恒温机加车间送风方式的对比研究

张定才， 栾金刚， 陈智多,， 郑慧凡， 张海舟

(1.中原工学院 能源与环境学院， 河南 郑州 450007； 2.机械工业第六设计研究院有限公司 第一工程院， 河南 郑州 450000)

恒温恒湿空调房间内的气体流动及温、湿度分布情况对相应的生产工艺、人员健康和空调运行成本等方面有着诸多影响。随着生产技术进步和人们对工业产品质量要求的不断提升，我国空调产业和与之配套的计算机技术、自控技术、设备制造技术的发展以及智能仪器、仪表测量精度的普遍提高，使恒温恒湿空调系统的发展越来越快[1]。恒温恒湿原指温度和湿度恒定不变，但在暖通空调领域，由于温度和湿度受其他因素影响较大，需采取一定手段使温、湿度控制在生产需要的范围内。如温度(20±1)℃,湿度(50±3)%都可以称之为恒温恒湿。

恒温恒湿场所的设计有以下几个原则：一是当需要设置的空调房间较多时，宜将其集中在一个区域，且室内参数要求相近的空调房间宜相邻布置，设置公共走廊并采用走廊回风；二是恒温恒湿间的围护结构特性应按国家规范的要求设计；三是在满足工艺和人员卫生等要求下，尽可能使房间的高度降低[2]。所以恒温恒湿间的实现也需要与建筑专业相配合。

为确保恒温恒湿空调设计的预期效果，在计算机技术高度发展的背景下，对室内气流分布的预测是十分必要的。目前预测室内空气分布的主要方式有：射流公式、区域化模型(Zonal Model)、模型实验、CFD方法等[3]。其中，CFD技术具有可加快设计过程，并以相对较低的成本优化建筑性能的优点[4]。因此，本文使用ANSYS软件来模拟不同送风方式下恒温机械加工车间(以下简称“车间”)速度场、温度场和湿度场的变化情况，以选取在满足工艺要求下最优的送风方式，为空调工程设计提供依据。

在系统设计工况下，采用上送下回的气流组织形式，分别研究不同的送风方式在夏季工况下车间内气流的温度场、速度场、湿度场是否满足工艺要求，并进行对比分析，确定最优送风方式。通过模拟计算，分析讨论不同方案的利弊[5]，使暖通工程师在初始规划阶段能大致了解不同送风方式对车间内气流温度场、速度场、湿度场的影响，从而作出最佳的空调设计方案[6]。

1 恒温机加车间的数值模拟

1.1 车间建筑结构及模型简化

选取某公司高精特齿轮减速机扩建搬迁项目中的恒温机加车间为研究对象。该车间属于机械加工型车间，其结构(长×宽×高)尺寸为26 m×17 m×6 m，建筑面积为442 m2。车间内部有6台数控外磨机床、6人(每个机床配备一名操作人员)，车间吊顶上均匀布置若干灯具。生产工艺的温度精度为(20±1)℃，相对湿度精度为(50±5)%。

车间的西、北两侧均为恒温恒湿房间，与车间温、湿度设计参数相同，无户间传热；南侧为室外；东侧为厂房的装配区，温度设计参数为18～23 ℃，无湿度要求，与车间的温差小于5 ℃，无需计算通过隔墙的传热量[7]。综上，车间南侧为外墙，其余三面均为内墙且无户间传热。

建筑本体、车间内机床、送风风口的几何形状均为不规则的几何图形，如果考虑这些不规则几何图形的细节问题，会给网格划分带来一定的困难，并影响网格的质量，导致模拟计算的时间成本增加等一系列问题[8]。

梁爽研究分析后发现，在不影响主要物理特性的情况下，可以简化实体模型的非重要几何因素，以便实现由实体模型到数字模型的转化[9]。车间机组与工位的简化模型如图1所示。图1中西北角为1号机组，自西向东依次排序至东南角为6号机组。

注：X轴正方向为东，Y轴正方向为北。图1 车间机组与工位的简化模型Fig. 1 Geometric model of unit and station in workshop

1.2 送风口几何模型

针对高大空间常用的3种送风口，其风口几何构造不规则且出流情况复杂，直接按照实际情况构建风口模型很难实现，需要优化模型，才能正确地将送风参数的详细情况转化为数值计算的入流条件[10]。现有的风口模型描述方法有：简单开口类风口模型、基本模型、N点风口模型等[11-12]。工程中应根据不同的风口种类选择合适的送风口模型描述方法。实践表明：双层百叶风口适用于基本模型；而N点风口模型能更好地适应出流方向复杂的方形散流器风口和旋流风口。送风口实物与简化模型如图2所示。

1.3 网格划分

对于优化后的车间模型来说，虽然内部机床、人体和送风口都被视为六面体，但整体的几何复杂程度仍然较高。非结构化网格对几何模型的适应性较好，更有利于进行复杂区域的网格划分。因此，网格划分时应选用几何适应能力较高的非结构化网格。由于车间内机床、人体、送回风口处气体流动情况较为复杂，因此需要在机床、人体和送回风口处进行网格加密处理，并进行网格独立性检验。经过计算比较，当网格数达到180万时可以获得网格独立的解。

(a) 双层百叶送风口 (b) 方形散流器送风口 (c) 旋流送风口单位：mm图2 送风口实物与简化模型Fig. 2 Air supply port object and simplified drawing

1.4 数值计算方法

湍流是一种非常复杂且不稳定的流体流动形式，具有不规则扩散、高雷诺数的特点。对车间空调系统而言，其送回风口等局部空气流速较大，处于不规则的湍流状态。对于湍流问题在ANSYS软件中的计算内容及边界条件等如表1所示。

表1 湍流计算内容及主要参数

1.5 设计方案

对于恒温机加车间的气流组织设计，综合考虑文献[7]中对工业厂房空调的设计要求和文献[13]中对于温度精度所提出的合理送风方式，本文提出的4种送风方式数值模拟方案(C1、C2为双层百叶风口的单侧侧送风和双侧侧送风；C3为方形散流器送风；C4为旋流风口送风)如表2所示。

表2 4种送风方式数值模拟方案

2 4种气流组织对比分析

对4种送风方式的数值模拟方案进行对比分析，以选择最优的送风方式。工作区的温度与相对湿度对生产工艺影响较大，因此应对比分析车间工作区的速度场、温度场和湿度场。

2.1 速度分布

图3所示为不同送风方式的车间工作区速度分布云图。从图3可以看出：C1速度场的东西两侧的气流速度超出了工艺性空调夏季工作区的最高限制风速(不大于0.6 m/s)，而且沿着这两侧墙体流动的气流有很大一部分被回风口直接吸入，出现气流短路现象，导致了部分冷量的浪费，使工作区温度不达标，流场的分布不均匀；C2速度场中4号机组附近及部分区域的气流速度大于0.6 m/s，超出了工艺性空调夏季工作区的风速要求，总体来看，工作区的气流速度差距较大，东侧存在气流短路和流场分布不均匀的现象；C3的气流速度基本都在0.2 m/s上下，车间中部和西侧墙体附近的气流速度在0.1 m/s以下，西北角有一部分送风未经过工作区即被回风口直接吸入，存在气流短路现象，除此之外，工作区整体的气流速度分布比较均匀；C4整体的气流速度基本在0.21 m/s～0.23 m/s之间，车间的最高风速也在0.5 m/s以下，能够满足工艺性空调夏季工作区的风速要求，除个别地方的风速较高(未超过0.6 m/s的设计要求)外，室内气流速度的分布非常均匀，气流混合比较充分，能够达到车间温度与相对湿度的设计要求。

综上所述，C1、C2、C3均存在气流短路现象，其中C1和C2的气流短路现象较为明显，C3的气流短路问题没有C1、C2的严重。C1和C2的工作区存在局部气流速度超出工艺性空调夏季工作区风速不大于0.6 m/s的要求，而C3、C4的平均气流速度在0.2 m/s左右。对比分析可知，C4的气流速度分布情况优于另外3种送风方式。

2.2 温度分布

(a) C1，z=1.5 m

(b) C2，z=1.5 m

(c) C3，z=1.5 m

(d) C4，z=1.5 m图3 不同送风方式的车间工作区速度分布云图Fig. 3 Velocity distribution of different air supply modes

图4所示为不同送风方式的车间工作区温度分布云图。从图4可以看出：C1的车间工作区温度呈现从西到东逐渐增高的趋势，且5号机组附近的温度已经超出21 ℃的设计要求，无法满足生产工艺要求；C2的车间工作区温度呈现从西侧到东侧递增的趋势，西侧温度在19.5 ℃左右，而东侧温度大于21.0 ℃，且3号、5号、6号机组附近的温度在21.5 ℃左右，超出了生产工艺的设计要求；C3的车间工作区温度分布表现为南侧高于北侧，南侧外墙与南侧机组之间的温度最高，在20.6～20.8 ℃之间，而车间西北角和东北角的温度低于19.0 ℃，超出了温度要求，车间工作区总体的温度分布不均匀；C4的车间工作区温度分布呈现南侧比北侧高，西侧比东侧低的现象，但整体的温度可维持在(20±1)℃，机组工作区温度在20.3 ℃，能够满足生产工艺对温度(20±1)℃的设计要求。

(a) C1，z=1.5 m

(b) C2，z=1.5 m

(c) C3，z=1.5 m

(d) C4，z=1.5 m图4 不同送风方式的车间工作区温度分布云图Fig. 4 Temperature distribution of different air supply schemes

综合来看，C1、C2、C3的车间工作区温度都存在超出生产工艺要求温度(20±1)℃的现象；就温度分布的均匀程度来说，C4相较于C1、C2、C3，不仅车间温差较小，而且能满足设计的精度要求。

图5所示为旋流送风方式下1-6号机组工作区的温度分布。

注：横坐标为从各机组左侧到右侧布置的测点位置。图5 旋流送风方式下1-6号机组工作区的温度分布Fig. 5 Temperature distribution in working area of No.1-6 units

从图5可以看出：4号机组的工作区温度曲线波动的幅度较大，且温度高达20.7 ℃，高于另外5台机组的工作区温度，说明其工作区温度场不够均匀；另外5台机组的工作区温度基本维持在19.9～20.4 ℃之间，且温度曲线变化幅度不大，相应的工作区温度场较均匀；6台机组的工作区温度均在(20±1)℃的范围内，能够满足生产工艺要求。

2.3 相对湿度分布

图6所示为不同送风方式的车间工作区相对湿度分布云图。从图6可以看出：C1的车间工作区相对湿度表现为西侧高东侧低，且西侧出现了一个大的涡旋，涡旋中间的相对湿度超出了60%，无法满足生产工艺需求；C2的车间工作区相对湿度呈现由西侧向东侧递减的趋势，布置于东侧的3号机组和6号机组附近的相对湿度在50.0%以下；C3的车间工作区相对湿度表现为南侧低于北侧，且南侧外墙与南侧机组之间的相对湿度较低，在52.5%～53.0%之间；C4的车间工作区相对湿度表现为西侧高东侧低，但东、西两侧的相对湿度相差很小，所以相对湿度分布比较均匀，且6台机组工作区的相对湿度在53.0%左右，能够满足设计要求。

综合来看，C1、C2、C3的车间工作区相对湿度都存在超出生产工艺要求相对湿度精度(50±5)%的现象；就相对湿度分布的均匀程度来说，C4相较于C1、C2、C3，不仅车间工作区相对湿度的差值更小，而且能够满足设计精度要求。

(a) C1，z=1.5 m

(b) C2，z=1.5 m

(c) C3，z=1.5 m

(d) C4，z=1.5 m图6 不同送风方式的车间工作区相对湿度分布云图Fig. 6 Relative humidity distribution diagram of different air supply schemes

图7所示为旋流送风方式下1-6号机组的工作区相对湿度分布。

注：横坐标为从各机组左侧到右侧布置的测点位置。图7 旋流送风方式下1-6机组工作区的相对湿度分布Fig. 7 Relative humidity distribution in the working area of No.1-6 units

从图7可以看出，这6台机组中除了4号机组，其余机组的工作区相对湿度均在52.5%～54.5%之间，相对湿度曲线的波动幅度很小，且变化趋势相似，说明相对湿度分布均匀；4号机组工作区相对湿度曲线的波动幅度偏大，是因为此处气流速度的变化较大，导致了相应区域相对湿度的不均匀。总体来看，6台机组工作区的相对湿度均在(50±5)%的范围内，能够满足工艺要求。

综合图5和图7可以看出，除4号机组波动幅度较大外，其余5台机组的温度相对于设计值的20 ℃偏差在0.4 ℃左右，相对湿度相较于设计值50%的偏差在4%左右。结合温度场和速度场的分析结果，可得出C4的车间工作区速度场、温度场和相对湿度场最优的结论，即应选择旋流风口作为恒温机加车间的送风方式。

3 结论

(1) 通过对比分析单侧侧送风、双侧侧送风、方形散流器送风和旋流风口送风4种不同送风方式的模拟结果，得出单侧侧送风和双侧侧送风并未有效地解决室内因热源整体偏东侧所导致室内热量分布不均的问题，而且存在较为明显的气流短路现象，使大量冷量浪费，导致温、湿度不能满足生产工艺要求。

(2) 方形散流器送风和旋流风口送风能有效地解决车间内热源分布不均问题，但方形散流器送风的工作区温、湿度场存在不能满足设计要求的现象。旋流风口送风的温、湿度场相比另外3种送风方式，不仅能满足生产工艺要求，且温、湿度场更加均匀。

(3) 针对室内局部发热量过大的恒温恒湿车间设计侧送风时，应注意送、回风口的布置，避免冷量因气流短路而造成的浪费。方形散流器送风和旋流风口送风能更好地解决车间内局部位置热源集中导致发热量过大的问题，其中旋流风口因其送出的旋转射流具有较大诱导比，对恒温恒湿车间温、湿度场的均匀性控制有很好的效果。