某暗室通风空调方案模拟与优化
2018-10-30丁茹朱培根韦炜致陈琦
丁茹 朱培根 韦炜致 陈琦
1 中国人民解放军陆军工程大学国防工程学院
2 上海应用技术大学艺术与设计学院
对于暗室高大空间通风空调系统，国外目前主要以计算机模拟仿真为主要手段[1-3]，通过计算机模拟，无动力（微动力）除尘技术，或与通风空调结合起来，在排除工程内有害气体的同时，排除灰尘、余热余湿，并控制送回风速度，合理布置送回风口，以控制其工程内噪声。
1 工程介绍
暗室主体尺寸为23 m×10 m×10 m（长×宽×高），侧墙及顶棚吸波材料高度为900 mm，暗室内温度要求在20 ℃±5 ℃，反 射板区域温度梯度要求保持在0.1 ℃/m以内，用以验收/鉴定/高精度测试。
经计算，该暗室夏季空调负荷Q夏=5.8865 kW，冬季空调负荷Q冬=-7.848 kW。
2 方案分析
因为反射板区域温度梯度要求保持在0.1 ℃/m以内，所以送风温差不宜过大，气流组织形式要求反射板区域的温度场均匀。
2.1 方案I
方案I采用10个送风口，10个排风口，送风温差为1 ℃，采 用中间送风、两侧回风的送回风方式，风口布置位置如图1。
图1 方案1风口布置三维图
夏季送风温差取1 ℃，则送风温度tx= 19.0 ℃，送风量Lx=Qx/(c·pρ·△t)=5.14 m3/s。
送回风口选用 600 mm×600 mm 的波导窗各 10个，有效流量系数为0.75，送风口迎面风速为1.43 m/s，过 流风速为1.90 m/s，则空调换气次数n=L/V=5.14×3600/(10×10×23)=8.0次/h。
夏季通风空调方案模拟结果见图2～3，由图可见反射板区域温度梯度在0.1 ℃/m以内，符合技术要求。
图2 方案I夏季温度模拟X轴2.1 m处剖面图
图3 方案I夏季温度模拟Z轴8.0 m处剖面图
冬季送风温差 1 ℃，则送风温度td=21.0 ℃，送风量。
送回风口选用 600 mm×600 mm 的波导窗各 10个，有效流量系数为0.75，送风口迎面风速为1.85 m/s，过流风速为2.47 m/s，对应的空调换气次数。
冬季通风空调方案模拟结果见图4～5，由图可见反射板区域温度梯度在0.1℃/m以内，符合技术要求。
图4 方案I冬季温度模拟X轴2.1 m处剖面图
图5 方案I冬季温度模拟Z轴8.0 m处剖面图
2.2 方案II
方案I符合要求，但是送风温差小，送风量大，换气次数大，送回风口共20个。为了减少送风量，方案 II相比方案I提高送风温差至 2 ℃。仍采用10 个送风口、10个排风口的送回风形式，把距反射板最近的 4个送风口位置沿X轴正向移动 2m，其余送回风口位置不变。
夏季送风温差取 2 ℃，送风温度tx=18.0 ℃，送风量。
送回风口选用 600 mm×600 mm 的波导窗各 10个，有效流量系数为0.75，送风口迎面风速为0.71 m/s，过 流风速为0.95 m/s，空调换气次数
图6则为方案II夏季温度模拟X轴2.1 m 处的剖面图。
图6 方案II夏季温度模拟X轴2.1 m处剖面图
冬季送风温差取 2 ℃，送风温度td= 22.0 ℃，送风量。
送回风口选用 600 mm×600 mm 的波导窗各10个，有效流量系数为0.75，送风口迎面风速为0.93 m/s，过流风速为1.24 m/s，对应的空调换气次数。
图7则为方案II冬季温度模拟 Y轴 7.5 m 处剖面图。
图7 方案II冬季温度模拟Y轴7.5 m处剖面图
2.3 方案III
分析方案 II 可知，由于送风口出风速度小，送风口距离反射板近，导致反射板区域温度梯度过大，因此方案 III 采用 8 个送风口、10 个排风口的送回风形式，送风口 X 轴坐标依次为9 m，14 m，送风温差还是2℃。
夏季送风温差取 2 ℃，送风温度tx=18.0 ℃，送风量。
送风口选用 600 mm×600 mm 的波导窗 8 个，回风口选用 600 mm×600 mm的波导窗 10 个，有效流量系数为0.75，送风口迎面风速为0.89 m/s，过流风速为1.20 m/s，空调换气次数=4.0次/h。
图8 则为方案 III 夏季温度模拟 X 轴 2.1 m 处剖面图。
图8 方案III夏季温度模拟X轴2.1 m处剖面图
送风口选用 600 mm×600 mm 的波导窗 8 个，回风口选用 600 mm×600 mm的波导窗 10 个，有 效流量系数为0.75，送风口迎面风速为1.16 m/s，过流风速为1.54 m/s，对应的空调换气次数n=L/V=6.65×3600/(10×10×23)=5.2次/h。
图9 则为方案 III 冬季温度模拟 Y 轴 7.5 m 处剖面图。
图9 方案III冬季温度模拟Y轴7.5m处剖面图
2.4 方案IV
分析可知，方案III送风温差偏大，送风量小，换气次数不够。因此方案IV加大送风量，夏季取换气次数为5次/h，冬季换气次数取6次/h，送回风方式与方案III相同，即8个送风口、10个回排风口的送回风形式。
夏季计算得到送风温度tx=18.53℃，空调送风量Lx= 2300×5=11500 m3/h。
送风口选用600 mm×600 mm 的波导窗 8 个，回风口选用 600 mm×600 mm的波导窗 10 个，有 效流量系数为0.75，送风口迎面风速为1.11 m/s，过流风速为1.48 m/s。
夏季通风空调方案温度模拟结果如图 10，由图可见，暗室内空气温度在20 ℃±5 ℃内，反射板区域温度梯度在0.1 ℃/m以内，符合技术要求。
图10 方案IV夏季温度模拟X轴2.1 m处剖面图
冬季计算得到送风温度td= 21.68 ℃，空调送风量Lx=2300×6=13800 m3/h。
送风口选用600 mm×600 mm的波导窗8个，回风口选用600 mm×600 mm的波导窗10个，有效流量系数为0.75，送风口迎面风速为1.33 m/s，过 流风速为1.78 m/s。
夏季通风空调方案温度模拟结果如图 11，由图可见，暗室内空气温度在20℃±5℃内，反射板区域温度梯度在0.1℃/m以内，符合技术要求。
图11 方案IV冬季温度模拟X轴2.1 m处剖面图
3 结论
通过工程算例应用 CFD 软件模拟空气流动和气流组织，直观的反映了各高度、各区域的温度分布情况，最终确定本算例采用方案IV，即8 送10回的送回风口布置方式，10 个回风口中 6 个采用隐蔽布置，模拟显示暗室内空间的温度场和速度场分布比较合理，冬夏季暗室内空气温度在20 ℃±5 ℃内，反射板区域温度梯度在0.1 ℃/m以内，符合技术要求。
