环境因素对冷库地坪立柱散冷影响的数值模拟

孙小红

(北海职业学院机电工程系，广西 北海 536000)

冷库作为冷链物流最重要的基础设施，其主要功能是保障物品低温下贮藏不变质。“冷桥”的存在使冷库维持低温运行的能耗加大，0 ℃以下还会使冷桥附近围护结构中的水分冻结成冰，体积膨胀，导致围护结构开裂，降低保温效果。冷库地坪上的钢筋混凝土立柱即冷桥，从室内穿过地坪进入土壤层，由于钢筋传热系数明显大于其他部位，使得冷量集中地从立柱快速传入地下，导致冷量损失、地坪立柱附近环境恶化。

地坪防冻常用的处理措施有设框架架空层、设地垄墙通风层、砂垫层埋通风管、地坪埋加热管等[1]。对冷库而言，其并不总是在设计环境下运行，地坪立柱是地坪防冻胀的薄弱环节，研究环境因素对地坪立柱影响和立柱附近温度情况对保障整块地坪不被冻胀十分关键。刘金平[2]对某冷库地坪Φ90通风管的温度进行了测试，由于管径过小，流通截面积仅为设计规范推荐Φ250管截面积的13%，且长度过长，会导致通风管内空气的流动情况很差，无法靠室外热空气在通风管内以自然通风的方式加热土壤，土壤出现冻胀，增设机械通风加热土壤可以保持其正温而不被冻胀；高祖锟[3]对冷库地坪机械通风防冻进行了传热分析，提出了当外界环境温度<16 ℃时采用加热空气在封闭通道中流动，当环境温度≥16 ℃时关闭加热风道、采用新风开式循环以防地坪冻胀的措施，建议根据气象参数布置通风管道、在防冻胀前提下限制通风管热量导致的冷间负荷增加；贾景福等[4]研究了通风流速变化时冷库地坪通风管上、中、下表面温度的波动规律，提出了当流速增大到一定程度时对地坪通风防冻系统传热性能的影响明显减弱，当通风管间距为1.5 m 时，流速选取1.5 m/s可满足防冻要求和节约机械装置通风运行能耗；陈曦等[5]建立了冷库地坪通风防冻系统的计算模型，发现通风管散冷量和通风管温度均随风道内流速的增大而增加，且风道内流速不宜过大，不同工程应有取值上限；孙小红等[6]研究了冷库地坪通风管散冷与风速的关系，发现无论风速取何值时，通风管壁的温度随位置的变化呈先上升后下降再上升的趋势，风速增大越有利于土壤防冻。上述研究多是为冷库设计提供理论依据，未涉及冷库运行管理中运行参数的变化对立柱附近地坪冻胀和冷耗的影响。

冷库地坪运行环境因素主要有室内温度Tw、室内对流换热系数α、地坪通风管进口风温Tn、风速v。数值计算提供了一种冷桥计算方法，其通过计算机模拟，对冷桥的传热进行近似于理论值的求解[7]。文章拟针对广西北海某水产冷库建筑参数，在CFD软件上建立冷库地坪、通风管及立柱模型，以立柱散冷量和立柱附近最低温区为评价指标，讨论环境因素对其影响，为冷库安全低能耗运行方案设计与调整提供依据。

1 建筑模型

1.1 建筑尺寸与地坪构造

以一冷间地坪为研究对象，其建筑尺寸如图1所示，地坪下3.2 m，地坪上立柱净高6.4 m，地坪长24 m，宽8.7 m，内埋通风管，管径0.3 m，管间距1.5 m，立柱截面0.8 m×0.8 m，立柱构造如图2所示。

地坪结构由钢筋混凝土面层，防水卷材、保温层(聚苯乙烯泡沫塑料)、钢筋混凝土、填沙层(含通风管)、混凝土和土壤层组成，各层厚度及物性系数见表1。

单位:mm

单位:mm

表1 地坪各层材料尺寸及其热工参数

1.2 模拟模型

为减少运算及数据比较，取局部地坪、立柱、通风管为模拟单元如图3所示，模型长3 m，地坪上立柱3.2 m(实际立柱中部传热很少)，其他尺寸与实际一致。另外，忽略防水卷材热阻，找平层与其下的钢筋混凝土合并处理，即假设地坪构造由钢筋混凝土面层、保温层、钢筋混凝土承重层、混凝土层、填沙层(含通风管)和土壤层组成。由于钢筋混凝土立柱与地坪连接处传热较高，平均热阻较低，温度值变化快[8]。试模拟[室内温度Tn=249 K、对流换热系数α=20 W/(m2·℃)、风管进口风温Tn=280 K、风速v=0.5 m/s]地坪内a面上温度云图如图4所示，最低温区在立柱附近。由图4可知，控制a面上d处温度在冻结点以上，可保障整块地坪不被冻胀。后续模拟时主要研究环境因素对立柱散冷量及c、d处温度的影响，优化立柱周围地坪不被冻结的环境参数。

1.3 试验方法

1.3.1 环境因素单因素试验 设室内温度Tn=255 K，对流换热系数α=20 W/(m2·℃)、风管进口风温Tw=283 K、风速v=0.5 m/s，研究单因素影响时，其他值不变。

(1) 室内温度：根据《冷库设计规范》[9]规定及低温冷库实际运行环境，考察室内温度(257，255，253，251，249，247，243 K)对立柱散冷量及地坪温度的影响。

a为与通风管底相切面，b、c、d为切面上与通风管平行的直线，b为两通风管中心线，b、c相距10 mm， c、d对称于通风管两侧

图4 平面a温度云图

(2) 室内对流换热系数：参照《冷库设计规范》[9]，考察室内对流换热系数[8，10，12，14，16，18，20 W/(m2·℃)]对立柱散冷量及地坪温度的影响。

(3) 通风管进口温度：考虑到北海地区冬季室外气温会出现279.15 K(6 ℃)，模拟时，考察通风管进口温度(279，281，283，285，287，289 K)对立柱散冷量及地坪温度的影响。

(4) 通风管进口风速：当气温下降至地坪冻结风险时，启动机械通风机强制空气对流，以增加地坪风管散冷量。根据《冷库设计规范》[9]规定，机械送风风速≥1 m/s，模拟时风速从自然通风到机械通风，考察通风管进口风速(0.1，0.3，0.5，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0 m/s)对立柱散冷量及地坪温度的影响。

1.3.2 立柱附近地坪冻胀运行环境 综合环境因素影响结果及北海地区冬季运行环境，模拟室外温度Tw为279，281，283 K时，地坪不被冻胀的室内温度。

1.3.3 立柱保温对散冷量及地坪温度的影响 立柱是冷库建筑的冷桥但又无法避免，工程上常对立柱包裹保温材料以削弱立柱散冷量、改善地坪运行环境。保温材料厚度、高度与散冷量存在经验关联式，综合分析材料造价、使用周期和电费前提下存在的最佳厚度和高度[10]。该冷库立柱保温材质同地坪，厚0.2 m，保温高度1.5 m(如图5所示)。为验证立柱保温效果，结合冷间运行实际，取该冷间室内温度Tn=249 K、对流换热系数α=18 W/(m2·℃)、通风管进口风温Tw=279 K，模拟通风管进口风速(0.1，0.3，0.5，1.0 m/s)对立柱散冷量及d处温度的影响。

1.3.4 立柱散冷量的测定 为更好理解立柱散冷量大小，模拟时提取地坪散冷量作为参考。立柱、地坪散冷面积为图3中的立柱截面积(0.8 m×0.4 m)和地坪表面扣除与立柱接触面(3.0 m×8.7 m-0.8 m×0.4 m)的面积。地坪和立柱侧面散冷量Q=h·A·(T-Tn)，h为室内空气与地坪和立柱侧面对流换热系数，A为地坪与立柱侧面(未保温面和保温面之和)散冷面积，(T-Tn)为地坪和立柱侧面与室内温度差值。立柱散冷量为立柱与地坪接触面上下界面间的导热方程，数值上与立柱侧面散冷量相等。

图5 通风地坪及立柱保温模拟模型

1.3.5 数据处理 ORIGIN软件处理CFD输出数据。地坪和立柱散冷量采用双纵坐标，横坐标为环境变量；为使直线c、d温度曲线图清晰，取两个反映温度变化规律及地坪冻胀趋势代表性变量。有曲线突变或变化不显著时对变量加密处理。

2 结果与讨论

2.1 环境因素单因素试验

2.1.1 室内温度对立柱散冷量及地坪温度的影响 由图6 可知，室内温度越低，其与地坪土壤层间的温度梯度越大，地坪及立柱散冷量越多。地坪散冷面积是立柱的80.56倍，而地坪散冷量是立柱的10倍左右，进一步表明立柱作为冷桥引起了冷耗散。对冷间而言，满足产品冷加工前提下，尽量提高室内温度，降低地坪立柱散冷量，减少库内冷量损耗；对冷库制冷系统而言，库温的升高意味着蒸发温度的升高，制冷系统能效比增大。

由图7可知，室内温度越高，地坪c、d处温度越大，且远离立柱的c处温度高于立柱附近d处温度，越靠近立柱温度越低；d处中间温度下降明显，这是因为c处温度主要受风管内空气的影响，管内空气温度先下降，至出口处有所上升[5]，曲线d还同时受立柱散冷的影响，使立柱附近地坪温度迅速下降，甚至出现土壤被冻结危险。

2.1.2 室内对流换热系数对立柱散冷量及地坪温度的影响 由图8、9可知，随着对流换热系数的增大，地坪及立柱散冷量上升，但总增幅较小，且c、d处温度曲线在不同对流换热系数时十分靠近，温度受影响微弱。这主要因为地坪表面层及其上的立柱温度梯度小，且接近室内温度，散冷量及温度分布受对流换热系数的影响甚微，地坪下的土壤高温带来的温度梯度是散冷量的主要动力。生产管理中，加快产品冷加工速度往往需增大对流换热系数，虽不引起散冷量大幅波动，但通风机功耗增加，产品干耗加重。

图6 室内温度对散冷量的影响

图7 直线c、d的温度曲线

2.1.3 通风管进口温度对立柱散冷量及地坪温度的影响

由图10、11可知，通风管进口温度越高，空气通过管壁散热量越多，促使地坪温度升高，进而立柱散冷越多。通风管的存在可使地坪不产生冻胀，对能耗而言，风管的设计又使热量通过立柱快速传入室内，引起库内冷量耗散。

2.1.4 通风管进口风速对立柱散冷量及地坪温度的影响

由图12、13可知，散冷量随风速的增大而加大，抑制冷库地面向土壤层传递冷量，不同风速下的地坪c、d处温度升高，有效防止土壤层被冻胀。这是因为管内空气与管壁对流换热能力增强，加速热量穿过管道壁向地坪层传递，引起地坪温度升高。但当风速≥1 m/s时，散冷量影响减弱，c、d处的温度曲线逐渐靠近。这主要是因为风速增大阻力增加，在无外动力管道内，风速增幅减缓，散冷量增加不明显。文献[4]中的速度拐点为2.5 m/s，可能与管径、管长等因素有关。因此，仅通过加大通风管风速抑制地坪冻结，不但效果不理想，还增加了机械功耗。

图8 室内对流换热系数对散冷量的影响

图9 直线c、d处的温度曲线

图10 通风管进口温度对散冷量的影响

图11 直线c、d处的温度曲线

2.2 立柱附近地坪冻胀运行环境

由图14可知，通风温度279 K、风速1 m/s条件下，当室内温度Tn≥246 K，地坪d处将无冻胀区，按机械通风速度要求[6]，此时需开启机械通风装置，维持风速≥1 m/s 即可预防地坪冻胀。

图12 通风管进口风速对散冷量影响

图13 直线c、d处的温度曲线

由图15可知，当通风温度增加至281 K、室内温度为240 K时，冷间-33 ℃已达下限，地坪d处无冻胀区。即Tn≥240 K，无需机械通风，维持风速≥0.5 m/s即可预防地坪冻胀。

由图16可知，当通风温度上升至283 K、室内温度为240 K时，地坪d处仍无冻胀区，此时无需开启机械通风，维持风速≥0.3 m/s，其风速对地坪温度的影响如图17所示。

图14 Tw=279 K、v=1 m/s时室内温度对地坪温度的影响

图15 Tw=281 K、Tn=240 K时风速对地坪温度的影响

2.3 立柱保温对散冷量及地坪温度的影响

由表2可知，立柱保温能削弱散冷量，有利于降低冷库常年运行能耗。

由图18可知，立柱保温后，当通风管进口风速v=0.1 m/s 时，地坪d处最低温度为272.249 K，比未保温前提高了1.232 K；当通风管进口风速v≥0.3 m/s，d处最低温度为274.13 K，比未保温前提高了1.221 K，地坪无冻胀风险。

3 结论

表2 通风管进口风速对立柱散冷量的影响

图16 Tw=283 K、v=1 m/s时室内温度对地坪温度的影响

图17 Tw=283 K、Tn=240 K时风速对地坪温度的影响

图18 立柱保温前后d处的温度分布

冷库地坪环境因素影响地坪立柱散冷量，进而影响地坪温度分布，越靠近立柱处的地坪温度越低，越容易形成冻胀危险。针对该冷库地坪而言，多数情况下无需开启机械通风装置，否则，既增加了机械通风能耗又增加了地坪立柱散冷量。立柱保温更能削弱散冷量、改善地坪温度状况。但环境因素往往是多变的，各种环境因素作用下的散冷量和地坪冻胀问题还有待进一步研究。