張宇龍，代 軍，孔 政，白慶華

(1.四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司綿陽卷煙廠，四川 綿陽 621000； 2.重慶大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，重慶 400044)

0 引言

與住宅相比，大型公共建筑具有占地面積大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，維持日常運(yùn)行所需能耗更高。根據(jù)2020年中國能源建筑報(bào)告[1]，2018年，全國建筑全壽命周期消耗能源總量占全國能源消費(fèi)總量的比重為46.5%，其中運(yùn)行階段的能耗占到全國能源消費(fèi)總量的21.7%。大空間空調(diào)不僅能效低，還存在室內(nèi)氣流組織復(fù)雜、室內(nèi)溫度場和速度場分布不均勻現(xiàn)象。在滿足工業(yè)要求和舒適性的前提下，如何優(yōu)化氣流組織并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是需要深入研究的問題。

目前的研究大多針對不同氣流組織形式展開，包括上送風(fēng)的全空間空調(diào)方式、側(cè)送風(fēng)的分層空調(diào)方式和下送風(fēng)的局部空調(diào)方式。李彬[2]以體育館為研究對象，采用計(jì)算流體力學(xué)方法，得到適合各種比賽的空調(diào)送風(fēng)角度和送風(fēng)速度，從而提高能量利用系數(shù)。楊睿康[3]建立了某高鐵站候車廳的物理模型和溫度梯度的分布函數(shù)，并用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用下送上回的送風(fēng)方式，溫度預(yù)測模型符合精度較高。瞿北北[4]采用CFD方法對某動力電池廠房進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，增加送風(fēng)口數(shù)量及優(yōu)化風(fēng)口的布置能夠滿足工藝生產(chǎn)要求及人體舒適性要求。Wang等人[5]建立了醫(yī)院大樓的物理模型，采用CFD，分析了全空調(diào)和分層空調(diào)的室內(nèi)舒適性，發(fā)現(xiàn)分層空調(diào)設(shè)計(jì)在6～18 m高的大廳中，其節(jié)能率可達(dá)19.7%～49.3%。

目前的研究主要是通過改變大空間空調(diào)的送風(fēng)條件、送風(fēng)方式，尋求最佳的氣流組織形式，以滿足大空間溫濕度均勻性的要求，并對能耗及舒適性進(jìn)行評價(jià)。研究大多針對同一參數(shù)的空調(diào)進(jìn)行模擬分析，對同一大空間的不同空調(diào)之間的相互影響研究較少。而在同一區(qū)域內(nèi)，相鄰空調(diào)往往存在交叉影響，從而導(dǎo)致能耗增加，因此研究相鄰空調(diào)的相互擾動情況對降低能耗具有重要意義。

針對四川某卷煙廠的卷接包車間，采用CFD，對多臺獨(dú)立空調(diào)作用下的氣流組織及溫度分布展開計(jì)算，通過構(gòu)建交叉影響因子，考察單臺空調(diào)工作的影響區(qū)域及作用程度，分析不同空調(diào)分區(qū)之間氣流相互擾動的影響規(guī)律，評價(jià)其對空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響，為無隔斷的大空間內(nèi)多空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化提供理論支持。

1 模型建立

1.1 物理模型

研究對象為四川某卷煙廠的卷接包車間，根據(jù)廠房實(shí)際尺寸建立1∶1的車間模型[6]，其(長×寬×高)尺寸為99 m×60.8 m×6 m。東、南墻為內(nèi)墻，外墻朝西、北兩側(cè)，北側(cè)墻上設(shè)置有窗戶。該車間內(nèi)分布12臺卷包機(jī)械，每臺功率為60 kW，在模型中簡化為12個(gè)長寬高分別為18 m×6 m×2 m的長方體。此外，東南角設(shè)有2臺包裝機(jī)械，每臺功率為10 kW，將其簡化為2個(gè)長寬高分別為13 m×6 m×2 m的長方體。大空間廠房采用4個(gè)風(fēng)機(jī)盤管供應(yīng)冷空氣，每個(gè)風(fēng)機(jī)盤管連接有48個(gè)圓盤形擴(kuò)散風(fēng)口，其尺寸為Φ403 mm。回風(fēng)由12個(gè)雙層百葉風(fēng)口組成，其尺寸為1 000 mm×800 mm。簡化后的模型如圖1所示。

圖1 卷接包車間簡化模型Fig.1 Simplified model of cigarette making and tipping workshop

1.2 數(shù)學(xué)模型

大空間流體運(yùn)動滿足質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律，通過如下方程描述[7]：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

能量守恒方程：

(2)

動量守恒方程：

(3)

式中：ρ為密度；cp為定壓比熱容；u為流體速度分量；T為溫度；γ為運(yùn)動黏性系數(shù)；p為壓力；fx為作用在x方向上的體積力；ST為源項(xiàng)。

1.3 邊界條件

該模型中的熱量來源主要為卷接機(jī)械與包裝機(jī)械的功率及通過外墻、外窗和屋頂傳入的熱量。卷接機(jī)械、包裝機(jī)械和外墻采用第二類邊界條件，其熱流密度大小分別為205.48 W/m2、64.94 W/m2、0.695 W/m2。由于現(xiàn)場工作人員較少，在此沒有考慮工作人員的熱負(fù)荷。外窗采用第三類邊界條件，環(huán)境溫度為32.8℃，傳熱系數(shù)為3 W/(m2·k)。屋頂采用第三類邊界條件，環(huán)境溫度為32.8℃，傳熱系數(shù)為0.552 W/(m2·k)。送風(fēng)口為速度入口邊界條件，速度大小為4.5 m/s，送風(fēng)溫度為18.1℃。為了更好地體現(xiàn)送風(fēng)口旋流特性，采用風(fēng)口動量模型[8]，將圓形風(fēng)口八等分。根據(jù)葉片的傾斜角度為45°，分別算出x、y、z三個(gè)方向的速度大小。回風(fēng)口采用自由出流邊界。

1.4 網(wǎng)格劃分與數(shù)值求解方法的選擇

采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對送風(fēng)口、回風(fēng)口、熱源及壁面附近的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密和網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，整個(gè)卷接包車間的網(wǎng)格數(shù)量約為1 200萬。

控制方程中對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，壓力項(xiàng)采用PRESTO!，其他項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式。大空間內(nèi)氣流組織流速低、溫度分布均勻，滿足Boussinesq假設(shè)，即僅考慮溫度對空氣密度的影響。由于大空間中空氣密度基本保持不變，可將氣流視為等溫不可壓縮流，而SIMPLE算法是適用于求解不可壓縮流的有效數(shù)值方法[9]，因此使用SIMPLE算法可以滿足要求。此外，在大空間建筑室內(nèi)環(huán)境的數(shù)值分析中，Realizablek-ε模型由于考慮了氣流的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)[10]，適用于大空間氣流流動的研究。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方程來計(jì)算貼近壁面空氣的流動。

2 數(shù)值模型驗(yàn)證

選取卷接包車間夏季工況下的現(xiàn)場溫濕度測點(diǎn)、數(shù)據(jù)進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證。對模型輸入當(dāng)天測得的送風(fēng)溫濕度，得到各個(gè)測點(diǎn)的仿真值，與現(xiàn)場的測點(diǎn)進(jìn)行對比。結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，各測點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值和仿真值吻合較好，整體平均誤差約為6.05%，滿足計(jì)算分析要求。

圖2 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對比Fig.2 Comparison of experiment and simulation results

3 數(shù)值結(jié)果與分析

3.1 全空調(diào)運(yùn)行

為觀察全空調(diào)運(yùn)行情況下的溫度分布和速度分布，將4臺空調(diào)設(shè)置為相同的送風(fēng)參數(shù)，即送風(fēng)速度為4.5 m/s，送風(fēng)溫度為18.1℃，卷接包車間設(shè)計(jì)溫度為(25±2)℃，通過仿真得到四臺空調(diào)全開的情況下整個(gè)大空間內(nèi)的溫度場和速度場，選取Y=23.4 m的橫截面(即風(fēng)口所對應(yīng)的截面)進(jìn)行分析。全空調(diào)運(yùn)行的流場及溫度分布情況如圖3所示。

圖3 全空調(diào)運(yùn)行情況下溫度分布和速度分布(a)溫度分布;(b)速度分布Fig.3 Temperature and speed distribution under full air conditioning operation (a) temperature distribution; (b) speed distribution

從圖3(a)可以觀察到，在4臺空調(diào)全開的情況下，車間平均溫度為25.3℃，滿足設(shè)計(jì)要求，但在熱源附近表面溫度偏高，其原因主要是設(shè)備上方的高溫氣流在上升過程中被向下流動的冷空氣卷吸，隨著送風(fēng)射流回到設(shè)備附近。從圖3(b)中可發(fā)現(xiàn)在空調(diào)的送風(fēng)口附近的速度比較高。在豎直方向上的速度逐漸衰減，最終在近地面達(dá)到比較低的速度。豎直方向上的氣流分布不均，豎直向下的氣流出現(xiàn)了傾斜現(xiàn)象，這是由于射流的衰減作用及不同空調(diào)區(qū)域間的氣流相互影響導(dǎo)致的，因此可以分析出相鄰空調(diào)間存在氣流擾動現(xiàn)象。

3.2 單臺空調(diào)相互擾動影響

為了分析空調(diào)間的影響程度大小，通過仿真設(shè)置單臺空調(diào)工作，觀察其氣流分布形態(tài)，分析其規(guī)律。如圖4所示是單臺空調(diào)工作時(shí)的流場。

圖4 單臺空調(diào)工作時(shí)速度分布圖(a)1號空調(diào)工作;(b)2號空調(diào)工作;(c)3號空調(diào)工作;(d)4號空調(diào)工作Fig.4 Speed distribution of a single air conditioner (a)No.1 conditioner; (b)No.2 conditioner; (c)No.3 conditioner; (d)No.4 conditioner

從速度分布圖來看，可以觀察到單臺空調(diào)工作時(shí)，主要影響區(qū)域?yàn)楣ぷ骺照{(diào)所對應(yīng)的區(qū)域，但也會對其他區(qū)域造成影響。從圖中可以看出，1號空調(diào)工作時(shí)2號區(qū)域存在一定大小的速度分布。在2號空調(diào)工作時(shí)，1號區(qū)域和3號區(qū)域均存在可觀的速度分布。在未開啟空調(diào)區(qū)域存在氣流分布的原因可能是開啟空調(diào)區(qū)域的氣流到了未開啟空調(diào)區(qū)域[11]。

3.3 交叉影響因子

為了進(jìn)一步分析氣流分布不均產(chǎn)生原因并探究相鄰區(qū)域的影響程度，引入空調(diào)間的交叉影響因子α。由于流速不具有疊加性，考慮采用大空間能量守恒來確定交叉影響因子。各相鄰區(qū)域的關(guān)系如圖5所示。以1號空調(diào)單臺工作為例，僅考慮相鄰空調(diào)(2號空調(diào))的影響程度。在CFD模擬中可得到1號區(qū)域和2號區(qū)域的質(zhì)量交換量m12。由此，1號空調(diào)對1號區(qū)域影響的權(quán)重因子如式4所示。

圖5 1號空調(diào)相鄰區(qū)域關(guān)系圖Fig.5 Diagram of adjacent areas of No.1 air conditioner

(4)

Q1=cp(m總-m12)(T1-Tin)

(5)

Q冷=cpm總(Tout-Tin)

(6)

a2=1-a1

(7)

式中，cp表示定壓比熱容，Tin表示送風(fēng)溫度，Tout表示回風(fēng)溫度，Q冷表示空調(diào)冷負(fù)荷，Q1表示空調(diào)帶走1號區(qū)域的熱負(fù)荷。T1表示1號區(qū)域的平均溫度，m總表示總的送風(fēng)質(zhì)量流量，α表示交叉影響因子，其物理意義可定義為某區(qū)域內(nèi)由于空調(diào)作用所帶走的熱量占空調(diào)所帶走總熱負(fù)荷的比值。

通過仿真可得到Tin=291.3 K，Tout=320.4 K，m總=23.34 kg/s，T1=313.9 K，m12=0.12 kg/s，將數(shù)據(jù)帶入表達(dá)式求得α1=0.77，α2=0.23。即可認(rèn)為在1號空調(diào)工作時(shí)，對該區(qū)域的影響最大，即從1號空調(diào)送入的冷風(fēng)對區(qū)域1的影響權(quán)重達(dá)到77%，而2號區(qū)域的權(quán)重為23%。發(fā)生氣流相互影響是由于相鄰區(qū)域沒有隔斷導(dǎo)致氣流流動。同理可基于此模型，仿真在在4號空調(diào)運(yùn)行時(shí)，計(jì)算得到權(quán)重因子分別為：α3=0.13，α4=0.87。

當(dāng)空調(diào)3單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，對相鄰空調(diào)即2號和4號空調(diào)的影響程度，相鄰空調(diào)能量關(guān)系如圖6所示。存在以下關(guān)系式。

圖6 3號空調(diào)相鄰區(qū)域關(guān)系圖Fig.6 Diagram of adjacent areas of No.3 air conditioner

(8)

Q3=cp(m總-m23-m34)(T3-Tin)

(9)

Q2=cpm23(T2-Tin)

(10)

Q4=cpm34(T4-Tin)

(11)

a2+a3+a4=1

(12)

a2∶a4=Q2∶Q4

(13)

通過帶入仿真的數(shù)據(jù)，其中m23=0.12 kg/s，m34=0.17 kg/s，m總=23.34 kg/s，T2=322.4 K，T3=314.2 K，T4=318.2 K，tout=322.8 K，計(jì)算求得α2=0.17，α3=0.72，α4=0.11，由此可以得到，處于中間區(qū)域的3號空調(diào)將會對2號區(qū)域和4號區(qū)域的影響。3號空調(diào)影響該區(qū)域的程度達(dá)到72%，2號區(qū)域和4號區(qū)域分別為17%和11%。雖然2號與3號之間的質(zhì)量流量要大于3號與4號之間的質(zhì)量流量，但由于4號區(qū)域的打包機(jī)熱流密度較小，該區(qū)域的平均溫度較低，因此從3號區(qū)域進(jìn)入到4號區(qū)域的冷風(fēng)所吸收的熱量較小。因此3號空調(diào)對4號區(qū)域的影響程度小于對2號區(qū)域的影響程度。同理可基于此模型，在2號空調(diào)開啟時(shí)，計(jì)算求得α1=0.11，α2=0.74，α3=0.15。

4 優(yōu)化及分析

對計(jì)算所得的交叉影響因子采用相互抵消的方式來確定空調(diào)間的影響程度，如1號空調(diào)對2號區(qū)域的交叉影響因子為0.23，2號空調(diào)對1號區(qū)域的交叉影響因子為0.11，最終疊加得到1號空調(diào)對2號區(qū)域的綜合影響為0.12，即1號空調(diào)全負(fù)荷送風(fēng)時(shí)，有12%的送風(fēng)量被送到2號區(qū)域。另外可得3號空調(diào)對2號空調(diào)的綜合影響為0.02，4號空調(diào)對3號區(qū)域的綜合影響為0.02。因此在1號空調(diào)和4號空調(diào)送風(fēng)量不變的情況下，各空調(diào)送風(fēng)比例即為1:0.86:0.98:1。通過減小送風(fēng)量來達(dá)到節(jié)能的目的，各臺空調(diào)的送風(fēng)量分別為原來的100%、86%、98%、100%。

為保證進(jìn)行優(yōu)化后，環(huán)境參數(shù)依然能夠滿足卷接包機(jī)正常運(yùn)行的條件，對改變送風(fēng)量前后卷接包機(jī)附件的溫度場進(jìn)行對比分析，如圖7所示。選取1、4、5、8、9、12號卷接包機(jī)距x正方向1 m，高度為2 m，y方向上平均取3個(gè)點(diǎn)的溫度對比實(shí)施節(jié)能前后對卷接包機(jī)工作的影響，如表1所示。

圖7 1、2號卷接包機(jī)附近1 m的溫度分布圖(a)節(jié)能措施前；(b)節(jié)能措施后Fig.7 Temperature distribution 1 m nearby No. 1 and No.2 cigarette making and tipping machine

表1 卷接包機(jī)x正方向1 m處各特征點(diǎn)溫度Tab.1 Temperature of different features in 1 m of x positive direction of cigarette making and tipping machine

由仿真結(jié)果計(jì)算得到節(jié)能措施前后距卷接包機(jī)x方向1 m處的各點(diǎn)溫度最大差值為1.32 K，平均溫差最大為1.12 K，能夠滿足卷接包機(jī)的工作環(huán)境。由此可見，在2號空調(diào)送風(fēng)量減小14%，3號空調(diào)送風(fēng)量減小2%的同時(shí)，對卷接包機(jī)的工作狀況具有較小的影響。因此，通過計(jì)算相互空調(diào)區(qū)域之間的影響因子，在保證卷接包機(jī)正常工作的前提下，調(diào)小空調(diào)送風(fēng)參數(shù)，能夠達(dá)到節(jié)能的目的。

5 結(jié)語

以四川某卷煙廠的卷接包車間為研究對象，采用計(jì)算流體動力學(xué)方法，對大空間廠房全空調(diào)運(yùn)行和單臺空調(diào)運(yùn)行時(shí)的氣流組織和溫度場分布情況進(jìn)行計(jì)算分析，研究不同空調(diào)分區(qū)之間氣流相互擾動的影響規(guī)律，提出了大空間空調(diào)的交叉影響因子。

結(jié)論如下：全空調(diào)運(yùn)行時(shí)，大空間溫度場分布相對比較均勻，平均溫度為25.3℃，滿足設(shè)計(jì)要求。1號空調(diào)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，對1號區(qū)域的影響權(quán)重為77%，對2號區(qū)域的影響權(quán)重為23%，在4號空調(diào)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，對4號區(qū)域的影響權(quán)重為87%，對3號區(qū)域的影響權(quán)重為13%。2號空調(diào)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，對1號區(qū)域的影響權(quán)重為11%，對2號區(qū)域的影響權(quán)重為74%，對 3號區(qū)域的影響權(quán)重為15%。3號空調(diào)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，對2號、3號、4號的影響權(quán)重分別為17%、72%、11%。通過計(jì)算減小2號空調(diào)14%的送風(fēng)量、3號空調(diào)2%的送風(fēng)量可滿足卷接包機(jī)正常工作環(huán)境要求。