高大工业厂房双层送风气流组织模拟分析

刘龙飞，陈忠海，张嘉旺，马志远，孙晓晴、杨鹏、郑雅婷

摘要：本文针对高大工业厂房冬季上热下冷问题，采用fluent数值模拟软件对双层送风联合散热器供暖模式下不同上层送风速度的热环境进行模拟分析，研究表明：上层送风速度为4m/s时，厂房空间横向风幕搭接效果最佳，同时人员活动区域温度分布均匀且满足工作人员舒适性要求。从而证实了横向风幕可以有效阻止工作区热流上升，形成明显的上冷下热分层，降低热损失。

关键词：横向风幕；高大工业厂房；数值模拟；舒适性

0引言

由于现代建筑行业的迅速发展，对建筑的要求越来越高，例如高大厂房、商场中庭、体育场、酒店宴会厅等^[1]。高大空间建筑不同于传统小型室内空间，它高度高、跨度大、体积大、墙地面积比值大、工作空间占比小等特点^[2]。

对于高大空间建筑供暖而言，由于其建筑特点和热气流的特殊性，冬季高大空间建筑上下分层困难。究其原因是，冷热气流由于密度差的影响，在浮力与重力作用下使得热流体上升、冷流体下降，这就造成了大量热气流集聚在高大空间顶部而底部工作区却较少，使得进入空间内的高品质热流的热量通过大面积非工作区的墙面顶面消耗，造成能源浪费^[3]。因此，对高大空间的冬季供暖，应采用合理的气流组织抑制热气流上升，降低能耗。

1 研究内容

本文厂房采用双层送风联合散热器供暖，工作区供暖散热器为主，暖风机提供散热器不足的热负荷。下层暖风机以送热风的方式将裹挟散热器周围的热量一起调配到其下部工作区，上层送风口喷射低温气流形成横向风幕，通过横向风幕抑制工作区热气流上浮，避免出现下冷上热的现象，减少不必要的能源消耗。本文将对高大工业厂房双层送风联合散热器供暖模式下不同上层送风速度的热环境进行模拟，分析上层送风速度对厂房内工作区域热环境的影响，并对人体的热舒适性进行探讨。

1.1物理模型的建立

本文针对15m×15m×18m(长×宽×高)的高大工业厂房物理模型进行研究。供暖时采用双层送风口联合散热器的气流组织。上层送风口负责形成横向风幕，下层散热器与暖风机负责工作区供暖负荷，如图1所示。

图1模拟区域及布置尺寸

上层送风口尺寸1m×0.2m，暖风机尺寸为1.5m×0.8m×1m,外窗尺寸为0.5m×0.3m，散热器尺寸为1m×0.8m×0.1m,距地面0.08m。

1.2模型参数

根据GB50019-2003《采暖通风与空气调节设计规范》^[6]规定，设计供暖时，工业建筑所在地冬季室内计算温度宜采用：轻作业为18-21℃,故人员活动空间设计室温19℃。本文模拟围护结构边界参数计算设定地面热流密度-2w/m²，墙热流密度-10w/m²，厂房顶热流密度-5w/m²，散热器传热系数70w/m²•k，壁厚0.1m，产热率20w/m³；上层送风口送风温度为18℃，暖风机送风温度为22℃，送风方式为水平送风。

1.3 数学模型

假设研究空间空气为三维连续不可压缩气体，由于热气流受浮力的影响较大，故空气密度采用Boussinesq近似。厂房、散热器均设为壁面边界,暖风机、上层送风口设为速度入口边界,外窗设为压力出口边界。

2模拟结果与分析

在厂房供暖工作区，暖风机以2.5m/s速度送入295k热气流，携裹着散热器周围沿墙壁上升热气流送到厂房整个空间。上层送风口分别以3m/s、4m/s、5m/s和6m/s的速度喷射291k气流，使得厂房形成横向风幕。模拟高大工业厂房的速度矢量与温度云图，选取模拟空间的典型截面云图，分析上层送风速度对高大空间的温度场、速度场及横向风幕形成情况。

2.1上层送风速度对空间风幕流场的影响

图2 y=7.5截面处速度矢量对比图

从图2可以明显看出：随着上层送风速度的增加，气流射程增加，厂房空间风幕搭接显然变好，但相邻上层送风气流之间扰动也相应增强。

2.2上层送风速度对空间温度场的影响

图3 y=5.5、7.5截面处温度分布对比云图

从图3可知：v_top=3m/s时上层送风气流速度较小，射程不足，使其横向风幕形成不佳。在浮升力作用下供暖热气流从中间区域突破风幕进入非工作区。随着上层送风口速度增加，v_top=4m/s时，风幕形成效果最好；而v_top=5m/s、6m/s时，由于上层风口气流射速较大，气流末端仍具有较大动量，造成两股气流碰撞后向上和向下扩散，同时导致工作区温度下降，影响工作区人员的舒适性。由于上层送风口气流形成的横向风幕，可以有效抑制工作区热气上升，使得工作区与非工作区形成上冷下热的分层，避免了能源的浪费。

2.3上层送风速度对工作区舒适度的影响

图4不同送风速度厂房平均速度垂直分布图

由图4可见，不同上层送风速度，厂房各截面的平均速度变化趋势基本相似，沿着高度方向0.5-1.5m的工作区域平均速度基本不变，平均速度从1.5m开始逐渐增加直到4.5m后逐渐小，5.5-6.5m内略微增，从6.5m开始往上截面的平均速度迅速增加。随着上层送风速度增加，厂房沿高度截面的平均速度也增加。当V

_top=6m/s，2m以下的工作区域各截面平均速度高于0.3m/s；而V_top=5m/s、4m/s、3m/s时，工作区各截面平均速度在0.2-0.3m/s之间。

当V_top=4m/s时，工作区高度方向各截面的平均速度在0.21-0.25m/s之间。

图5 不同送风速度厂房平均温度的垂直分布图

从图5可看出：当v_top=3m/s、4m/s时，沿高度方向各截面平均温度呈现先增大后减小，3.5m处截面平均温度最高。当v_top=5m/s、6m/s时各截面平均温度沿高度方向变化趋势基本相似，4.5m处截面平均温度最高。3-7m之间是暖风机与上层送风气流换热区域，温度梯度较大。

从温差分析，0.5m处平均温度由高到低依次为293.363K、293.21K、292.581K和292.366K。随着上层送风速度增加，v_top=4m/s、5m/s、6m/s相比于3m/s，0.5m截面处平均温度温差0.153k、0.782k、0.997k。人员工作区2m以下区域，v_top=5m/s、6m/s高度方向截面平均温度温差0.11k，而v_top=3m/s、4m/s时，人员活动区域高度方向各截面处平均温度变化较小。相比之下，v_top=4m/s时，工作区域各截面平均温度在293.21-293.26K之间，供暖气流分布影响较小，温度场比较均匀。

3结语

本文对高大工业厂房供暖采用了双层送风口联合散热器供暖气流组织，可以将绝大部分热气流聚集于人员工作区，避免冬季厂房人员工作区热气流上升，从而保证工作区域人员的舒适性。当v_top=4m/s时，横向风幕的形成整体较稳定，有效阻止了工作区的热气流向非工作区扩散。同时人员所处区域高度方向各截面平均温度在293.21-293.26K之间，平均速度范围为0.2-0.25m/s，满足人员舒适性要求。

参考文献

【1】许登科，庞建勇，杜传梅，管二勇.大空间分层空调气流场数值模型研究[J].安徽理工大学学报.2017(5)：29-33.

【2】钟 珂，王新伟，华凤皎，亢燕铭.高大空间风口位置高度对供暖效果的影响[J].东华大学学报.2014(3):334-338.

【3】北京有色冶金设计研究总院.采暖通风与空气调节设计规范：GB50019-2003[S].北京：中国计划出版社，2003:15.