case-2至Case-4等通風開口方式之最高風速有近2倍之提升,最低風速的部分也有2倍以上的提升。

整體而言以CFD之觀察結果Case-4的結果相對較佳,漂白機周遭最高溫度為此5種方式之最低結果為310(K)且最高風速達可2.0 m/s。故建議有類似現場具有高溫蒸氣作業類型的工作,在以自然通風作為主要整體通風換氣的方式下,在屋頂側保持通風的方式,可優先作為通風換氣改善之考量方向[2]。

表2 以CFD推估5種不同通風開口之結果

按:鄭忠旼:中華民國工業安全衛生協會安全與環保技術服務處工程師。
參考文獻
[1]勞動部職業安全衛生署,職業暴露熱危害引起之職業疾病認定參考指引,2020。
[2]K.V. Satheesh Kumar, M. Dharmaraj ⇑, K.A. Srikishore, S. Punithkumar, E. Prabakaran, G.V. Sanjai kumar. Prediction of effective ventilation in a bleaching industry using CFD analysis – A case study.