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△ 论文截图

引言

　　一般而言，对于高度大于5m，体积大于1万m3的建筑空间被称为高大空间建筑[1]。在空调制冷或供暖的情况下，此类高大空间的气流组织与温度场分布有其相应的特点：1. 空间高度大。工业厂房的高度往往可以达到10~20m，较高空间高度易在沿高度方向形成竖直的温度梯度；2. 空间表面积大。此类空间外围护结构的面积较大，意味着室内空间易受外界环境影响，对外围护结构的保温性能提出了较高的要求；3. 空间内使用功能差异大。对于如厂房类的高大建筑，存在着使用功能差异较大的区域，因此对空调有不同的要求。基于以上原因，合理的气流组织及温度场预测对于高大空间的空调设计具有重要的参考意义[2~5]。

　　1988年之后，国内开始对CFD用于气流组织模拟的应用进行了研究。1997年，徐志浩等人采用二维k-ε湍流模型、有限容积法离散控制方程以及采用SIMPLE算法对高大空间分层供热进行了数值模拟分析计算[6]；徐丽等人利用对某分层高大空间内的三维速度场及温度场分布进行了模拟，并将数值模拟数据与实测数据进行了对比[7]；董玉平等人对某国际展览中心展厅扩建工程分层空调方案进行了数值模拟验证，并分析其热舒适性[8]。现有针对高大空间的气流组织研究几乎都集中在分层空调的应用层面，而对于工业建筑的改造项目而言，分层空调的设立往往存在现实条件的限制。本文尝试采用针对空间整体进行空调送风的方式解决现有工业建筑的空调改造工程。

　　本文以昆山某重机有限公司柔性车间厂房为例，采用CFD模拟预测其空间内的气流组织及温度场分布，并与项目实施后的验收报告数据进行对比。

1 项目概况

　　厂房概况

　　该项目建设单位为某重机有限公司，项目对其柔性车间厂房增设空调系统。原厂房为１层车间，厂房尺寸为120.0ｍ（长）×24.0ｍ（宽）×14.5ｍ（高），建筑面积约2880㎡。该建筑在原大型车间内，北面为道路及绿化带，如图1所示。

△ 图1 改造车间位置示意图

　　建设要求

　　建设单位提出了改造车间内机车的安装使用环境要求，设计单位所设计的空调系统需满足相应的使用环境要求。车间内环境要求为：１）车间7.5ｍ 高度以下，全年温度控制在（２０±２）℃;2）温度变化率≤±２℃／24ｈ，最大温度波动≤１．０ ℃／ｈ;3）车间高度的温度梯度≤１℃／４ｍ。车间主要发热源为：2种型号（3台MCT1250及５ 台HEC630）的精密机床，发热源主轴功率分别为141ｋＷ 及168ｋＷ。

　　项目难点分析

　　经过现场勘查，发现该车间空调设计有以下几个难点。

　　１）车间区域围护结构较差，负荷需求巨大。车间区域层高较高，最高点距地14.5ｍ，围护结构均为彩钢板，且有外窗。

　　２）设备布置条件有限。由于是在已建厂房内进行空调增设，且空调负荷巨大，在布置空调冷热源、空气处理机组、输配设备、水处理设备上，条件均受限。

　　３）保证空调气流组织均匀性难度大。在大跨距（24ｍ）的条件下，要实现4ｍ 以内气流均匀，对控制温度场的竖直扰动和水平偏移要求较高。

　　验收合格条件

　　在车间高度0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5ｍ 处布置测点，有设备处的测点位置需距离设备约1.2～1.5ｍ。每个测点均连续测试2ｈ，测试数据时间间隔为20min。如1ｈ内最大温度波动≤1.0℃，且上、下测点间的温度梯度满足≤１ ℃／4ｍ，所有测点温度均在18～22 ℃范围内，则表示空调系统运行有效，予以验收合格。

2 空调系统设计

　　室外设计参数

　　室外设计参数如表1所示。

　　室内设计参数

　　根据建设单位对使用环境的要求确定，见“建设要求”节。

　　空调负荷

　　原厂房围护结构传热性能较差，室内环境易受室外环境影响。本次改造建设单位按照设计建议对围护结构进行改造。设计依据GB50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.1.7～8.1.12条，对室温允许波动范围为±0.5℃以下的工艺性空气调节区域的围护结构参数作如下限定：顶棚传热系数K≤0.5 Ｗ/(㎡·Ｋ），热惰性指标D≥４；外墙K≤0.8Ｗ/(㎡·Ｋ）；内墙、楼板K≤0.7Ｗ/(㎡·Ｋ）。同时要求空调区域不得有外门，内门两侧温差大于３℃时设门斗。采用上述参数对该厂房进行逐时负荷计算，最终确定室内冷负荷为709ｋＷ，热负荷为231ｋＷ。

　　空调冷热源

　　由于厂房内无冷热源安装条件，最后选定６台单台额定制冷量130kW、制热量132kW的空气源热泵模块机组（COP≥3.0）安装于厂房外；冷水供／回水温度为7℃／12℃；热水进／出水温度为40℃／45℃。所有机组性能参数（能效比和部分负荷性能系数）均满足GB51245—2017《工业建筑节能设计统一标准》的要求。空调水系统流程如图２所示。

△ 图2 空调水系统流程图

　　空调系统

　　依据GB50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.4.9～8.4.10条规定，室温允许波动范围为±0.5 ℃的工艺性空气调节的送风温差为3～6℃，换气次数应达到8次/h。该项目车间空调采用全空气系统，选定16台总风量为30.25万m³／ｈ的空气处理机组。根据建设方提供的人员密度，车间内需供给8000m³／ｈ的新风，在16台空气处理机组中选取４台设置新风接口。由于车间内空调箱安装空间有限，将部分空调箱安装在车间北侧外墙绿化带处，经过处理后的空气通过低速风道送至各使用区域，设计工况下送风温差为5～6 ℃。受限于车间内桁架高度，风管若安装在低位将影响桁车的移动，因此在车间顶部设置送风风管，风管安装底标高为13.1ｍ，吊顶与安装高度齐平。在距地0.5ｍ 高度处设置回风百叶。通过风量调节阀控制系统风量。空调箱安装示意图见图3。

△ 图3 空调箱安装示意图

　　为了降低风管对结构或工艺桁架的承重要求，考虑到布袋风管质量通常仅为传统铁皮风管的2％，且织物风管通过整体管道壁纤维渗透冷风，在管壁外形成冷气层，使管壁内外几乎无温差，彻底解决风管凝露问题，不需要管道保温。该项目采用布袋风管替代传统铁皮风管进行送风。常见的送风口形式如图４所示，布袋风管的安装大样见图５。

△ 图4 布袋风管送风口形式示意图

△ 图5 布袋风管安装大样图

　　由于风管的安装高度受限，需在13ｍ 的高度处将经过温湿度处理的空气送至工作区域。同时建设单位对车间工作区域内的温度波动及竖直方向的温度梯度提出明确要求，需要工作区域内的流场及温度场尽可能达到均匀。因此，该项目设计时拟采用直径50、130ｍｍ 的喷嘴作为送风风口，喷嘴竖直向下以保证将经空调箱处理后的空气从13ｍ 标高送至距地3ｍ 以内的工作区域。同时，通过缩小风管上喷嘴之间的间距来使工作区域内的气流与温度分布尽可能均匀。最终选定直径130ｍｍ 喷嘴、间距1000ｍｍ，直径50ｍｍ 喷嘴、间距155ｍｍ。采用CFD模拟室内环境从而验证该设计的合理性。

3 基于CFD模拟的室内气流组织研究

　　假设条件

　　本文研究高大厂房内利用送风射流对室内空气温度进行调节的合理性，室内流体密度必会受送风射流的影响，从而产生自然对流或混合对流，但室内空气总体密度变化仍很小，因此可采用Boussinesq假设来考虑浮升力的作用。具体做法为仅对动量方程中浮升力中有关密度变化的影响采用Boussinesq假设来计算，忽略密度变化对压力项、黏性力项等的影响，取流场内的平均密度。此外将室内空气的其他物性参数看作常数。该项目车间无开窗，选取的计算域距离厂房最近的门57ｍ，距离较远，因此计算域内忽略厂房开门对计算域内的影响。为了简化模型，该研究基于如下假设：

　　１）流体为常温、低速、不可压流体；

　　２）与温度差异相关的密度变化符合Boussinesq；

　　３）对流换热形式为自然对流、受迫对流并存的混合对流，且流态为湍流[9]；

　　４）满足气体状态方程；

　　５）内墙、地面与外界无热量交换，是绝热的[10]。

　　控制方程

　　流体流动应该满足能量守恒方程、质量守恒方程和动量守恒方程。

　　物理模型及边界条件

　　物理模型需按照图纸（见图６，阴影区域为机床位置）进行相应简化。车间总长度为120ｍ，送风喷嘴直径为50、130ｍｍ，为了获得风口送风参数，在采用CFD方法进行数值模拟时网格划分至ｍｍ量级。模拟大空间的室内空气流动情况时，为反映室内湍流大涡旋对流动的影响，计算区域为m量级。若采用三维全尺寸建模，必将导致计算区域内的网格节点数巨大。现选取编号为AHU-３的空调箱所覆盖区域进行建模计算，由于送风喷嘴标高为13ｍ且与吊顶齐平，最终选取的计算域尺寸为11ｍ（长）×24ｍ（宽）×13ｍ（高），将机床尺寸简化为7.0ｍ（长）×11.5ｍ（宽）×1.5ｍ（高）。风口数量、风口面积、送风量及安装位置依据设计图纸设置，送风喷口直径为130ｍｍ，共计66个，回风口尺寸为7000ｍｍ×１300ｍｍ，设于侧墙底部0.5ｍ 高度处。AHU-３的设计参数为：１）制冷量125ｋＷ（全热）；２）进风干球温度20 ℃；３）出风干球温度16 ℃；４）送风量37500m³／ｈ。

△ 图6 平面设计图纸

　　计算域及边界条件如图７所示。送风喷嘴进口为速度入口，速度为11.89ｍ/ｓ，速度入口温度为16℃；回风口为压力边界；厂房长边长度为120ｍ，长度较长，由于计算域轴对称，为减少计算时间，将x＝０截面设为对称边界；固体壁面取为无滑移边界条件，根据负荷计算结果，围护结构热流密度取10.34Ｗ／㎡，地面为绝热边界；将人员等散热量简化至机床发热量，机床发热量为45.42ｋＷ（机床发热量由设备专业厂商提供，约占机床功率的15％）；其余边界设为对称边界（无通量）。

△ 图7 计算域及边界条件

　　网格划分及计算方法

　　采用多面体网格形式进行网格划分，在模拟过程中对网格进行逐级加密计算，直到模拟结果满足网格独立性检验要求。选定计算域内的平均流速作为衡量尺度，网格数量划分为50万、200万及500万３个级别，平均流速分别为0.40、0.46、0.47ｍ/ｓ。确定计算网格最小尺寸为10ｍｍ，最大网格尺寸为100ｍｍ，计算网格数量约为235万。网格划分如图8、9所示。

　　Realizable K-ε 模型可以保持雷诺应力与真实湍流一致，可以更加精确地模拟平面和圆形射流的扩散速度，同时在旋流计算、带方向压力梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计

　　算结果更符合真实情况，计算分离流和带二次流的复杂流动也表现出色。故采用Realizable K-ε 模型用于预测高大空间流场和温度场。采用SIMPLE算法、二阶迎风离散格式进行稳态计算。

△ 图8 计算域网络划分示意图

△ 图9 送风喷嘴网络划分示意图

　　下送喷嘴的射流速度校核

　　分析下送风喷口射流角度90°、射流速度11.89ｍ/ｓ工况下的流场，图10给出了该工况下x＝0ｍ 及z＝12.15㎡个截面上的速度及流线分布。结果表明，1.50ｍ 高度处的平均速度为0.29ｍ/ｓ，回风口风速为1.31 ｍ/ｓ。依据GB50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》中关于回风风速的规定，房间下部且靠近人员经常停留的地点回风口吸风速度宜小于1.5ｍ/ｓ。本模型的回风速度满足规范要求，且送风风速与工作区的平均风速也不大于0.3ｍ/ｓ（夏季工况）。能够保证工作区附近经常停留人员的舒适感，避免因风速过大扬起灰尘及增加噪声，保障了温度场均匀性。经校核，该模型送风工况可满足相关规范的要求。

a x=0m处速度云图

h x=0m处流线图

c z=12.15m处速度云图

d z=12.15m处流线图

△ 图10 夏季工况下的速度分布

　　夏季工况下厂房内的温度场评价

　　图11显示了x＝０ｍ 及z＝12.15㎡个截面的温度分布。由图11可知，在0.5～7.5ｍ 高度上，最高平均温度为21.58℃，最低平均温度为20.24℃，平均温度在竖直方向上的变化率为0.19℃／ｍ，能够满足验收条件中温度梯度≤1 ℃／4ｍ的要求。对计算结果中各边界的参数进行监测：回风口平均温度20.03℃，空调箱制冷量51.13ｋＷ；机床发热量45.55ｋＷ，与负荷计算结果相差0.29％。机床的表面换热系数为5.78 Ｗ／（㎡·℃）。厂房内平均温度20.61℃，最高温度出现在机床表面，为33.03℃。距机床1.2ｍ 处布置监测点，监测点沿竖直方向每1 ｍ 布置1个，监测高度范围为0.5～7.5ｍ。监测结果中最高温度为21.33 ℃，最低温度为20.12℃，满足验收条件中安装温度（20±2）℃的要求。由图10ａ可以看出，机床尾部存在较大的湍流涡旋，该处整体流速较低，可视为厂房内的气流死区。３ｍ 高度截面温度云图见图12。由图12可知，该气流死区造成机床尾部及临近的围护结构处出现了局部高温区（图中方形深色区域为机床位置），而机床靠近回风口处的区域温度要比高温区低１～２℃。由于机床尾部至围护结构处为生产部件暂存区域，对机床的使用及工作人员的影响较小。

a x=0m处温度云图

b z=12.15m处温度云图

△ 图11 夏季工况下的温度分布

△ 图12 ３ｍ高度截面温度云图

4 夏季工况测试与分析

　　CFD模拟结果验证了设计工况下该厂房的室内环境能够满足建设单位要求。项目实施后于2019年8月17日13:00—15:00对夏季工况进行测试，基于此次测试结果对项目进行验收。测试当天打开全部机床及空调机组，测点的布置标准详见1.4节。本文仅讨论编号AHU-３空调箱所覆盖的范围，测点布置如图13所示。对于竖向温度场的测试，将测温仪绑于移动式升降台上，将升降台移至测点后，通过升降台升降测量不同高度的温度数据。一处测点的不同高度温度测

　　试完成后，将升降台移至下一测点，重复上述操作。间隔20min，再回到第一个测点，重复以上操作。为了减少人体、设备对温度的影响，测试过程保持测试人员与测点之间有2ｍ 以上的距离。该项目采用的测温仪型号为Testo110，测试范围为－20～80℃，测试精度为±0.2℃。

　　测试结果表明：距地7.5ｍ 高度内的最高温度为21.80 ℃，最低温度为19.50 ℃，满足室内温度（20±2）℃的设计要求。同一高度测点温差在1.9℃以内，不同高度测点温差在1.7 ℃以内，各测点沿竖直方向温度梯度最大为0.24℃／ｍ，符合验收标准要求。模拟数据与实测数据对比见表２。由表２可知，同一测点的实测数据与模拟数据最大相差0.6℃，相对误差为2.8％。7.5ｍ 高度以内的温度场平均温度模拟数据为20.61 ℃，实测数据为20.94 ℃。结果表明CFD能够很好地预测高大空间的温度分布。模拟数据与实测数据均能满足建设单位所提出的验收合格要求。后期多次回访，空调系统使用效果良好，室内温度能够满足设计要求。

△ 图13 测点布置图（单位：ｍｍ）

结论

　　１）本文中采用的下送喷嘴在高大空间内可以有效将空调风送至工作区域。配合适宜回风口尺寸，可保障工作区环境均匀度。

　　２）喷嘴下送、底部百叶回风的形式有效降低了机床工作环境的温度，模拟结果中机床安装环境可达到建设方提出（20±2）℃且竖直方向温度梯度小于1 ℃/4ｍ 的要求，避免因温度波动而影响精密机床的加工精度。

　　３）根据模拟结果分析可知，本次设计在机床尾部存在一定的气流死区，该区域温度相对其他区域偏高，但该区域为生产部件暂存区域，对生产工艺影响较小，可考虑在该部分增设空调回风，以减少气流死区的范围。

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