沈阳某厂房分层空调温湿度模拟研究

何松骏 樊洪明

北京工业大学建筑工程学院

0 引言

随着工业化的发展，越来越多的厂房不断涌现。工业厂房拥有高度较高，跨 度较大的特点，对 暖通空调系统的设计提出了一定的挑战[1]。一般厂房空间较为高大，而 人员工作区位于厂房底部，因 此空调系统一般采用分层空调，仅对人员工作区进行送风调节，不对厂房上部分进行处理，可 节省能源。

在设计高大空间空调系统时，气 流组织对空调系统的效果影响较大，因此在设计时辅以数值模拟的方法可对设计进行校核。魏睆 等对四川某厂房高大空间气流组织的模拟，得 出双侧送风双侧回风是比较合理的方案[2]。白音夫等通过改变送排风口位置进行对比分析，得 出同侧上送下回和异侧上送下回的送风方式均可满足舒适性要求[3]。已有研究均基于风口位置，出风角度和出风温度等方面进行高大空间厂房的舒适研究，然 而湿度作为和温度相互耦合影响的一个重要参数往往被人忽略。本文研究对象因工艺要求存在两个不同湿度的区域，因 此本文将通过 CFD 数值模拟的方法侧重对厂房温、湿 度进行模拟，并 通过对比不同厂房结构下的湿度分布分析高大空间湿度的迁移情况。

1 工程概况

1.1 厂房模型

厂房实际尺寸为400 m×80 m×20 m，主要划分为两个区域，右 下角四分之一区域湿度要求较低，布 置循环型新风机组与射流机组，循 环型新风机组冬季不加湿，夏 季除湿，下 文称该区域为B 区。其余区域对湿度要求较高，布 置新风机组与射流机组，新 风机组冬季加湿，夏 季除湿，下 文称该区域为 A 区。厂房内、外模型如图1、2 所示。

图2 厂房内部模型（无隔墙）

1.2 室内外设计参数

厂房AB 区域温度要求相同，但 湿度要求不同，其室内外设计参数如表1 所示。

表1 室内外设计参数

1.3 湍流模型

由于k-ε模型形式简单，使 用方便，多 年来被广泛应用于工程计算。大量计算结果与实验数据比较表明，它 比较适用于射流，自 然剪切流以及弱旋流等较简单的湍流流动，而 不太适用于强旋流，回 流及曲壁边界层等一些复杂的湍流流动。其原因一方面是因为标准k-ε模型的系数是由简单湍流问题中得到的，对于一些复杂的湍流，这些系数可能不适合。另一方面因为标准k-ε模型是根据 Boussinesq 涡粘性假设建立的，在假设中认为湍流粘性是各向同性的标量，实际上湍流粘性与分子粘性是不同的，湍 流粘性不是一种流体性质，而 是随流动变化的。对那些复杂湍流，涡粘性通常是各向异性，而 且与管道几何形状和流动性质有关。本文模拟对象属于简单射流湍流模型，因此使用标准k-ε方 程计算。

1.4 工况对比

由于厂房存在两个湿度不同的区域，为 了探讨两个区域湿度在不同厂房结构下相互影响的情况，在 原始方案（AB 区之间无隔墙，如 图2）基 础上设立两个对比方案，如 图3 所示。

图3 厂房内部结构方案

2 结果分析

模拟结果（图 4～11）从 上到下依次为无隔墙，半 高隔墙（9 m 高）和 全高隔墙（20 m 高）工 况。

2.1 冬季温湿度模拟分析

结果截取Z=2 m 工作区高度截面进行分析，由 图4 可知，整 个厂房工作区温度在 20 ℃左右，局 部围护结构处温度较低，散 热器和新风机布置密集处温度较高。无隔墙和半高隔墙工况厂房温度分布大体一致，存在细微差别。相比之下，全高隔墙工况与前两种工况略有不同，隔 墙完全隔断 A、B 两个区域，两 个区域相互独立，A 区温度场更加均匀，B 区由于没有 A 区的影响，且 散热器布置分散，因 而低温区域较大。

图4 冬季Z=2 m 工作区高度温度分布

由图 5 可知，无 隔墙和半高隔墙工况下，厂 房相对湿度除右下区域大约在34%～36%之间，略 低于设计值，而 全高隔墙工况厂房相对湿度除右下区域大约在39%左右，接 近设计值。由 于厂房右下区域相对湿度设计值较低，在无隔墙和半高隔墙工况下，A、B 两区湿度相互影响，导 致 A、B 区湿度均无法达到设计值。B区左侧湿度受A 区影响，从 左到右湿度逐渐递减。

图5 冬季Z=2 m 工作区高度湿度分布

综上所述，隔墙对厂房湿度分布有一定影响，主要体现在隔墙处，若 隔墙到顶，则 厂房湿度分布均匀，两个区域湿度均满足设计值。为了进一步分析厂房湿度横向迁移与隔墙的关系，取Y=20 m 处湿度分布进行分析。

由图6 可知，全高隔墙使A、B 两区相互独立，湿度没有相互影响，厂 房湿度几乎没有横向迁移。无隔墙和半高隔墙工况由于A、B 两区湿度相差较大，厂 房湿度有一定的横向迁移，尤 其是无隔墙工况，A 区高湿空气明显向B 区迁移，而 半高隔墙在隔墙处对湿度的横向迁移有一定的限制，但 效果不明显。

图6 冬季Y=20 m 处湿度分布

厂房湿度的纵向迁移在湿度梯度较大的风口处比较明显，为 了分析厂房湿度的纵向迁移，取 无隔墙工况新风口X=156 m 处截面结合速度，温 度和湿度进行分析。

由图7 可知，新风机出口温度与周围空气温度相差较大，新 风机处截面温度变化梯度较大，风 口出风有向上的趋势。厂房整体湿度比较均匀，风口处湿度变化梯度较大，湿 度随气流组织向上迁移，其 余区域无明显纵向迁移。

图7 冬季X=156 m 处湿度纵向迁移情况

2.2 夏季温湿度模拟分析

由图 8 可知，整 个厂房温度在 24.8 ℃左右，略 低于设计值，新 风口由于出风温度较低，新 风口下方温度较低。厂房整体温度较低有以下几个原因：一 方面由于负荷计算时为了保证温度能够满足设计值留了一定的富余量，厂房底部负荷略小于空调送风负荷。另一方面由于厂房高度较高，人 员工作区产生的热量上升到厂房顶部，风 口送出的冷风下沉，导 致厂房底部温度略低于设计值。厂房左侧与右上侧由于空间狭小且风口布置密集温度较低，厂房中部温度较高。无隔墙和半高隔墙工况厂房温度分布大体一致，隔 墙处存在细微差别。相比之下，全高隔墙工况与前两种工况略有不同，隔 墙完全隔断 A、B 两个区域，两 个区域相互独立，A 区温度场更加均匀，厂 房左侧与右上侧的低温区域明显变小。B 区由于没有 A 区的影响，且 新风机组较少，因 而高温区域比无隔墙和半高隔墙的工况略大。

图8 夏季Z=2 m 工作区高度温度分布

由图 9 可知，无 隔墙和半高隔墙工况下，厂 房相对湿度除右下区域大约在60%～65%之间，略 高于设计值，而 全高隔墙工况厂房相对湿度除右下区域大约在60%左右，接 近设计值。全 高隔墙工况厂房绝对湿度比较均匀且满足设计值，相 对湿度略大于设计值是由于厂房底部温度较低所致。由于厂房右下区域相对湿度设计值略高于其他区域，在无隔墙和半高隔墙工况下，A、B 两区湿度相互影响，导致A、B 区湿度均无法达到设计值。A 区受B 区影响，整 体湿度略高，B 区湿度受A 区影响，在 隔墙处湿度略低。由于 A、B 区相对湿度差别不是很大，两 区相互影响的程度亦不大。

图9 夏季Z=2 m 工作区高度湿度分布

综上所述，隔墙对厂房湿度分布有一定影响，主要体现在隔墙处，若 隔墙到顶，则 厂房湿度分布相对均匀，两 个区域湿度受温度影响，虽 如法满足设计值，但相比于无隔墙和半高隔墙工况，湿度接近设计值。为了进一步分析厂房湿度横向迁移与隔墙的关系，取Y=20 m 处湿度分布进行分析。

图10 夏季Y=20 m 处湿度分布

由图10 可知，全 高隔墙使A、B 两区相互独立，湿度没有相互影响，厂房湿度几乎没有横向迁移。无隔墙和半高隔墙工况由于A、B 两区湿度相差不大，厂 房湿度有一定的横向迁移，但横向迁移效果不明显。半高隔墙在隔墙处对湿度的横向迁移有一定的限制，效果不明显。

为了进一步分析厂房湿度的纵向迁移，取 无隔墙工况新风口X=156 m 处截面结合速度，温 度和湿度进行分析。由图11 可知：新 风机出口温度与周围空气温度相差较大，新 风机处截面温度变化梯度较大，风 口出风有向下的趋势。厂房整体湿度比较均匀，风口处湿度变化梯度较大，湿 度随气流组织向下迁移，其 余区域无明显纵向迁移。

图11 夏季X=156 m 处湿度纵向迁移情况

3 结论

由于厂房不同区域受加工工艺限制相对湿度不同，为 了探讨厂房结构对于整体湿度分布的影响以及迁移情况，本 文建立了一个高大空间厂房模型进行模拟分析，研 究发现：

1）当两个设计参数不同的区域存在全高隔墙时，两个区域均能达到设计值，否 则两个区域相互影响均无法达到设计值。

2）当 隔墙不到顶时，有 无隔墙对厂房温湿度的横向迁移有细微的影响。有隔墙工况可以减小隔墙两侧的相互影响。

3）湿度的纵向迁移与风口处气流组织关系密切。新风口处由于温度与周围空气温度相差较大，冬 季湿度随新风口出风向上迁移，夏 季湿度随新风口出风向下迁移。