環(huán)境因素對冷庫地坪立柱散冷影響的數(shù)值模擬

孫小紅

(北海職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西 北海 536000)

冷庫作為冷鏈物流最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其主要功能是保障物品低溫下貯藏不變質(zhì)?！袄錁颉钡拇嬖谑估鋷炀S持低溫運(yùn)行的能耗加大，0 ℃以下還會使冷橋附近圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的水分凍結(jié)成冰，體積膨脹，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)開裂，降低保溫效果。冷庫地坪上的鋼筋混凝土立柱即冷橋，從室內(nèi)穿過地坪進(jìn)入土壤層，由于鋼筋傳熱系數(shù)明顯大于其他部位，使得冷量集中地從立柱快速傳入地下，導(dǎo)致冷量損失、地坪立柱附近環(huán)境惡化。

地坪防凍常用的處理措施有設(shè)框架架空層、設(shè)地壟墻通風(fēng)層、砂墊層埋通風(fēng)管、地坪埋加熱管等[1]。對冷庫而言，其并不總是在設(shè)計環(huán)境下運(yùn)行，地坪立柱是地坪防凍脹的薄弱環(huán)節(jié)，研究環(huán)境因素對地坪立柱影響和立柱附近溫度情況對保障整塊地坪不被凍脹十分關(guān)鍵。劉金平[2]對某冷庫地坪Φ90通風(fēng)管的溫度進(jìn)行了測試，由于管徑過小，流通截面積僅為設(shè)計規(guī)范推薦Φ250管截面積的13%，且長度過長，會導(dǎo)致通風(fēng)管內(nèi)空氣的流動情況很差，無法靠室外熱空氣在通風(fēng)管內(nèi)以自然通風(fēng)的方式加熱土壤，土壤出現(xiàn)凍脹，增設(shè)機(jī)械通風(fēng)加熱土壤可以保持其正溫而不被凍脹；高祖錕[3]對冷庫地坪機(jī)械通風(fēng)防凍進(jìn)行了傳熱分析，提出了當(dāng)外界環(huán)境溫度<16 ℃時采用加熱空氣在封閉通道中流動，當(dāng)環(huán)境溫度≥16 ℃時關(guān)閉加熱風(fēng)道、采用新風(fēng)開式循環(huán)以防地坪凍脹的措施，建議根據(jù)氣象參數(shù)布置通風(fēng)管道、在防凍脹前提下限制通風(fēng)管熱量導(dǎo)致的冷間負(fù)荷增加；賈景福等[4]研究了通風(fēng)流速變化時冷庫地坪通風(fēng)管上、中、下表面溫度的波動規(guī)律，提出了當(dāng)流速增大到一定程度時對地坪通風(fēng)防凍系統(tǒng)傳熱性能的影響明顯減弱，當(dāng)通風(fēng)管間距為1.5 m 時，流速選取1.5 m/s可滿足防凍要求和節(jié)約機(jī)械裝置通風(fēng)運(yùn)行能耗；陳曦等[5]建立了冷庫地坪通風(fēng)防凍系統(tǒng)的計算模型，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)管散冷量和通風(fēng)管溫度均隨風(fēng)道內(nèi)流速的增大而增加，且風(fēng)道內(nèi)流速不宜過大，不同工程應(yīng)有取值上限；孫小紅等[6]研究了冷庫地坪通風(fēng)管散冷與風(fēng)速的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)無論風(fēng)速取何值時，通風(fēng)管壁的溫度隨位置的變化呈先上升后下降再上升的趨勢，風(fēng)速增大越有利于土壤防凍。上述研究多是為冷庫設(shè)計提供理論依據(jù)，未涉及冷庫運(yùn)行管理中運(yùn)行參數(shù)的變化對立柱附近地坪凍脹和冷耗的影響。

冷庫地坪運(yùn)行環(huán)境因素主要有室內(nèi)溫度Tw、室內(nèi)對流換熱系數(shù)α、地坪通風(fēng)管進(jìn)口風(fēng)溫Tn、風(fēng)速v。數(shù)值計算提供了一種冷橋計算方法，其通過計算機(jī)模擬，對冷橋的傳熱進(jìn)行近似于理論值的求解[7]。文章擬針對廣西北海某水產(chǎn)冷庫建筑參數(shù)，在CFD軟件上建立冷庫地坪、通風(fēng)管及立柱模型，以立柱散冷量和立柱附近最低溫區(qū)為評價指標(biāo)，討論環(huán)境因素對其影響，為冷庫安全低能耗運(yùn)行方案設(shè)計與調(diào)整提供依據(jù)。

1 建筑模型

1.1 建筑尺寸與地坪構(gòu)造

以一冷間地坪為研究對象，其建筑尺寸如圖1所示，地坪下3.2 m，地坪上立柱凈高6.4 m，地坪長24 m，寬8.7 m，內(nèi)埋通風(fēng)管，管徑0.3 m，管間距1.5 m，立柱截面0.8 m×0.8 m，立柱構(gòu)造如圖2所示。

地坪結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土面層，防水卷材、保溫層(聚苯乙烯泡沫塑料)、鋼筋混凝土、填沙層(含通風(fēng)管)、混凝土和土壤層組成，各層厚度及物性系數(shù)見表1。

單位:mm

單位:mm

表1 地坪各層材料尺寸及其熱工參數(shù)

1.2 模擬模型

為減少運(yùn)算及數(shù)據(jù)比較，取局部地坪、立柱、通風(fēng)管為模擬單元如圖3所示，模型長3 m，地坪上立柱3.2 m(實(shí)際立柱中部傳熱很少)，其他尺寸與實(shí)際一致。另外，忽略防水卷材熱阻，找平層與其下的鋼筋混凝土合并處理，即假設(shè)地坪構(gòu)造由鋼筋混凝土面層、保溫層、鋼筋混凝土承重層、混凝土層、填沙層(含通風(fēng)管)和土壤層組成。由于鋼筋混凝土立柱與地坪連接處傳熱較高，平均熱阻較低，溫度值變化快[8]。試模擬[室內(nèi)溫度Tn=249 K、對流換熱系數(shù)α=20 W/(m2·℃)、風(fēng)管進(jìn)口風(fēng)溫Tn=280 K、風(fēng)速v=0.5 m/s]地坪內(nèi)a面上溫度云圖如圖4所示，最低溫區(qū)在立柱附近。由圖4可知，控制a面上d處溫度在凍結(jié)點(diǎn)以上，可保障整塊地坪不被凍脹。后續(xù)模擬時主要研究環(huán)境因素對立柱散冷量及c、d處溫度的影響，優(yōu)化立柱周圍地坪不被凍結(jié)的環(huán)境參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 環(huán)境因素單因素試驗(yàn) 設(shè)室內(nèi)溫度Tn=255 K，對流換熱系數(shù)α=20 W/(m2·℃)、風(fēng)管進(jìn)口風(fēng)溫Tw=283 K、風(fēng)速v=0.5 m/s，研究單因素影響時，其他值不變。

(1) 室內(nèi)溫度：根據(jù)《冷庫設(shè)計規(guī)范》[9]規(guī)定及低溫冷庫實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，考察室內(nèi)溫度(257，255，253，251，249，247，243 K)對立柱散冷量及地坪溫度的影響。

a為與通風(fēng)管底相切面，b、c、d為切面上與通風(fēng)管平行的直線，b為兩通風(fēng)管中心線，b、c相距10 mm， c、d對稱于通風(fēng)管兩側(cè)

圖4 平面a溫度云圖

(2) 室內(nèi)對流換熱系數(shù)：參照《冷庫設(shè)計規(guī)范》[9]，考察室內(nèi)對流換熱系數(shù)[8，10，12，14，16，18，20 W/(m2·℃)]對立柱散冷量及地坪溫度的影響。

(3) 通風(fēng)管進(jìn)口溫度：考慮到北海地區(qū)冬季室外氣溫會出現(xiàn)279.15 K(6 ℃)，模擬時，考察通風(fēng)管進(jìn)口溫度(279，281，283，285，287，289 K)對立柱散冷量及地坪溫度的影響。

(4) 通風(fēng)管進(jìn)口風(fēng)速：當(dāng)氣溫下降至地坪凍結(jié)風(fēng)險時，啟動機(jī)械通風(fēng)機(jī)強(qiáng)制空氣對流，以增加地坪風(fēng)管散冷量。根據(jù)《冷庫設(shè)計規(guī)范》[9]規(guī)定，機(jī)械送風(fēng)風(fēng)速≥1 m/s，模擬時風(fēng)速從自然通風(fēng)到機(jī)械通風(fēng)，考察通風(fēng)管進(jìn)口風(fēng)速(0.1，0.3，0.5，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0 m/s)對立柱散冷量及地坪溫度的影響。

1.3.2 立柱附近地坪凍脹運(yùn)行環(huán)境 綜合環(huán)境因素影響結(jié)果及北海地區(qū)冬季運(yùn)行環(huán)境，模擬室外溫度Tw為279，281，283 K時，地坪不被凍脹的室內(nèi)溫度。

1.3.3 立柱保溫對散冷量及地坪溫度的影響 立柱是冷庫建筑的冷橋但又無法避免，工程上常對立柱包裹保溫材料以削弱立柱散冷量、改善地坪運(yùn)行環(huán)境。保溫材料厚度、高度與散冷量存在經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，綜合分析材料造價、使用周期和電費(fèi)前提下存在的最佳厚度和高度[10]。該冷庫立柱保溫材質(zhì)同地坪，厚0.2 m，保溫高度1.5 m(如圖5所示)。為驗(yàn)證立柱保溫效果，結(jié)合冷間運(yùn)行實(shí)際，取該冷間室內(nèi)溫度Tn=249 K、對流換熱系數(shù)α=18 W/(m2·℃)、通風(fēng)管進(jìn)口風(fēng)溫Tw=279 K，模擬通風(fēng)管進(jìn)口風(fēng)速(0.1，0.3，0.5，1.0 m/s)對立柱散冷量及d處溫度的影響。

1.3.4 立柱散冷量的測定 為更好理解立柱散冷量大小，模擬時提取地坪散冷量作為參考。立柱、地坪散冷面積為圖3中的立柱截面積(0.8 m×0.4 m)和地坪表面扣除與立柱接觸面(3.0 m×8.7 m-0.8 m×0.4 m)的面積。地坪和立柱側(cè)面散冷量Q=h·A·(T-Tn)，h為室內(nèi)空氣與地坪和立柱側(cè)面對流換熱系數(shù)，A為地坪與立柱側(cè)面(未保溫面和保溫面之和)散冷面積，(T-Tn)為地坪和立柱側(cè)面與室內(nèi)溫度差值。立柱散冷量為立柱與地坪接觸面上下界面間的導(dǎo)熱方程，數(shù)值上與立柱側(cè)面散冷量相等。

圖5 通風(fēng)地坪及立柱保溫模擬模型

1.3.5 數(shù)據(jù)處理 ORIGIN軟件處理CFD輸出數(shù)據(jù)。地坪和立柱散冷量采用雙縱坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為環(huán)境變量；為使直線c、d溫度曲線圖清晰，取兩個反映溫度變化規(guī)律及地坪凍脹趨勢代表性變量。有曲線突變或變化不顯著時對變量加密處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境因素單因素試驗(yàn)

2.1.1 室內(nèi)溫度對立柱散冷量及地坪溫度的影響 由圖6 可知，室內(nèi)溫度越低，其與地坪土壤層間的溫度梯度越大，地坪及立柱散冷量越多。地坪散冷面積是立柱的80.56倍，而地坪散冷量是立柱的10倍左右，進(jìn)一步表明立柱作為冷橋引起了冷耗散。對冷間而言，滿足產(chǎn)品冷加工前提下，盡量提高室內(nèi)溫度，降低地坪立柱散冷量，減少庫內(nèi)冷量損耗；對冷庫制冷系統(tǒng)而言，庫溫的升高意味著蒸發(fā)溫度的升高，制冷系統(tǒng)能效比增大。

由圖7可知，室內(nèi)溫度越高，地坪c、d處溫度越大，且遠(yuǎn)離立柱的c處溫度高于立柱附近d處溫度，越靠近立柱溫度越低；d處中間溫度下降明顯，這是因?yàn)閏處溫度主要受風(fēng)管內(nèi)空氣的影響，管內(nèi)空氣溫度先下降，至出口處有所上升[5]，曲線d還同時受立柱散冷的影響，使立柱附近地坪溫度迅速下降，甚至出現(xiàn)土壤被凍結(jié)危險。

2.1.2 室內(nèi)對流換熱系數(shù)對立柱散冷量及地坪溫度的影響 由圖8、9可知，隨著對流換熱系數(shù)的增大，地坪及立柱散冷量上升，但總增幅較小，且c、d處溫度曲線在不同對流換熱系數(shù)時十分靠近，溫度受影響微弱。這主要因?yàn)榈仄罕砻鎸蛹捌渖系牧⒅鶞囟忍荻刃?，且接近室?nèi)溫度，散冷量及溫度分布受對流換熱系數(shù)的影響甚微，地坪下的土壤高溫帶來的溫度梯度是散冷量的主要動力。生產(chǎn)管理中，加快產(chǎn)品冷加工速度往往需增大對流換熱系數(shù)，雖不引起散冷量大幅波動，但通風(fēng)機(jī)功耗增加，產(chǎn)品干耗加重。

圖6 室內(nèi)溫度對散冷量的影響

圖7 直線c、d的溫度曲線

2.1.3 通風(fēng)管進(jìn)口溫度對立柱散冷量及地坪溫度的影響

由圖10、11可知，通風(fēng)管進(jìn)口溫度越高，空氣通過管壁散熱量越多，促使地坪溫度升高，進(jìn)而立柱散冷越多。通風(fēng)管的存在可使地坪不產(chǎn)生凍脹，對能耗而言，風(fēng)管的設(shè)計又使熱量通過立柱快速傳入室內(nèi)，引起庫內(nèi)冷量耗散。

2.1.4 通風(fēng)管進(jìn)口風(fēng)速對立柱散冷量及地坪溫度的影響

由圖12、13可知，散冷量隨風(fēng)速的增大而加大，抑制冷庫地面向土壤層傳遞冷量，不同風(fēng)速下的地坪c、d處溫度升高，有效防止土壤層被凍脹。這是因?yàn)楣軆?nèi)空氣與管壁對流換熱能力增強(qiáng)，加速熱量穿過管道壁向地坪層傳遞，引起地坪溫度升高。但當(dāng)風(fēng)速≥1 m/s時，散冷量影響減弱，c、d處的溫度曲線逐漸靠近。這主要是因?yàn)轱L(fēng)速增大阻力增加，在無外動力管道內(nèi)，風(fēng)速增幅減緩，散冷量增加不明顯。文獻(xiàn)[4]中的速度拐點(diǎn)為2.5 m/s，可能與管徑、管長等因素有關(guān)。因此，僅通過加大通風(fēng)管風(fēng)速抑制地坪凍結(jié)，不但效果不理想，還增加了機(jī)械功耗。

圖8 室內(nèi)對流換熱系數(shù)對散冷量的影響

圖9 直線c、d處的溫度曲線

圖10 通風(fēng)管進(jìn)口溫度對散冷量的影響

圖11 直線c、d處的溫度曲線

2.2 立柱附近地坪凍脹運(yùn)行環(huán)境

由圖14可知，通風(fēng)溫度279 K、風(fēng)速1 m/s條件下，當(dāng)室內(nèi)溫度Tn≥246 K，地坪d處將無凍脹區(qū)，按機(jī)械通風(fēng)速度要求[6]，此時需開啟機(jī)械通風(fēng)裝置，維持風(fēng)速≥1 m/s 即可預(yù)防地坪凍脹。

圖12 通風(fēng)管進(jìn)口風(fēng)速對散冷量影響

圖13 直線c、d處的溫度曲線

由圖15可知，當(dāng)通風(fēng)溫度增加至281 K、室內(nèi)溫度為240 K時，冷間-33 ℃已達(dá)下限，地坪d處無凍脹區(qū)。即Tn≥240 K，無需機(jī)械通風(fēng)，維持風(fēng)速≥0.5 m/s即可預(yù)防地坪凍脹。

由圖16可知，當(dāng)通風(fēng)溫度上升至283 K、室內(nèi)溫度為240 K時，地坪d處仍無凍脹區(qū)，此時無需開啟機(jī)械通風(fēng)，維持風(fēng)速≥0.3 m/s，其風(fēng)速對地坪溫度的影響如圖17所示。

圖14 Tw=279 K、v=1 m/s時室內(nèi)溫度對地坪溫度的影響

圖15 Tw=281 K、Tn=240 K時風(fēng)速對地坪溫度的影響

2.3 立柱保溫對散冷量及地坪溫度的影響

由表2可知，立柱保溫能削弱散冷量，有利于降低冷庫常年運(yùn)行能耗。

由圖18可知，立柱保溫后，當(dāng)通風(fēng)管進(jìn)口風(fēng)速v=0.1 m/s 時，地坪d處最低溫度為272.249 K，比未保溫前提高了1.232 K；當(dāng)通風(fēng)管進(jìn)口風(fēng)速v≥0.3 m/s，d處最低溫度為274.13 K，比未保溫前提高了1.221 K，地坪無凍脹風(fēng)險。

3 結(jié)論

表2 通風(fēng)管進(jìn)口風(fēng)速對立柱散冷量的影響

圖16 Tw=283 K、v=1 m/s時室內(nèi)溫度對地坪溫度的影響

圖17 Tw=283 K、Tn=240 K時風(fēng)速對地坪溫度的影響

圖18 立柱保溫前后d處的溫度分布

冷庫地坪環(huán)境因素影響地坪立柱散冷量，進(jìn)而影響地坪溫度分布，越靠近立柱處的地坪溫度越低，越容易形成凍脹危險。針對該冷庫地坪而言，多數(shù)情況下無需開啟機(jī)械通風(fēng)裝置，否則，既增加了機(jī)械通風(fēng)能耗又增加了地坪立柱散冷量。立柱保溫更能削弱散冷量、改善地坪溫度狀況。但環(huán)境因素往往是多變的，各種環(huán)境因素作用下的散冷量和地坪凍脹問題還有待進(jìn)一步研究。