學術科研丨某高大空間精密機床加工車間環(huán)境模擬及實測
△ 論文截圖
引言
一般而言，對于高度大于5m，體積大于1萬m3的建筑空間被稱為高大空間建筑[1]。在空調制冷或供暖的情況下，此類高大空間的氣流組織與溫度場分布有其相應的特點：1. 空間高度大。工業(yè)廠房的高度往往可以達到10~20m，較高空間高度易在沿高度方向形成豎直的溫度梯度；2. 空間表面積大。此類空間外圍護結構的面積較大，意味著室內空間易受外界環(huán)境影響，對外圍護結構的保溫性能提出了較高的要求；3. 空間內使用功能差異大。對于如廠房類的高大建筑，存在著使用功能差異較大的區(qū)域，因此對空調有不同的要求?；谝陨显颍侠淼臍饬鹘M織及溫度場預測對于高大空間的空調設計具有重要的參考意義[2~5]。
1988年之后，國內開始對CFD用于氣流組織模擬的應用進行了研究。1997年，徐志浩等人采用二維k-ε湍流模型、有限容積法離散控制方程以及采用SIMPLE算法對高大空間分層供熱進行了數值模擬分析計算[6]；徐麗等人利用對某分層高大空間內的三維速度場及溫度場分布進行了模擬，并將數值模擬數據與實測數據進行了對比[7]；董玉平等人對某國際展覽中心展廳擴建工程分層空調方案進行了數值模擬驗證，并分析其熱舒適性[8]?，F有針對高大空間的氣流組織研究幾乎都集中在分層空調的應用層面，而對于工業(yè)建筑的改造項目而言，分層空調的設立往往存在現實條件的限制。本文嘗試采用針對空間整體進行空調送風的方式解決現有工業(yè)建筑的空調改造工程。
本文以昆山某重機有限公司柔性車間廠房為例，采用CFD模擬預測其空間內的氣流組織及溫度場分布，并與項目實施后的驗收報告數據進行對比。
1 項目概況
廠房概況
該項目建設單位為某重機有限公司，項目對其柔性車間廠房增設空調系統(tǒng)。原廠房為１層車間，廠房尺寸為120.0ｍ（長）×24.0ｍ（寬）×14.5ｍ（高），建筑面積約2880㎡。該建筑在原大型車間內，北面為道路及綠化帶，如圖1所示。
△ 圖1 改造車間位置示意圖
建設要求
建設單位提出了改造車間內機車的安裝使用環(huán)境要求，設計單位所設計的空調系統(tǒng)需滿足相應的使用環(huán)境要求。車間內環(huán)境要求為：１）車間7.5ｍ 高度以下，全年溫度控制在（２０±２）℃;2）溫度變化率≤±２℃／24ｈ，最大溫度波動≤１．０ ℃／ｈ;3）車間高度的溫度梯度≤１℃／４ｍ。車間主要發(fā)熱源為：2種型號（3臺MCT1250及５ 臺HEC630）的精密機床，發(fā)熱源主軸功率分別為141ｋＷ 及168ｋＷ。
項目難點分析
經過現場勘查，發(fā)現該車間空調設計有以下幾個難點。
?。保┸囬g區(qū)域圍護結構較差，負荷需求巨大。車間區(qū)域層高較高，最高點距地14.5ｍ，圍護結構均為彩鋼板，且有外窗。
?。玻┰O備布置條件有限。由于是在已建廠房內進行空調增設，且空調負荷巨大，在布置空調冷熱源、空氣處理機組、輸配設備、水處理設備上，條件均受限。
?。常┍ＷC空調氣流組織均勻性難度大。在大跨距（24ｍ）的條件下，要實現4ｍ 以內氣流均勻，對控制溫度場的豎直擾動和水平偏移要求較高。
驗收合格條件
在車間高度0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5ｍ 處布置測點，有設備處的測點位置需距離設備約1.2～1.5ｍ。每個測點均連續(xù)測試2ｈ，測試數據時間間隔為20min。如1ｈ內最大溫度波動≤1.0℃，且上、下測點間的溫度梯度滿足≤１ ℃／4ｍ，所有測點溫度均在18～22 ℃范圍內，則表示空調系統(tǒng)運行有效，予以驗收合格。
2 空調系統(tǒng)設計
室外設計參數
室外設計參數如表1所示。
室內設計參數
根據建設單位對使用環(huán)境的要求確定，見“建設要求”節(jié)。
空調負荷
原廠房圍護結構傳熱性能較差，室內環(huán)境易受室外環(huán)境影響。本次改造建設單位按照設計建議對圍護結構進行改造。設計依據GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》第8.1.7～8.1.12條，對室溫允許波動范圍為±0.5℃以下的工藝性空氣調節(jié)區(qū)域的圍護結構參數作如下限定：頂棚傳熱系數K≤0.5 Ｗ/(㎡·Ｋ），熱惰性指標D≥４；外墻K≤0.8Ｗ/(㎡·Ｋ）；內墻、樓板K≤0.7Ｗ/(㎡·Ｋ）。同時要求空調區(qū)域不得有外門，內門兩側溫差大于３℃時設門斗。采用上述參數對該廠房進行逐時負荷計算，最終確定室內冷負荷為709ｋＷ，熱負荷為231ｋＷ。
空調冷熱源
由于廠房內無冷熱源安裝條件，最后選定６臺單臺額定制冷量130kW、制熱量132kW的空氣源熱泵模塊機組（COP≥3.0）安裝于廠房外；冷水供／回水溫度為7℃／12℃；熱水進／出水溫度為40℃／45℃。所有機組性能參數（能效比和部分負荷性能系數）均滿足GB51245—2017《工業(yè)建筑節(jié)能設計統(tǒng)一標準》的要求?？照{水系統(tǒng)流程如圖２所示。
△ 圖2 空調水系統(tǒng)流程圖
空調系統(tǒng)
依據GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》第8.4.9～8.4.10條規(guī)定，室溫允許波動范圍為±0.5 ℃的工藝性空氣調節(jié)的送風溫差為3～6℃，換氣次數應達到8次/h。該項目車間空調采用全空氣系統(tǒng)，選定16臺總風量為30.25萬m³／ｈ的空氣處理機組。根據建設方提供的人員密度，車間內需供給8000m³／ｈ的新風，在16臺空氣處理機組中選?。磁_設置新風接口。由于車間內空調箱安裝空間有限，將部分空調箱安裝在車間北側外墻綠化帶處，經過處理后的空氣通過低速風道送至各使用區(qū)域，設計工況下送風溫差為5～6 ℃。受限于車間內桁架高度，風管若安裝在低位將影響桁車的移動，因此在車間頂部設置送風風管，風管安裝底標高為13.1ｍ，吊頂與安裝高度齊平。在距地0.5ｍ 高度處設置回風百葉。通過風量調節(jié)閥控制系統(tǒng)風量?？照{箱安裝示意圖見圖3。
△ 圖3 空調箱安裝示意圖
為了降低風管對結構或工藝桁架的承重要求，考慮到布袋風管質量通常僅為傳統(tǒng)鐵皮風管的2％，且織物風管通過整體管道壁纖維滲透冷風，在管壁外形成冷氣層，使管壁內外幾乎無溫差，徹底解決風管凝露問題，不需要管道保溫。該項目采用布袋風管替代傳統(tǒng)鐵皮風管進行送風。常見的送風口形式如圖４所示，布袋風管的安裝大樣見圖５。
△ 圖4 布袋風管送風口形式示意圖
△ 圖5 布袋風管安裝大樣圖
由于風管的安裝高度受限，需在13ｍ 的高度處將經過溫濕度處理的空氣送至工作區(qū)域。同時建設單位對車間工作區(qū)域內的溫度波動及豎直方向的溫度梯度提出明確要求，需要工作區(qū)域內的流場及溫度場盡可能達到均勻。因此，該項目設計時擬采用直徑50、130ｍｍ 的噴嘴作為送風風口，噴嘴豎直向下以保證將經空調箱處理后的空氣從13ｍ 標高送至距地3ｍ 以內的工作區(qū)域。同時，通過縮小風管上噴嘴之間的間距來使工作區(qū)域內的氣流與溫度分布盡可能均勻。最終選定直徑130ｍｍ 噴嘴、間距1000ｍｍ，直徑50ｍｍ 噴嘴、間距155ｍｍ。采用CFD模擬室內環(huán)境從而驗證該設計的合理性。
3 基于CFD模擬的室內氣流組織研究
假設條件
本文研究高大廠房內利用送風射流對室內空氣溫度進行調節(jié)的合理性，室內流體密度必會受送風射流的影響，從而產生自然對流或混合對流，但室內空氣總體密度變化仍很小，因此可采用Boussinesq假設來考慮浮升力的作用。具體做法為僅對動量方程中浮升力中有關密度變化的影響采用Boussinesq假設來計算，忽略密度變化對壓力項、黏性力項等的影響，取流場內的平均密度。此外將室內空氣的其他物性參數看作常數。該項目車間無開窗，選取的計算域距離廠房最近的門57ｍ，距離較遠，因此計算域內忽略廠房開門對計算域內的影響。為了簡化模型，該研究基于如下假設：
?。保┝黧w為常溫、低速、不可壓流體；
?。玻┡c溫度差異相關的密度變化符合Boussinesq；
?。常α鲹Q熱形式為自然對流、受迫對流并存的混合對流，且流態(tài)為湍流[9]；
?。矗M足氣體狀態(tài)方程；
?。担﹥葔Α⒌孛媾c外界無熱量交換，是絕熱的[10]。
控制方程
流體流動應該滿足能量守恒方程、質量守恒方程和動量守恒方程。
物理模型及邊界條件
物理模型需按照圖紙（見圖６，陰影區(qū)域為機床位置）進行相應簡化。車間總長度為120ｍ，送風噴嘴直徑為50、130ｍｍ，為了獲得風口送風參數，在采用CFD方法進行數值模擬時網格劃分至ｍｍ量級。模擬大空間的室內空氣流動情況時，為反映室內湍流大渦旋對流動的影響，計算區(qū)域為m量級。若采用三維全尺寸建模，必將導致計算區(qū)域內的網格節(jié)點數巨大?，F選取編號為AHU-３的空調箱所覆蓋區(qū)域進行建模計算，由于送風噴嘴標高為13ｍ且與吊頂齊平，最終選取的計算域尺寸為11ｍ（長）×24ｍ（寬）×13ｍ（高），將機床尺寸簡化為7.0ｍ（長）×11.5ｍ（寬）×1.5ｍ（高）。風口數量、風口面積、送風量及安裝位置依據設計圖紙設置，送風噴口直徑為130ｍｍ，共計66個，回風口尺寸為7000ｍｍ×１300ｍｍ，設于側墻底部0.5ｍ 高度處。AHU-３的設計參數為：１）制冷量125ｋＷ（全熱）；２）進風干球溫度20 ℃；３）出風干球溫度16 ℃；４）送風量37500m³／ｈ。
△ 圖6 平面設計圖紙
計算域及邊界條件如圖７所示。送風噴嘴進口為速度入口，速度為11.89ｍ/ｓ，速度入口溫度為16℃；回風口為壓力邊界；廠房長邊長度為120ｍ，長度較長，由于計算域軸對稱，為減少計算時間，將x＝０截面設為對稱邊界；固體壁面取為無滑移邊界條件，根據負荷計算結果，圍護結構熱流密度取10.34Ｗ／㎡，地面為絕熱邊界；將人員等散熱量簡化至機床發(fā)熱量，機床發(fā)熱量為45.42ｋＷ（機床發(fā)熱量由設備專業(yè)廠商提供，約占機床功率的15％）；其余邊界設為對稱邊界（無通量）。
△ 圖7 計算域及邊界條件
網格劃分及計算方法
采用多面體網格形式進行網格劃分，在模擬過程中對網格進行逐級加密計算，直到模擬結果滿足網格獨立性檢驗要求。選定計算域內的平均流速作為衡量尺度，網格數量劃分為50萬、200萬及500萬３個級別，平均流速分別為0.40、0.46、0.47ｍ/ｓ。確定計算網格最小尺寸為10ｍｍ，最大網格尺寸為100ｍｍ，計算網格數量約為235萬。網格劃分如圖8、9所示。
Realizable K-ε 模型可以保持雷諾應力與真實湍流一致，可以更加精確地模擬平面和圓形射流的擴散速度，同時在旋流計算、帶方向壓力梯度的邊界層計算和分離流計算等問題中，計
算結果更符合真實情況，計算分離流和帶二次流的復雜流動也表現出色。故采用Realizable K-ε 模型用于預測高大空間流場和溫度場。采用SIMPLE算法、二階迎風離散格式進行穩(wěn)態(tài)計算。
△ 圖8 計算域網絡劃分示意圖
△ 圖9 送風噴嘴網絡劃分示意圖
下送噴嘴的射流速度校核
分析下送風噴口射流角度90°、射流速度11.89ｍ/ｓ工況下的流場，圖10給出了該工況下x＝0ｍ 及z＝12.15㎡個截面上的速度及流線分布。結果表明，1.50ｍ 高度處的平均速度為0.29ｍ/ｓ，回風口風速為1.31 ｍ/ｓ。依據GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》中關于回風風速的規(guī)定，房間下部且靠近人員經常停留的地點回風口吸風速度宜小于1.5ｍ/ｓ。本模型的回風速度滿足規(guī)范要求，且送風風速與工作區(qū)的平均風速也不大于0.3ｍ/ｓ（夏季工況）。能夠保證工作區(qū)附近經常停留人員的舒適感，避免因風速過大揚起灰塵及增加噪聲，保障了溫度場均勻性。經校核，該模型送風工況可滿足相關規(guī)范的要求。
a x=0m處速度云圖
h x=0m處流線圖
c z=12.15m處速度云圖
d z=12.15m處流線圖
△ 圖10 夏季工況下的速度分布
夏季工況下廠房內的溫度場評價
圖11顯示了x＝０ｍ 及z＝12.15㎡個截面的溫度分布。由圖11可知，在0.5～7.5ｍ 高度上，最高平均溫度為21.58℃，最低平均溫度為20.24℃，平均溫度在豎直方向上的變化率為0.19℃／ｍ，能夠滿足驗收條件中溫度梯度≤1 ℃／4ｍ的要求。對計算結果中各邊界的參數進行監(jiān)測：回風口平均溫度20.03℃，空調箱制冷量51.13ｋＷ；機床發(fā)熱量45.55ｋＷ，與負荷計算結果相差0.29％。機床的表面換熱系數為5.78 Ｗ／（㎡·℃）。廠房內平均溫度20.61℃，最高溫度出現在機床表面，為33.03℃。距機床1.2ｍ 處布置監(jiān)測點，監(jiān)測點沿豎直方向每1 ｍ 布置1個，監(jiān)測高度范圍為0.5～7.5ｍ。監(jiān)測結果中最高溫度為21.33 ℃，最低溫度為20.12℃，滿足驗收條件中安裝溫度（20±2）℃的要求。由圖10ａ可以看出，機床尾部存在較大的湍流渦旋，該處整體流速較低，可視為廠房內的氣流死區(qū)。３ｍ 高度截面溫度云圖見圖12。由圖12可知，該氣流死區(qū)造成機床尾部及臨近的圍護結構處出現了局部高溫區(qū)（圖中方形深色區(qū)域為機床位置），而機床靠近回風口處的區(qū)域溫度要比高溫區(qū)低１～２℃。由于機床尾部至圍護結構處為生產部件暫存區(qū)域，對機床的使用及工作人員的影響較小。
a x=0m處溫度云圖
b z=12.15m處溫度云圖
△ 圖11 夏季工況下的溫度分布
△ 圖12 ３ｍ高度截面溫度云圖
4 夏季工況測試與分析
CFD模擬結果驗證了設計工況下該廠房的室內環(huán)境能夠滿足建設單位要求。項目實施后于2019年8月17日13:00—15:00對夏季工況進行測試，基于此次測試結果對項目進行驗收。測試當天打開全部機床及空調機組，測點的布置標準詳見1.4節(jié)。本文僅討論編號AHU-３空調箱所覆蓋的范圍，測點布置如圖13所示。對于豎向溫度場的測試，將測溫儀綁于移動式升降臺上，將升降臺移至測點后，通過升降臺升降測量不同高度的溫度數據。一處測點的不同高度溫度測
試完成后，將升降臺移至下一測點，重復上述操作。間隔20min，再回到第一個測點，重復以上操作。為了減少人體、設備對溫度的影響，測試過程保持測試人員與測點之間有2ｍ 以上的距離。該項目采用的測溫儀型號為Testo110，測試范圍為－20～80℃，測試精度為±0.2℃。
測試結果表明：距地7.5ｍ 高度內的最高溫度為21.80 ℃，最低溫度為19.50 ℃，滿足室內溫度（20±2）℃的設計要求。同一高度測點溫差在1.9℃以內，不同高度測點溫差在1.7 ℃以內，各測點沿豎直方向溫度梯度最大為0.24℃／ｍ，符合驗收標準要求。模擬數據與實測數據對比見表２。由表２可知，同一測點的實測數據與模擬數據最大相差0.6℃，相對誤差為2.8％。7.5ｍ 高度以內的溫度場平均溫度模擬數據為20.61 ℃，實測數據為20.94 ℃。結果表明CFD能夠很好地預測高大空間的溫度分布。模擬數據與實測數據均能滿足建設單位所提出的驗收合格要求。后期多次回訪，空調系統(tǒng)使用效果良好，室內溫度能夠滿足設計要求。
△ 圖13 測點布置圖（單位：ｍｍ）
結論
?。保┍疚闹胁捎玫南滤蛧娮煸诟叽罂臻g內可以有效將空調風送至工作區(qū)域。配合適宜回風口尺寸，可保障工作區(qū)環(huán)境均勻度。
２）噴嘴下送、底部百葉回風的形式有效降低了機床工作環(huán)境的溫度，模擬結果中機床安裝環(huán)境可達到建設方提出（20±2）℃且豎直方向溫度梯度小于1 ℃/4ｍ 的要求，避免因溫度波動而影響精密機床的加工精度。
?。常└鶕M結果分析可知，本次設計在機床尾部存在一定的氣流死區(qū)，該區(qū)域溫度相對其他區(qū)域偏高，但該區(qū)域為生產部件暫存區(qū)域，對生產工藝影響較小，可考慮在該部分增設空調回風，以減少氣流死區(qū)的范圍。
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