沈陽某廠房分層空調溫濕度模擬研究

何松駿 樊洪明

北京工業大學建筑工程學院

0 引言

隨著工業化的發展，越來越多的廠房不斷涌現。工業廠房擁有高度較高，跨 度較大的特點，對 暖通空調系統的設計提出了一定的挑戰[1]。一般廠房空間較為高大，而 人員工作區位于廠房底部，因 此空調系統一般采用分層空調，僅對人員工作區進行送風調節，不對廠房上部分進行處理，可 節省能源。

在設計高大空間空調系統時，氣 流組織對空調系統的效果影響較大，因此在設計時輔以數值模擬的方法可對設計進行校核。魏睆 等對四川某廠房高大空間氣流組織的模擬，得 出雙側送風雙側回風是比較合理的方案[2]。白音夫等通過改變送排風口位置進行對比分析，得 出同側上送下回和異側上送下回的送風方式均可滿足舒適性要求[3]。已有研究均基于風口位置，出風角度和出風溫度等方面進行高大空間廠房的舒適研究，然 而濕度作為和溫度相互耦合影響的一個重要參數往往被人忽略。本文研究對象因工藝要求存在兩個不同濕度的區域，因 此本文將通過 CFD 數值模擬的方法側重對廠房溫、濕 度進行模擬，并 通過對比不同廠房結構下的濕度分布分析高大空間濕度的遷移情況。

1 工程概況

1.1 廠房模型

廠房實際尺寸為400 m×80 m×20 m，主要劃分為兩個區域，右 下角四分之一區域濕度要求較低，布 置循環型新風機組與射流機組，循 環型新風機組冬季不加濕，夏 季除濕，下 文稱該區域為B 區。其余區域對濕度要求較高，布 置新風機組與射流機組，新 風機組冬季加濕，夏 季除濕，下 文稱該區域為 A 區。廠房內、外模型如圖1、2 所示。

圖2 廠房內部模型（無隔墻）

1.2 室內外設計參數

廠房AB 區域溫度要求相同，但 濕度要求不同，其室內外設計參數如表1 所示。

表1 室內外設計參數

1.3 湍流模型

由于k-ε模型形式簡單，使 用方便，多 年來被廣泛應用于工程計算。大量計算結果與實驗數據比較表明，它 比較適用于射流，自 然剪切流以及弱旋流等較簡單的湍流流動，而 不太適用于強旋流，回 流及曲壁邊界層等一些復雜的湍流流動。其原因一方面是因為標準k-ε模型的系數是由簡單湍流問題中得到的，對于一些復雜的湍流，這些系數可能不適合。另一方面因為標準k-ε模型是根據 Boussinesq 渦粘性假設建立的，在假設中認為湍流粘性是各向同性的標量，實際上湍流粘性與分子粘性是不同的，湍 流粘性不是一種流體性質，而 是隨流動變化的。對那些復雜湍流，渦粘性通常是各向異性，而 且與管道幾何形狀和流動性質有關。本文模擬對象屬于簡單射流湍流模型，因此使用標準k-ε方 程計算。

1.4 工況對比

由于廠房存在兩個濕度不同的區域，為 了探討兩個區域濕度在不同廠房結構下相互影響的情況，在 原始方案（AB 區之間無隔墻，如 圖2）基 礎上設立兩個對比方案，如 圖3 所示。

圖3 廠房內部結構方案

2 結果分析

模擬結果（圖 4～11）從 上到下依次為無隔墻，半 高隔墻（9 m 高）和 全高隔墻（20 m 高）工 況。

2.1 冬季溫濕度模擬分析

結果截取Z=2 m 工作區高度截面進行分析，由 圖4 可知，整 個廠房工作區溫度在 20 ℃左右，局 部圍護結構處溫度較低，散 熱器和新風機布置密集處溫度較高。無隔墻和半高隔墻工況廠房溫度分布大體一致，存在細微差別。相比之下，全高隔墻工況與前兩種工況略有不同，隔 墻完全隔斷 A、B 兩個區域，兩 個區域相互獨立，A 區溫度場更加均勻，B 區由于沒有 A 區的影響，且 散熱器布置分散，因 而低溫區域較大。

圖4 冬季Z=2 m 工作區高度溫度分布

由圖 5 可知，無 隔墻和半高隔墻工況下，廠 房相對濕度除右下區域大約在34%～36%之間，略 低于設計值，而 全高隔墻工況廠房相對濕度除右下區域大約在39%左右，接 近設計值。由 于廠房右下區域相對濕度設計值較低，在無隔墻和半高隔墻工況下，A、B 兩區濕度相互影響，導 致 A、B 區濕度均無法達到設計值。B區左側濕度受A 區影響，從 左到右濕度逐漸遞減。

圖5 冬季Z=2 m 工作區高度濕度分布

綜上所述，隔墻對廠房濕度分布有一定影響，主要體現在隔墻處，若 隔墻到頂，則 廠房濕度分布均勻，兩個區域濕度均滿足設計值。為了進一步分析廠房濕度橫向遷移與隔墻的關系，取Y=20 m 處濕度分布進行分析。

由圖6 可知，全高隔墻使A、B 兩區相互獨立，濕度沒有相互影響，廠 房濕度幾乎沒有橫向遷移。無隔墻和半高隔墻工況由于A、B 兩區濕度相差較大，廠 房濕度有一定的橫向遷移，尤 其是無隔墻工況，A 區高濕空氣明顯向B 區遷移，而 半高隔墻在隔墻處對濕度的橫向遷移有一定的限制，但 效果不明顯。

圖6 冬季Y=20 m 處濕度分布

廠房濕度的縱向遷移在濕度梯度較大的風口處比較明顯，為 了分析廠房濕度的縱向遷移，取 無隔墻工況新風口X=156 m 處截面結合速度，溫 度和濕度進行分析。

由圖7 可知，新風機出口溫度與周圍空氣溫度相差較大，新 風機處截面溫度變化梯度較大，風 口出風有向上的趨勢。廠房整體濕度比較均勻，風口處濕度變化梯度較大，濕 度隨氣流組織向上遷移，其 余區域無明顯縱向遷移。

圖7 冬季X=156 m 處濕度縱向遷移情況

2.2 夏季溫濕度模擬分析

由圖 8 可知，整 個廠房溫度在 24.8 ℃左右，略 低于設計值，新 風口由于出風溫度較低，新 風口下方溫度較低。廠房整體溫度較低有以下幾個原因：一 方面由于負荷計算時為了保證溫度能夠滿足設計值留了一定的富余量，廠房底部負荷略小于空調送風負荷。另一方面由于廠房高度較高，人 員工作區產生的熱量上升到廠房頂部，風 口送出的冷風下沉，導 致廠房底部溫度略低于設計值。廠房左側與右上側由于空間狹小且風口布置密集溫度較低，廠房中部溫度較高。無隔墻和半高隔墻工況廠房溫度分布大體一致，隔 墻處存在細微差別。相比之下，全高隔墻工況與前兩種工況略有不同，隔 墻完全隔斷 A、B 兩個區域，兩 個區域相互獨立，A 區溫度場更加均勻，廠 房左側與右上側的低溫區域明顯變小。B 區由于沒有 A 區的影響，且 新風機組較少，因 而高溫區域比無隔墻和半高隔墻的工況略大。

圖8 夏季Z=2 m 工作區高度溫度分布

由圖 9 可知，無 隔墻和半高隔墻工況下，廠 房相對濕度除右下區域大約在60%～65%之間，略 高于設計值，而 全高隔墻工況廠房相對濕度除右下區域大約在60%左右，接 近設計值。全 高隔墻工況廠房絕對濕度比較均勻且滿足設計值，相 對濕度略大于設計值是由于廠房底部溫度較低所致。由于廠房右下區域相對濕度設計值略高于其他區域，在無隔墻和半高隔墻工況下，A、B 兩區濕度相互影響，導致A、B 區濕度均無法達到設計值。A 區受B 區影響，整 體濕度略高，B 區濕度受A 區影響，在 隔墻處濕度略低。由于 A、B 區相對濕度差別不是很大，兩 區相互影響的程度亦不大。

圖9 夏季Z=2 m 工作區高度濕度分布

綜上所述，隔墻對廠房濕度分布有一定影響，主要體現在隔墻處，若 隔墻到頂，則 廠房濕度分布相對均勻，兩 個區域濕度受溫度影響，雖 如法滿足設計值，但相比于無隔墻和半高隔墻工況，濕度接近設計值。為了進一步分析廠房濕度橫向遷移與隔墻的關系，取Y=20 m 處濕度分布進行分析。

圖10 夏季Y=20 m 處濕度分布

由圖10 可知，全 高隔墻使A、B 兩區相互獨立，濕度沒有相互影響，廠房濕度幾乎沒有橫向遷移。無隔墻和半高隔墻工況由于A、B 兩區濕度相差不大，廠 房濕度有一定的橫向遷移，但橫向遷移效果不明顯。半高隔墻在隔墻處對濕度的橫向遷移有一定的限制，效果不明顯。

為了進一步分析廠房濕度的縱向遷移，取 無隔墻工況新風口X=156 m 處截面結合速度，溫 度和濕度進行分析。由圖11 可知：新 風機出口溫度與周圍空氣溫度相差較大，新 風機處截面溫度變化梯度較大，風 口出風有向下的趨勢。廠房整體濕度比較均勻，風口處濕度變化梯度較大，濕 度隨氣流組織向下遷移，其 余區域無明顯縱向遷移。

圖11 夏季X=156 m 處濕度縱向遷移情況

3 結論

由于廠房不同區域受加工工藝限制相對濕度不同，為 了探討廠房結構對于整體濕度分布的影響以及遷移情況，本 文建立了一個高大空間廠房模型進行模擬分析，研 究發現：

1）當兩個設計參數不同的區域存在全高隔墻時，兩個區域均能達到設計值，否 則兩個區域相互影響均無法達到設計值。

2）當 隔墻不到頂時，有 無隔墻對廠房溫濕度的橫向遷移有細微的影響。有隔墻工況可以減小隔墻兩側的相互影響。

3）濕度的縱向遷移與風口處氣流組織關系密切。新風口處由于溫度與周圍空氣溫度相差較大，冬 季濕度隨新風口出風向上遷移，夏 季濕度隨新風口出風向下遷移。