密闭养殖舍开孔风道新风及散热器供暖系统的模拟研究

肖湘灵，马召民

（1.上海建科工程咨询有限公司，上海 200030；2.郑州热力集团有限公司，河南 郑州 450001）

0 引言

为了降低采暖能耗，北方寒冷地区冬季畜禽养殖环境中通常采用封闭门窗的做法，由新风系统向室内供入新风，使建筑内的气温、风速和有害气体浓度满足畜禽生长性能的需求。我国中南部地区规模化畜禽养殖建筑中，冬季采用开孔风道向建筑供入新风的方式取得了良好的应用效果。这一模式如能推广应用到北方寒冷地区，替代目前规模化养殖舍冬季采用开放式檐口进风、吊顶上送风的新风模式，则可降低建筑的层高、增加建筑的气密性和保温效果，从而减少初投资和采暖能耗。但是，北方寒冷地区冬季气温低，为避免冷气流直接送入畜禽活动区域，影响畜禽生长性能，需要研究新风系统与供暖设施的合理配置方式，使大型畜禽养殖建筑获得均匀、稳定的室内温度场。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析[1-2]，可以不受具体条件限制，给出工程需要的数值解，该方法已被成功地用于畜禽建筑环境的模拟分析中[3-14]。

在养殖舍通风和供暖应用方面，Tomas Norton 等[15]采用CFD 对开放式檐口条件下采用自然通风的养殖舍建筑进行了研究，得出在风压驱动条件下，带百叶的凸肋式通风结构在通风效率和室内热舒适性方面均优于板条式通风缝隙结构。Tomas Norton 等[16]还就不同类型农业建筑中CFD 的应用进行了比较，指出在用户自定义程序中建立以具体环境参数为变量的生物反应函数可以提高农业建筑热环境数值模拟的物理真实性。Olivera EcimDuric 和 Goran Topisirovic[17]对建筑一体化养殖舍通风系统进行了能效优化研究，得出数值模拟不仅可为自然通风养殖舍建筑的初期设计提供准确的开孔面积，其流场数据也可用于机械通风系统的优化。I.H.Seo等[18]采用CFD 对寒冷季节鸡舍的自然通风进行了研究，提出了能改善室内热均匀性和畜禽活动区能耗的新型鸡舍，实测数据表明，根据模拟结果进行改进的鸡舍可以节约30%的能源投资。对于室内温度不均匀的养殖舍建筑，Tomas Norton 等[19]根据畜禽所在位置的环境温度，在畜禽点传热模型中计入其体温调节对对流换热的影响，提高了畜禽对流换热计算精度。Bjarne Bjerg等[20]采用CFD 建立了养殖舍的氨氮排放量模型，讨论了将CFD 用于自然通风养殖舍设计来降低氨氮排放量时需要深入研究的相关内容。Il Swen Seo 等[21]对包含畜只和通风设备的养殖舍建立全尺寸模型进行了模拟和实验验证，结果表明CFD 可以用来改善通风设计，通过减少进风口面积可以获得更好的室内热均匀性。Tomas Norton 等[22]根据建筑和通风结构的几何参数，采用反应曲面法和CFD 建立了预测模型，对爱尔兰地区自然通风的养殖舍内环境均匀性进行研究，提出在给定的檐口条件下，改变建筑几何参数可以影响舍内环境的均匀性，并为设计人员提供了参数关联式来获得较好的舍内环境均匀性。王小超等[23]采用CFD 对空载养殖舍的温度场和气流场进行了模拟，研究了在采用热回收系统的养殖舍中送风角度对供暖效果的影响，得出有利于实现均匀温度分布的送风角度为45o。李文良等[24]基于k-ε 湍流模型，采用FLUENT 软件对密闭平养鸡舍的进风口位置、开启角度和风速进行了研究，获得了有利于冷、热空气混合的参数组合。本文利用CFD 技术对低层高规模化养殖舍的冬季新风采暖系统进行研究，探讨有利于形成均匀稳定温度场的新风道和散热器的配置方式。

1 模型的建立

1.1 养殖舍及新风采暖系统的几何模型

本文研究的规模化养殖舍及新风采暖系统主要由养殖舍外围护结构、室内新风管道、风机、散热器和若干猪只构成。为便于进行实验对比，模拟参数中养殖舍建筑及主要设备的几何尺寸、安装位置与实际工程一致。养殖舍长50m，宽15m，脊高3m，檐高1.8m；风道截面为0.5m×0.4m 的矩形，长50m，架设于山墙上，两端进风；风道两侧沿侧面中心线向上0.1m 处开设0.3m×0.05m的条缝送风口，每侧29 个，间距1.7m；风机设于两侧檐墙上，每侧两台，距地面0.45m 高，与檐墙端部相距12.5m。为简化计算，养殖舍实际采用圆柱形串片管散热器进行供暖，模拟中以同面积圆柱散热器来代替；养殖舍漏缝地板以等面积原则减少了开孔数量。养殖舍结构及风道、散热器等位置示意图如图1 所示。

1.2 控制方程

基于以上几何条件和简化假设，养殖舍内的传热过程为三稳非稳态传热，对应直角坐标下的控制方程为[25-26]：

连续性方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中，ρ为空气密度，kg/m3；t为时间，s；为速度矢量，m/s；xi为直角坐标系第i个坐标坐标，i=1，2，3；ui为三个坐标轴方向的速度，m/s；μ 为空气的动力粘度，N·s/m2；p为空气流微元体上压力，Pa；Fi为第i个坐标轴方向上的体积力，N；T为温度，℃；k为导热系数，W/(m·oC)；cp为空气的定压比热，J/(kg·oC)；ST为热源项，W。

1.3 边界条件和相关参数

养殖舍围护结构外墙由24 砖砖墙和保温聚苯板组成，漏缝地板下的地沟地面为水泥板，屋顶主要材料为外覆PVC 涂层的玻璃丝棉保温板。根据实际测量手段和运行工况，外墙及屋顶设置为第二类边界条件，在给定的围护结构组成和设计条件下，外墙和屋面的自然对流换热系数为23W/(m2·oC)[27]，室外温度由实测确定。水泥地面设置为第一类边界条件，取同一时间对应的典型气象年地表温度。散热器材质为低碳钢，入口水温75oC。模拟涉及的相关材料热工性能如表1所示。

表1 围护结构组成材料的热物性参数

2 模型的求解与验证

2.1 网格划分与求解

基于GAMBIT软件进行几何建模和网格划分，为简化计算，猪只以长、短半轴分别为0.60m×0.25m 的椭球形发热体代替。采用标准k-ε 模型进行计算，山墙风道进风孔为进气口边界。檐墙风扇排风口和散热器入口均为速度入口边界，实际存栏猪只1000 头，设计条件下冬季育肥舍最小通风量为10m3/（h·只）[28]，据此设置湍动能和湍动耗散率分别为k=0.0115、ε=0.0052 和k=0.007、ε=0.011，猪只散热量取188W/只[29-30]。围护结构外表面设置为固体壁面边界（wall），根据冬季实际气候特点，忽略养殖舍外表面辐射传热。模拟时长与实验测试持续时间相同，设置为1h，时间步长为1m。利用FLUENT 软件SIMPLE算法对流场和温度场进行求解。

2.2 模拟结果验证

为检验模型的正确性和有效性，将散热器上置式运行工况下的模拟结果与同期实测数据进行了对比。实验所用温度采集仪器为Angilent34970A 型数据采集系统，采用直径0.1mm 的铜-鏮铜(T 型)热电偶测量温度。空气流速采用OmegaHHF-SD1 型热线风速仪进行测量，数据采集记录时间间隔为1m。室内共设置11 个观测点，根据新风对室内空气扰动程度的不同，取养殖舍中心和进、排风口的温度，速度实验数据与模拟值进行了对比。其中，温度最大相对误差为15.3%，平均误差7.6%，速度最大误差为37.7%，平均误差12.4%。最大误差均出现在观测点B，即靠近檐墙排气扇处。与实测数据相比，模拟结果的准确性整体在可接受范围内，说明模型的简化假设基本合理，可为工程应用提供一定的参考。

3 结果分析

3.1 散热器位置对进、排风口及养殖舍中心温度的影响

对畜只活动区不同位置的温度变化进行了模拟研究。散热器采取两种布置方式：①下置式，距地面0.7m 高，分别靠近檐墙和养殖舍中部，如图1（c）所示；②上置式，与风道送风孔同高，与送风孔水平相距0.6m，如图1（d）所示，中心、排风和进风观测点均距地面0.5m 高，中心观测点位于养殖舍平面中心，排风观测点位于室内距檐墙排气扇0.5m 处，进风观测点位于室内距山墙进气口0.5m处，分别如图1（b）中A、B、C点所示。

模拟结果表明，从送风开始到观察点温度趋于稳定，散热器下置方式所需时间为20m，较上置时减少约5～10m，如图2 所示。这是由于散热器下置时靠近畜只活动区，直接对该区域内空气进行对流换热，之后热空气在上升过程中再与送风孔吹出的冷空气混合，养殖舍下方始终处于相对高温状态，与自然对流换热的热流方向一致，因而整舍温度可以较快的达到稳态；上置时室外新风通过送风孔吹向散热器，经散热器加热后，与下方畜只活动区温差减小，自然对流换热势差较小，因而达到稳态所需时间稍长。稳定后，散热器下置时三个观测点的温度范围为11～19oC，上置时为16～19oC，较下置时养殖舍整体范围内的温度梯度要小，而靠近排风口和进风口等冷气流扰动大的区域温度也均在17oC 以上，较下置式提高约3～4oC，如图2（b）、2（c）所示。但在中心点处，下置式可以获得更为有利的温度条件，如图2（a）所示，其稳定后的温度较上置式提高约3oC。

图2 不同冷气流扰动程度下观测点温度变化对比

3.2 散热器位置对畜只活动区温度场的影响

图3 表明散热器在两种不同布置方式下，养殖舍下方的猪只活动区整体上均能达到合适的温度。散热器下置时，畜只活动区温度分布更为均匀，上置时畜只活动区温度呈现两端高中心低的趋势。这与散热器上置时，养殖舍上方对冷气流形成“预热层”，而下方依靠畜只自身产热可以使活动区温度维持在较高水平上，因而养殖舍内纵向温度梯度较小，与下方畜只活动区空气循环不良有关。

图3 不同散热器位置畜只活动区温度场对比

3.3 不同散热器位置对养殖舍内部竖向温度分布的影响

在两种不同的散热器安装位置下，养殖舍中心沿高度方向整体温度分布如图4 所示。散热器下置时，养殖舍内尤其是下方畜只活动区形成了良好的温度分层，冷、热空气分别位于养殖舍下方和上方，类似于理想气流组织“活塞流”所形成的温度场，热空气有效覆盖了畜只活动区。散热器上置时，畜只活动区未出现这种有利于自然循环的温度分布，下层水平方向温度梯度较大，易发生畜只冷热不均的情况。

图4 不同散热器位置养殖舍竖向温度分布

4 结论与建议

与实验数据相比，模拟得到的温度值的最大误差为15.3%，平均误差为7.6%，表明本文提出的养殖舍模型及其简化假设较为合理，可为工程应用提供一定的参考。

达到稳定后，散热器上置时，靠近排风口、进风口等冷气流扰动大的养殖舍上部区域，空气温度均在17oC 以上，较下置式提高约3～4oC。

散热器下置时，养殖舍内温度达到稳定值所需时间较上置时减少5～10m；养殖舍内的空气呈现上冷下热的纵向热分层，畜只活动中心区域的温度较上置式提高约3oC，且畜只活动区水平温度梯度较小，具有更好的热均匀性。

④采用开孔风道的养殖舍送新风方式，在相同的新风量和热负荷条件下，下置式散热器可以获得更好的热舒适条件和更为有效的能量利用。