學術(shù)科研丨某高大空間精密機床加工車間環(huán)境模擬及實測
△ 論文截圖
引言
一般而言，對于高度大于5m，體積大于1萬m3的建筑空間被稱為高大空間建筑[1]。在空調(diào)制冷或供暖的情況下，此類高大空間的氣流組織與溫度場分布有其相應(yīng)的特點：1. 空間高度大。工業(yè)廠房的高度往往可以達到10~20m，較高空間高度易在沿高度方向形成豎直的溫度梯度；2. 空間表面積大。此類空間外圍護結(jié)構(gòu)的面積較大，意味著室內(nèi)空間易受外界環(huán)境影響，對外圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能提出了較高的要求；3. 空間內(nèi)使用功能差異大。對于如廠房類的高大建筑，存在著使用功能差異較大的區(qū)域，因此對空調(diào)有不同的要求?；谝陨显颍侠淼臍饬鹘M織及溫度場預測對于高大空間的空調(diào)設(shè)計具有重要的參考意義[2~5]。
1988年之后，國內(nèi)開始對CFD用于氣流組織模擬的應(yīng)用進行了研究。1997年，徐志浩等人采用二維k-ε湍流模型、有限容積法離散控制方程以及采用SIMPLE算法對高大空間分層供熱進行了數(shù)值模擬分析計算[6]；徐麗等人利用對某分層高大空間內(nèi)的三維速度場及溫度場分布進行了模擬，并將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行了對比[7]；董玉平等人對某國際展覽中心展廳擴建工程分層空調(diào)方案進行了數(shù)值模擬驗證，并分析其熱舒適性[8]?，F(xiàn)有針對高大空間的氣流組織研究幾乎都集中在分層空調(diào)的應(yīng)用層面，而對于工業(yè)建筑的改造項目而言，分層空調(diào)的設(shè)立往往存在現(xiàn)實條件的限制。本文嘗試采用針對空間整體進行空調(diào)送風的方式解決現(xiàn)有工業(yè)建筑的空調(diào)改造工程。
本文以昆山某重機有限公司柔性車間廠房為例，采用CFD模擬預測其空間內(nèi)的氣流組織及溫度場分布，并與項目實施后的驗收報告數(shù)據(jù)進行對比。
1 項目概況
廠房概況
該項目建設(shè)單位為某重機有限公司，項目對其柔性車間廠房增設(shè)空調(diào)系統(tǒng)。原廠房為１層車間，廠房尺寸為120.0ｍ（長）×24.0ｍ（寬）×14.5ｍ（高），建筑面積約2880㎡。該建筑在原大型車間內(nèi)，北面為道路及綠化帶，如圖1所示。
△ 圖1 改造車間位置示意圖
建設(shè)要求
建設(shè)單位提出了改造車間內(nèi)機車的安裝使用環(huán)境要求，設(shè)計單位所設(shè)計的空調(diào)系統(tǒng)需滿足相應(yīng)的使用環(huán)境要求。車間內(nèi)環(huán)境要求為：１）車間7.5ｍ 高度以下，全年溫度控制在（２０±２）℃;2）溫度變化率≤±２℃／24ｈ，最大溫度波動≤１．０ ℃／ｈ;3）車間高度的溫度梯度≤１℃／４ｍ。車間主要發(fā)熱源為：2種型號（3臺MCT1250及５ 臺HEC630）的精密機床，發(fā)熱源主軸功率分別為141ｋＷ 及168ｋＷ。
項目難點分析
經(jīng)過現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)該車間空調(diào)設(shè)計有以下幾個難點。
?。保┸囬g區(qū)域圍護結(jié)構(gòu)較差，負荷需求巨大。車間區(qū)域?qū)痈咻^高，最高點距地14.5ｍ，圍護結(jié)構(gòu)均為彩鋼板，且有外窗。
?。玻┰O(shè)備布置條件有限。由于是在已建廠房內(nèi)進行空調(diào)增設(shè)，且空調(diào)負荷巨大，在布置空調(diào)冷熱源、空氣處理機組、輸配設(shè)備、水處理設(shè)備上，條件均受限。
?。常┍ＷC空調(diào)氣流組織均勻性難度大。在大跨距（24ｍ）的條件下，要實現(xiàn)4ｍ 以內(nèi)氣流均勻，對控制溫度場的豎直擾動和水平偏移要求較高。
驗收合格條件
在車間高度0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5ｍ 處布置測點，有設(shè)備處的測點位置需距離設(shè)備約1.2～1.5ｍ。每個測點均連續(xù)測試2ｈ，測試數(shù)據(jù)時間間隔為20min。如1ｈ內(nèi)最大溫度波動≤1.0℃，且上、下測點間的溫度梯度滿足≤１ ℃／4ｍ，所有測點溫度均在18～22 ℃范圍內(nèi)，則表示空調(diào)系統(tǒng)運行有效，予以驗收合格。
2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計
室外設(shè)計參數(shù)
室外設(shè)計參數(shù)如表1所示。
室內(nèi)設(shè)計參數(shù)
根據(jù)建設(shè)單位對使用環(huán)境的要求確定，見“建設(shè)要求”節(jié)。
空調(diào)負荷
原廠房圍護結(jié)構(gòu)傳熱性能較差，室內(nèi)環(huán)境易受室外環(huán)境影響。本次改造建設(shè)單位按照設(shè)計建議對圍護結(jié)構(gòu)進行改造。設(shè)計依據(jù)GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》第8.1.7～8.1.12條，對室溫允許波動范圍為±0.5℃以下的工藝性空氣調(diào)節(jié)區(qū)域的圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)作如下限定：頂棚傳熱系數(shù)K≤0.5 Ｗ/(㎡·Ｋ），熱惰性指標D≥４；外墻K≤0.8Ｗ/(㎡·Ｋ）；內(nèi)墻、樓板K≤0.7Ｗ/(㎡·Ｋ）。同時要求空調(diào)區(qū)域不得有外門，內(nèi)門兩側(cè)溫差大于３℃時設(shè)門斗。采用上述參數(shù)對該廠房進行逐時負荷計算，最終確定室內(nèi)冷負荷為709ｋＷ，熱負荷為231ｋＷ。
空調(diào)冷熱源
由于廠房內(nèi)無冷熱源安裝條件，最后選定６臺單臺額定制冷量130kW、制熱量132kW的空氣源熱泵模塊機組（COP≥3.0）安裝于廠房外；冷水供／回水溫度為7℃／12℃；熱水進／出水溫度為40℃／45℃。所有機組性能參數(shù)（能效比和部分負荷性能系數(shù)）均滿足GB51245—2017《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計統(tǒng)一標準》的要求?？照{(diào)水系統(tǒng)流程如圖２所示。
△ 圖2 空調(diào)水系統(tǒng)流程圖
空調(diào)系統(tǒng)
依據(jù)GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》第8.4.9～8.4.10條規(guī)定，室溫允許波動范圍為±0.5 ℃的工藝性空氣調(diào)節(jié)的送風溫差為3～6℃，換氣次數(shù)應(yīng)達到8次/h。該項目車間空調(diào)采用全空氣系統(tǒng)，選定16臺總風量為30.25萬m³／ｈ的空氣處理機組。根據(jù)建設(shè)方提供的人員密度，車間內(nèi)需供給8000m³／ｈ的新風，在16臺空氣處理機組中選?。磁_設(shè)置新風接口。由于車間內(nèi)空調(diào)箱安裝空間有限，將部分空調(diào)箱安裝在車間北側(cè)外墻綠化帶處，經(jīng)過處理后的空氣通過低速風道送至各使用區(qū)域，設(shè)計工況下送風溫差為5～6 ℃。受限于車間內(nèi)桁架高度，風管若安裝在低位將影響桁車的移動，因此在車間頂部設(shè)置送風風管，風管安裝底標高為13.1ｍ，吊頂與安裝高度齊平。在距地0.5ｍ 高度處設(shè)置回風百葉。通過風量調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)風量?？照{(diào)箱安裝示意圖見圖3。
△ 圖3 空調(diào)箱安裝示意圖
為了降低風管對結(jié)構(gòu)或工藝桁架的承重要求，考慮到布袋風管質(zhì)量通常僅為傳統(tǒng)鐵皮風管的2％，且織物風管通過整體管道壁纖維滲透冷風，在管壁外形成冷氣層，使管壁內(nèi)外幾乎無溫差，徹底解決風管凝露問題，不需要管道保溫。該項目采用布袋風管替代傳統(tǒng)鐵皮風管進行送風。常見的送風口形式如圖４所示，布袋風管的安裝大樣見圖５。
△ 圖4 布袋風管送風口形式示意圖
△ 圖5 布袋風管安裝大樣圖
由于風管的安裝高度受限，需在13ｍ 的高度處將經(jīng)過溫濕度處理的空氣送至工作區(qū)域。同時建設(shè)單位對車間工作區(qū)域內(nèi)的溫度波動及豎直方向的溫度梯度提出明確要求，需要工作區(qū)域內(nèi)的流場及溫度場盡可能達到均勻。因此，該項目設(shè)計時擬采用直徑50、130ｍｍ 的噴嘴作為送風風口，噴嘴豎直向下以保證將經(jīng)空調(diào)箱處理后的空氣從13ｍ 標高送至距地3ｍ 以內(nèi)的工作區(qū)域。同時，通過縮小風管上噴嘴之間的間距來使工作區(qū)域內(nèi)的氣流與溫度分布盡可能均勻。最終選定直徑130ｍｍ 噴嘴、間距1000ｍｍ，直徑50ｍｍ 噴嘴、間距155ｍｍ。采用CFD模擬室內(nèi)環(huán)境從而驗證該設(shè)計的合理性。
3 基于CFD模擬的室內(nèi)氣流組織研究
假設(shè)條件
本文研究高大廠房內(nèi)利用送風射流對室內(nèi)空氣溫度進行調(diào)節(jié)的合理性，室內(nèi)流體密度必會受送風射流的影響，從而產(chǎn)生自然對流或混合對流，但室內(nèi)空氣總體密度變化仍很小，因此可采用Boussinesq假設(shè)來考慮浮升力的作用。具體做法為僅對動量方程中浮升力中有關(guān)密度變化的影響采用Boussinesq假設(shè)來計算，忽略密度變化對壓力項、黏性力項等的影響，取流場內(nèi)的平均密度。此外將室內(nèi)空氣的其他物性參數(shù)看作常數(shù)。該項目車間無開窗，選取的計算域距離廠房最近的門57ｍ，距離較遠，因此計算域內(nèi)忽略廠房開門對計算域內(nèi)的影響。為了簡化模型，該研究基于如下假設(shè)：
?。保┝黧w為常溫、低速、不可壓流體；
?。玻┡c溫度差異相關(guān)的密度變化符合Boussinesq；
３）對流換熱形式為自然對流、受迫對流并存的混合對流，且流態(tài)為湍流[9]；
?。矗M足氣體狀態(tài)方程；
?。担﹥?nèi)墻、地面與外界無熱量交換，是絕熱的[10]。
控制方程
流體流動應(yīng)該滿足能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程。
物理模型及邊界條件
物理模型需按照圖紙（見圖６，陰影區(qū)域為機床位置）進行相應(yīng)簡化。車間總長度為120ｍ，送風噴嘴直徑為50、130ｍｍ，為了獲得風口送風參數(shù)，在采用CFD方法進行數(shù)值模擬時網(wǎng)格劃分至ｍｍ量級。模擬大空間的室內(nèi)空氣流動情況時，為反映室內(nèi)湍流大渦旋對流動的影響，計算區(qū)域為m量級。若采用三維全尺寸建模，必將導致計算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)巨大?，F(xiàn)選取編號為AHU-３的空調(diào)箱所覆蓋區(qū)域進行建模計算，由于送風噴嘴標高為13ｍ且與吊頂齊平，最終選取的計算域尺寸為11ｍ（長）×24ｍ（寬）×13ｍ（高），將機床尺寸簡化為7.0ｍ（長）×11.5ｍ（寬）×1.5ｍ（高）。風口數(shù)量、風口面積、送風量及安裝位置依據(jù)設(shè)計圖紙設(shè)置，送風噴口直徑為130ｍｍ，共計66個，回風口尺寸為7000ｍｍ×１300ｍｍ，設(shè)于側(cè)墻底部0.5ｍ 高度處。AHU-３的設(shè)計參數(shù)為：１）制冷量125ｋＷ（全熱）；２）進風干球溫度20 ℃；３）出風干球溫度16 ℃；４）送風量37500m³／ｈ。
△ 圖6 平面設(shè)計圖紙
計算域及邊界條件如圖７所示。送風噴嘴進口為速度入口，速度為11.89ｍ/ｓ，速度入口溫度為16℃；回風口為壓力邊界；廠房長邊長度為120ｍ，長度較長，由于計算域軸對稱，為減少計算時間，將x＝０截面設(shè)為對稱邊界；固體壁面取為無滑移邊界條件，根據(jù)負荷計算結(jié)果，圍護結(jié)構(gòu)熱流密度取10.34Ｗ／㎡，地面為絕熱邊界；將人員等散熱量簡化至機床發(fā)熱量，機床發(fā)熱量為45.42ｋＷ（機床發(fā)熱量由設(shè)備專業(yè)廠商提供，約占機床功率的15％）；其余邊界設(shè)為對稱邊界（無通量）。
△ 圖7 計算域及邊界條件
網(wǎng)格劃分及計算方法
采用多面體網(wǎng)格形式進行網(wǎng)格劃分，在模擬過程中對網(wǎng)格進行逐級加密計算，直到模擬結(jié)果滿足網(wǎng)格獨立性檢驗要求。選定計算域內(nèi)的平均流速作為衡量尺度，網(wǎng)格數(shù)量劃分為50萬、200萬及500萬３個級別，平均流速分別為0.40、0.46、0.47ｍ/ｓ。確定計算網(wǎng)格最小尺寸為10ｍｍ，最大網(wǎng)格尺寸為100ｍｍ，計算網(wǎng)格數(shù)量約為235萬。網(wǎng)格劃分如圖8、9所示。
Realizable K-ε 模型可以保持雷諾應(yīng)力與真實湍流一致，可以更加精確地模擬平面和圓形射流的擴散速度，同時在旋流計算、帶方向壓力梯度的邊界層計算和分離流計算等問題中，計
算結(jié)果更符合真實情況，計算分離流和帶二次流的復雜流動也表現(xiàn)出色。故采用Realizable K-ε 模型用于預測高大空間流場和溫度場。采用SIMPLE算法、二階迎風離散格式進行穩(wěn)態(tài)計算。
△ 圖8 計算域網(wǎng)絡(luò)劃分示意圖
△ 圖9 送風噴嘴網(wǎng)絡(luò)劃分示意圖
下送噴嘴的射流速度校核
分析下送風噴口射流角度90°、射流速度11.89ｍ/ｓ工況下的流場，圖10給出了該工況下x＝0ｍ 及z＝12.15㎡個截面上的速度及流線分布。結(jié)果表明，1.50ｍ 高度處的平均速度為0.29ｍ/ｓ，回風口風速為1.31 ｍ/ｓ。依據(jù)GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于回風風速的規(guī)定，房間下部且靠近人員經(jīng)常停留的地點回風口吸風速度宜小于1.5ｍ/ｓ。本模型的回風速度滿足規(guī)范要求，且送風風速與工作區(qū)的平均風速也不大于0.3ｍ/ｓ（夏季工況）。能夠保證工作區(qū)附近經(jīng)常停留人員的舒適感，避免因風速過大揚起灰塵及增加噪聲，保障了溫度場均勻性。經(jīng)校核，該模型送風工況可滿足相關(guān)規(guī)范的要求。
a x=0m處速度云圖
h x=0m處流線圖
c z=12.15m處速度云圖
d z=12.15m處流線圖
△ 圖10 夏季工況下的速度分布
夏季工況下廠房內(nèi)的溫度場評價
圖11顯示了x＝０ｍ 及z＝12.15㎡個截面的溫度分布。由圖11可知，在0.5～7.5ｍ 高度上，最高平均溫度為21.58℃，最低平均溫度為20.24℃，平均溫度在豎直方向上的變化率為0.19℃／ｍ，能夠滿足驗收條件中溫度梯度≤1 ℃／4ｍ的要求。對計算結(jié)果中各邊界的參數(shù)進行監(jiān)測：回風口平均溫度20.03℃，空調(diào)箱制冷量51.13ｋＷ；機床發(fā)熱量45.55ｋＷ，與負荷計算結(jié)果相差0.29％。機床的表面換熱系數(shù)為5.78 Ｗ／（㎡·℃）。廠房內(nèi)平均溫度20.61℃，最高溫度出現(xiàn)在機床表面，為33.03℃。距機床1.2ｍ 處布置監(jiān)測點，監(jiān)測點沿豎直方向每1 ｍ 布置1個，監(jiān)測高度范圍為0.5～7.5ｍ。監(jiān)測結(jié)果中最高溫度為21.33 ℃，最低溫度為20.12℃，滿足驗收條件中安裝溫度（20±2）℃的要求。由圖10ａ可以看出，機床尾部存在較大的湍流渦旋，該處整體流速較低，可視為廠房內(nèi)的氣流死區(qū)。３ｍ 高度截面溫度云圖見圖12。由圖12可知，該氣流死區(qū)造成機床尾部及臨近的圍護結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)了局部高溫區(qū)（圖中方形深色區(qū)域為機床位置），而機床靠近回風口處的區(qū)域溫度要比高溫區(qū)低１～２℃。由于機床尾部至圍護結(jié)構(gòu)處為生產(chǎn)部件暫存區(qū)域，對機床的使用及工作人員的影響較小。
a x=0m處溫度云圖
b z=12.15m處溫度云圖
△ 圖11 夏季工況下的溫度分布
△ 圖12 ３ｍ高度截面溫度云圖
4 夏季工況測試與分析
CFD模擬結(jié)果驗證了設(shè)計工況下該廠房的室內(nèi)環(huán)境能夠滿足建設(shè)單位要求。項目實施后于2019年8月17日13:00—15:00對夏季工況進行測試，基于此次測試結(jié)果對項目進行驗收。測試當天打開全部機床及空調(diào)機組，測點的布置標準詳見1.4節(jié)。本文僅討論編號AHU-３空調(diào)箱所覆蓋的范圍，測點布置如圖13所示。對于豎向溫度場的測試，將測溫儀綁于移動式升降臺上，將升降臺移至測點后，通過升降臺升降測量不同高度的溫度數(shù)據(jù)。一處測點的不同高度溫度測
試完成后，將升降臺移至下一測點，重復上述操作。間隔20min，再回到第一個測點，重復以上操作。為了減少人體、設(shè)備對溫度的影響，測試過程保持測試人員與測點之間有2ｍ 以上的距離。該項目采用的測溫儀型號為Testo110，測試范圍為－20～80℃，測試精度為±0.2℃。
測試結(jié)果表明：距地7.5ｍ 高度內(nèi)的最高溫度為21.80 ℃，最低溫度為19.50 ℃，滿足室內(nèi)溫度（20±2）℃的設(shè)計要求。同一高度測點溫差在1.9℃以內(nèi)，不同高度測點溫差在1.7 ℃以內(nèi)，各測點沿豎直方向溫度梯度最大為0.24℃／ｍ，符合驗收標準要求。模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比見表２。由表２可知，同一測點的實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)最大相差0.6℃，相對誤差為2.8％。7.5ｍ 高度以內(nèi)的溫度場平均溫度模擬數(shù)據(jù)為20.61 ℃，實測數(shù)據(jù)為20.94 ℃。結(jié)果表明CFD能夠很好地預測高大空間的溫度分布。模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)均能滿足建設(shè)單位所提出的驗收合格要求。后期多次回訪，空調(diào)系統(tǒng)使用效果良好，室內(nèi)溫度能夠滿足設(shè)計要求。
△ 圖13 測點布置圖（單位：ｍｍ）
結(jié)論
１）本文中采用的下送噴嘴在高大空間內(nèi)可以有效將空調(diào)風送至工作區(qū)域。配合適宜回風口尺寸，可保障工作區(qū)環(huán)境均勻度。
２）噴嘴下送、底部百葉回風的形式有效降低了機床工作環(huán)境的溫度，模擬結(jié)果中機床安裝環(huán)境可達到建設(shè)方提出（20±2）℃且豎直方向溫度梯度小于1 ℃/4ｍ 的要求，避免因溫度波動而影響精密機床的加工精度。
?。常└鶕?jù)模擬結(jié)果分析可知，本次設(shè)計在機床尾部存在一定的氣流死區(qū)，該區(qū)域溫度相對其他區(qū)域偏高，但該區(qū)域為生產(chǎn)部件暫存區(qū)域，對生產(chǎn)工藝影響較小，可考慮在該部分增設(shè)空調(diào)回風，以減少氣流死區(qū)的范圍。
參考文獻
?。? ］潘冬梅，徐象國，王怡琳，等．高大空間氣流組織模擬：文獻綜述［Ｊ］．暖通空調(diào)，２０１８，４８（１）：１３１-１３８．
?。? ］胡國霞，田煒．高大空間送風口高度對氣流組織影響試驗研究［Ｊ］．制冷與空調(diào)，２０１４，１４（１２）：７３-７９．
?。? ］劉曉雨，梁超，梁乃正，等．航站樓類高大空間分層空調(diào)設(shè)計冷負荷減小率的數(shù)值分析［Ｊ］．暖通空調(diào)，２０１５，４５（３）：９５-１０0．
?。? ］程遠達，張興惠，景勝藍，等．風口布置對分層空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力及頭腳溫差的影響［Ｊ］．暖通空調(diào)，２０１６，４６（６）：１１６-１２１，１２７．
?。? ］申健，楊長青，高小攀，等．一種新型組合式風口分層空調(diào)氣流組織形式研究［Ｊ］．建筑科學，２０１７，３３（８）：８３-８９．
?。? ］許志浩，蔡德源．高大廠房分層供熱數(shù)值模擬研究［Ｊ］．西南交通大學學報，１９９７（３）：５６-６１．
?。? ］徐麗，翁培奮．分層空調(diào)房間內(nèi)氣流組織的數(shù)值分析［Ｊ］．上海大學學報（自然科學版），２００２（５）：４４７-４５１．
?。? ］董玉平，由世俊，葉天震，等．高大空間建筑分層空調(diào)ＣＦＤ模擬研究［Ｊ］．流體機械，２００４（５）：６０-６４．
?。? ］原帥．嚴寒地區(qū)大空間空調(diào)冬夏氣流組織優(yōu)化模擬研究［Ｄ］．長春：吉林建筑大學，２０１６：８-１４．
［10 ］顧繼蓉．散流器送風的數(shù)值模擬研究［Ｄ］．武漢：華中科技大學，２００６：１６．