西安工程大学 强天伟  张卓  裴雨露  刘家雷

       【摘  要】 针对某工业厂房的设备夏季高温停机问题，分析现有通风方式的不足，设计出一种适用于该类型设备的局部通风降温方案。通过利用现场测试以及数值模拟软件分析，对局部送风角度、高度、速度对设备的降温效果进行具体研究。通过对不同工况的对比分析，得出最佳的设计方案，为工业厂房设备的降温方案设计提供更广泛的理论参考。

       【关键词】工业厂房；送风参数；气流组织；数值模拟

       【中图分类号】 TK05     【文献标识码】 J

Abstract:Aiming at the problem of high temperature shutdown of equipment in an industrial plant in summer, a local ventilation cooling scheme suitable for this type of equipment was designed. Through the use of on-site testing and numerical simulation software analysis, the specific research on the cooling effect of the local air supply angle, height and speed on the equipment is carried out. Through the comparative analysis of different working conditions, the best design scheme is obtained, which provides a broader theoretical reference for the design of cooling schemes for industrial plant equipment.
Keywords: industrial plant; air supply parameters; airflow organization; numerical simulation

0 引言

       西安某工业厂房内的空压机设备在夏季运行时室内温度会急剧升高，常存在高温停机保护问题，从而对工厂的运行造成不便，影响正常生产。针对此现象，对该厂房及其内置设备进行实地测试、模拟分析。

       计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一种利用计算手段对计算流体的传动和传热问题进行分析，为我们提供一个简单高效研究流场的方法。国内外对于研究室内流场或者热舒适度一般采用数值模拟的方法^[1,2]。西安建筑科技大学对顶部的工位送风进行了模拟研究，不考虑人员舒适度的情况下，对工位送风的送风口尺寸、送风速度、送风角度对室内温度场和流场的影响进行了模拟验证，得出了最合适的送风参数，具有较好的经济性^[5,8]。Wang H Q等学者利用数值模拟研究了空调房间的舒适度。主要研究了送风口的参数以及送风的形式对于室内的气流组织的影响，同时也分析了边界条件对于室内气流组织和舒适度的影响^[4]。

       本文以CFD数值模拟为主要研究方法，对空压机进行局部通风设计。主要分析不同送风角度、高度以及送风速度对高温设备局部降温的影响。

1 数值模拟

       1.1 模型建立

       根据厂房设备的布置情况进行建模，设备尺寸如表1所示。

表1 空压机房及各设备尺寸大小


图1 厂房设备平面布置图

       1.2 边界条件定义

       送风口设为速度入口边界条件，速度设为10m/s，温度设为26.5℃；湍流动能k=0.18和湍流耗散率E=0.42；本文厂房中的空压机在运行时，所有门窗均是开启状态，这里将门窗设置为自由出流边界条件^[3]；机房的围护结构采用温度热边界，运行设备的外表面设置为定热流量的壁面热边界条件，不运行设备的外表面设置为固壁边界。边界条件定义如表2所示，求解器设置如表3所示。

表2 边界条件定义表

表3 求解器参数设置表

2 通风降温方案分析

       将两台蒸发冷却设备平行布置在北墙上，设置风管，采用可以调节送风角度的百叶风口，对空压机进行局部送风，如图2所示。这种方式可以克服热气流的影响，直接将冷空气输送到各个设备表面，最大化利用冷空气。

图2 风口布置平面图

       2.1 送风角度对设备局部降温的影响

       送风角度是影响气流组织分布的一个重要因素[6]。合理的送风角度，可以使送风气流末端辐射更多的区域。这里选择送风角度与 z 轴夹角α= 60°、45°、30°三个角度进行模拟计算如图3所示。选择一个合适的送风速度、送风高度，只改变送风角度。计算结果如图4所示。

图3 风口角度示意图

图4 不同送风角度下流场示意图

       送风角度为30°的时候，送风气流只能吹覆到空压机的上表面。随着送风角度的逐渐增大，送风气流越到达空压机的位置越提前，直到送风角度为 45°的时候，气流刚好可以到达空压机两个表面的交接处，送风气流可以同时覆盖空压机的上表面和侧面。角度继续增大，送风气流只能吹送到空压机的侧面。且可以看出，送风角度越大，气流越早到达压机设备侧表面，送风气流的衰减程度就越快。

图5 不同送风角度下温度场示意图

       送风角度α为30°的时候，空压机上表面温度比较低，其它表面由于没有送风气流对散 热表面进行通风降温，温度较高。α=45°时，空压机表面的温度分布较为均匀，由于此时的送风气流可以输送到空压机的多个表面处，所以此角度下空压机的整体温度偏低；α=60°时，空压机的侧面由于直接被吹覆，表面温度较低。 
综上所述，保持其它送风参数不变，空压机表面的平均温度随着送风角度的增加先降低再升高。

       2.2 送风风速对空压机降温的影响

       根据蒸发冷却设备的额定送风量，室内布置送风口的数量以及百叶风口选用的相关规范，风速选取在 5m/s 以下。这里选取了三种不同的送风速度v=3m/s、4m/s、5m/s，进行模拟计算，保证送风角度为 45°不变、送风高度不变，只改变送风速度。

图6 不同送风速度下温度场示意图

       可以看出，在一定速度范围内，其它送风参数不变，送风速度增加，空压机的平均温度降低。同时从图6中可以看出，送风速度较小的时候，空压机表面的温度分布较为均匀，因为送风气流速度小，末端的动能小，不易扰动周围的气流，使得空压机周围的温度均匀性较好。

图7 送风速度 5m/s,空压机截面速度分布图（x=0.6m）

       送风速度为 5m/s 时，穿过空压机表面处的速度分布矢量图。当风速为 5m/s 的时候，空压机表面处的平均速度为 2.3m/s。同时查阅规范要求，在采用对流换热降温的时候，送风吹过设备表面的冷空气厚度不小于80mm，从图7可以看到，气流吹覆到空压机上表面的厚度符合设计要求。 

       2.3 送风高度对空压机降温的影响 

       送风口的高度往往跟射流的范围和有效长度有关[7]。如图8。送风口高度较低时，工作区的温度更加合理，相对来说也比较节能；送风口的高度较高的情况下，送风的温度分布更加均与，不过会浪费更多的送风量，造成能源浪费。需要对高为 1.68m 的空压机进行降温，所以选取了三种不同送风高度，送风口距离空压机设备表面的距离H分别为 0.71m、1.27m、1.84m。

图8  送风距离示意图

图9 不同送风高度设备表面温度分布图

       空压机的平均温度随着送风高度的增加再增加。送风高度低的时候，气流衰减较慢，可以快速的通过空压机设备的表面，高流速可以开走更多的热量，空压机设备的平均温度会更低。

       总体分析，此方案的送风气流虽然可以克服热气流的影响输送到设备的周围区域，但是一部分气流会在空压机的底部无法排出，形成涡流（如图10所示）。解决这一问题，可以参考纺织厂房的通风设计，在空压机厂房内设置地排，排出底部涡流。如图11所示。

图10 送风口流场图                                               图11地排设置示意图

3 总结

       采用局部送风方式，把气流直接送到各个空压机设备周围，进行通风降温。分析不同的送风角度、送风速度以及高度对设备降温的影响。送风角度大，两侧的气流会相互交叉、干扰，中间的送风覆盖空压机上表面的面积减小。送风角度小的时候，同样送风气流覆盖面减小；送风高度升高，送风气流可以辐射面积更大，气流和温度较为均匀。送风高度小，利于节能；送风速度大会造成一定的冷量浪费，增大负荷。送风速度小，达不到厂房的基本要求；选择合适的送风参数可以更高效、节能的对空压机厂房进行降温。

参考文献

       [1] 蔡芬.气流组织对室内空气品质影响的数值模拟[J].华中科技大学，2005. 
       [2] 赵 彬 , 李 先 庭 , 彦启森 . 暖 通 空 调 气 流 组 织 数 值 模 拟 的 特 殊 性 [J]. 暖通空 调,2004(11):122-127. 
       [3] 胡定科,荣先成,罗勇.大空间建筑室内气流组织数值模拟与舒适性分析[J].暖通空 调,2006(05):12-16. 
       [4] Wang H Q,Huang C H,Sun H B,et al.Fume transports in a high rise industrial welding hall with displacement ventilation system and individual units[J].Building and Environment， 2012,52（2）：119-128. 
       [5] 张军甫.办公建筑室内空气品质测试与气流组织分析[D].西安建筑科技大学，2011. 
       [6] GB50019-2015, 工业建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国计划出版社, 2016. 
       [7] 许居鹓.机械工业采暖通风与空调设计手册 (第 1 版) [M].上海:同济大学出版社, 2007:274-278. 
       [8] 方楠.高温工业厂房中工位空调作用下的工位区流场特性研究[D].西安:西安建筑科技大学, 2015

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。