用于高溫?zé)嵩吹母魺峤禍貕w結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

楊歷全，李鵬飛，劉澤華，蔣新波，魯 婧

（1.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南衡陽 421001；2.南華大學(xué) 建筑學(xué)院，湖南衡陽 421001）

0 引言

相對于普通民用建筑，一般工業(yè)廠房建筑由于具有生產(chǎn)設(shè)備多、體量大及內(nèi)部有較大通敞空間等特點，但隨之帶來了生產(chǎn)過程中廠房內(nèi)的高溫?zé)嵩赐鶗驈S房工作區(qū)散發(fā)大量熱量的問題，且其熱強度可達50～300 W/m3，這更給廠房內(nèi)部的降溫散熱帶來技術(shù)難題［1］。在如此大規(guī)模的工業(yè)建筑熱車間中，需要通過通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)將大量的余（廢）熱排除帶走，因而消耗大量的能源［2］。

由于工業(yè)廠房高溫設(shè)備散發(fā)的廢熱為廠房主要熱污染，故從源頭上將熱源產(chǎn)生的廢熱有效的回收和利用、變廢為寶，能夠防止能量的浪費，形成循環(huán)經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的雙贏。

在防止熱量向工作區(qū)域擴散的問題上，空氣夾層擁有很好的保溫隔熱效果，相比于傳統(tǒng)墻體，在夏季采用空調(diào)制冷時，可以實現(xiàn)38%～60%的節(jié)能［3］，所以帶有空氣夾層的維護結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中。在19 世紀(jì)90 年代，雙層幕墻概念被提出并快速推廣起來［4］，在夏季能夠改善室內(nèi)過熱的問題，在冬季降低室內(nèi)的熱負(fù)荷，從而降低供暖能耗；SUáREZ 等［5］研究了一種開式通風(fēng)墻體結(jié)構(gòu)，對墻體的熱工特性進行了數(shù)值模擬分析，其研究結(jié)果顯示，這種通風(fēng)墻體的節(jié)能特性隨著環(huán)境溫度升高越發(fā)顯著；劉琳等［6］采用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法，分析了主動通風(fēng)式外墻在夏季工況下的傳熱過程。結(jié)果表明：該通風(fēng)外墻擁有較好的隔熱效果，運行中夾層流動空氣能帶走絕大部分傳入熱量。單一使用空氣夾層雖然具有較好的隔熱效果，但是當(dāng)設(shè)備長時間運行時，由于產(chǎn)生的余熱不能被快速有效的帶走，還是有部分熱量持續(xù)通過空氣夾層進入車間工作區(qū)域，隨著運行時間的增加，熱量不斷在車間聚集，造成工人的熱舒適性降低。

對于余熱的回收，輻射冷卻系統(tǒng)通過毛細(xì)管內(nèi)低溫水與外部高溫空氣進行熱交換后將熱量帶走。近年來，因其節(jié)能及熱舒適的優(yōu)點，輻射冷卻系統(tǒng)受到越來越多的關(guān)注［7］。到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對加熱和冷卻系統(tǒng)的熱性能進行了大量的研究。ANDRES-CHICOTE 等［8］對輻射冷卻頂棚系統(tǒng)的墻體供冷量進行了試驗研究；文獻［9-10］對吸頂板的實際冷卻性能進行了試驗測試；通過試驗和數(shù)值分析，重點研究了輕質(zhì)地板輻射供暖系統(tǒng)的運行特性；OKAMOTO 等［11］針對用于不同保溫材料的輻射冷頂板的熱流密度開發(fā)了一種計算方法；李念平等［13］提出了采用貼附射流與輻射冷頂板空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合后對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，得出輻射冷頂板降溫速度更快，且不易結(jié)露。但由于輻射換熱動態(tài)響應(yīng)慢，耗時時間長，需要較大的傳熱面積，這些缺點直接影響了輻射換熱在工程上的推廣。

本文充分考慮了空氣夾層和輻射冷卻系統(tǒng)的優(yōu)缺點，設(shè)計出一種用于廠房高溫?zé)嵩吹母魺峤禍貕w。利用正交試驗設(shè)計了三因素三水平結(jié)構(gòu)方案，并通過數(shù)值模擬法以墻外側(cè)壁面溫度和墻體供冷量作為評價指標(biāo)，對該墻體結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，為外圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計提供了新的思路和方法。

1 隔熱降溫墻體物理模型

本文研究的墻體用于廠房高溫?zé)嵩吹慕禍馗魺幔筛鶕?jù)熱源的發(fā)熱功率來調(diào)節(jié)墻體送風(fēng)速度和供水參數(shù)，保證墻體供冷量和隔熱效果。如圖1 所示，該新型墻體主要由四部分組成：貫流風(fēng)機、紫銅輻射板內(nèi)墻、中間空氣間層和聚氨酯泡沫塑料與彩鋼板復(fù)合的保溫外墻。

圖1 隔熱降溫墻體物理模型示意Fig.1 Schematic diagram of physical model of thermally insulating and cooling wall

當(dāng)墻內(nèi)側(cè)熱源的負(fù)荷發(fā)生突然增加時，開啟貫流風(fēng)機進行強制對流可快速降低墻內(nèi)側(cè)空氣溫度，改善墻壁面輻射換熱速率較慢的問題，防止因墻內(nèi)側(cè)空氣溫度快速升高從而造成儀表等設(shè)備損壞。在熱源設(shè)備低負(fù)荷穩(wěn)定運行期間，貫流風(fēng)機停止運行，上下百葉閉合，此時墻體空腔為密閉腔體，紫銅板通過輻射換熱提供冷量。通過對送風(fēng)風(fēng)量的控制，可靈活控制墻體對流換熱與輻射換熱量的比例，防止熱量向工作區(qū)域擴散，擁有優(yōu)秀的隔熱降溫性能。

2 網(wǎng)格劃分與數(shù)值方法及邊界條件

2.1 網(wǎng)格劃分

由于毛細(xì)管內(nèi)部水的流速以及溫度場變化較為明顯，同時網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響著模擬結(jié)果的精準(zhǔn)度，所以在對墻體進行網(wǎng)格劃分時，要對毛細(xì)管的網(wǎng)格劃分進行加密處理，提高計算的準(zhǔn)確度；而墻體溫度場變化較小，為了減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量，節(jié)省計算時間，所以其網(wǎng)格劃分較為稀疏。如圖2 所示，網(wǎng)格數(shù)量為150 萬時，排風(fēng)口平均溫度趨于穩(wěn)定。caseA 到caseD 網(wǎng)格數(shù)量分別為105 萬，123 萬，159 萬，180 萬，可以看出當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到159 萬時，與網(wǎng)格數(shù)180 萬溫差速度曲線基本重合，模擬結(jié)果趨于穩(wěn)定，為保證其它結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的無關(guān)性，故其它結(jié)構(gòu)模型劃分采用此劃分方法。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.2 Grid independence verification

2.2 數(shù)值方法和邊界條件

壓力-速度的耦合方式采用coupled 算法，壓力方程離散采用標(biāo)準(zhǔn)格式，湍流、動量、能量方程等選用二階迎風(fēng)格式。根據(jù)雷諾數(shù)的計算結(jié)果可知管內(nèi)流動為湍流，采用湍流模型采用對黏性底層可求解的低Re 法k-ε模型，輻射計算采用DO 模型，判斷收斂的標(biāo)準(zhǔn)為X，Y，Z 方向的速度殘差達到10-4，連續(xù)性殘差和能量殘差達到10-5。

邊界條件見表1。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

如表1 所示，進口邊界條件為速度入口，包括供水進口和送風(fēng)入口；墻體側(cè)面和上下表面為絕熱邊界；進排風(fēng)口作為黑體；考慮到輻射影響位于模型計算區(qū)域外（環(huán)境），故定義墻體外表面使用混合熱邊界條件。由于該模型用于對高溫?zé)嵩吹母魺峤禍?，故考慮高溫?zé)嵩磳w內(nèi)表面的影響，故定義內(nèi)表面為熱流密度作為其邊界條件［13-20］，熱流密度設(shè)為350 W/m2。

2.3 模擬結(jié)果驗證

合理簡化物理模型、準(zhǔn)確設(shè)置數(shù)值模型和邊界條件是保證數(shù)值模擬結(jié)果正確的關(guān)鍵，為保證本文數(shù)值模擬結(jié)果的合理性與可靠性，本文以整體尺寸及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與本文研究對象相似的某一換熱器為驗證模型，采用本文所確定的模型簡化、網(wǎng)格劃分方法，及選用的數(shù)值模型、邊界條件處理方式，通過數(shù)值模擬結(jié)果與驗證模型現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的對比，從而對本文數(shù)值模型及邊界條件設(shè)置的正確性進行驗證。

由圖3 可以看出，采用本文數(shù)值模擬的方法對文獻［22］中換熱器排風(fēng)口溫度進行模擬，將模擬結(jié)果與該文獻的實測值的進行數(shù)據(jù)對比。模擬排風(fēng)溫度與實測排風(fēng)溫度相對誤差在4%以內(nèi)，通過數(shù)據(jù)對比驗證了本文模擬方法的正確性，為后文對隔熱降溫墻體性能的模擬分析提供了保障。

圖3 試驗與模擬數(shù)據(jù)對比Fig.3 Comparison of experimental and simulated data

3 正交結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 因素選取

管路中心距、空腔厚度、保溫層厚度3 個結(jié)構(gòu)參數(shù)為重要影響因素，對每個因素設(shè)置3 個水平。由于市場上常見的貫流風(fēng)機的直徑最小為50 mm，空腔設(shè)置水平為60，80，100 mm；管路中心距在120 mm 附近設(shè)置水平；保溫層厚度設(shè)置水平為30，60，90 mm。設(shè)計3 因素3 水平正交試驗表，將各因素不同水平組合搭配，得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的墻體，對其流動換熱進行數(shù)值模擬，得到各因素對墻體隔熱和供冷性能的影響趨勢，并挑選最優(yōu)方案，實現(xiàn)對隔熱降溫墻體的優(yōu)化。表2 為因素正交排列。

表2 因素正交排列Tab.2 Orthogonal array of factors mm

3.2 正交試驗安排

表3 為L9（34）正交安排，表4 為正交試驗結(jié)果。

表3 L9（34）正交安排Tab.3 L9（34）orthogonal array

表4 正交試驗結(jié)果Tab.4 Orthogonal experimental results

4 模擬結(jié)果分析與驗證

作正交試驗結(jié)果分析可以采取極差分析法和方差分析法。極差分析法簡單易行，且直觀易懂，計算工作量少，但對于試驗過程中試驗因素水平改變還是試驗誤差引起的試驗結(jié)果的波動，極差分析不能將其區(qū)分開來。方差分析法計算較復(fù)雜，但是可以估算試驗各因素和誤差對試驗結(jié)果的影響，并判斷所考察因素作用的顯著程度。對于顯著因素選取優(yōu)水平并在試驗中加以嚴(yán)格控制，對于不顯著因素，可視具體情況確定優(yōu)水平。為了綜合兩種分析方法的優(yōu)點，彌補兩者的不足，本文通過極差分析與方差分析相結(jié)合的方式對正交試驗進行分析驗證。

4.1 極差分析

本次正交試驗設(shè)計選擇L9（34）正交表安排3 個因素，每個因素包含3 個水平數(shù)，每個因素水平參與試驗次數(shù)也為3 次，總共試驗9 次。A，B，C 列為因素列，e 列為誤差校驗列。表5 為墻外側(cè)壁面溫度和墻體供冷量極差分析及優(yōu)化方案。

表5 墻外側(cè)壁面溫度和墻體供冷量極差分析及優(yōu)化方案Tab.5 Analysis of the extreme difference between the temperature of the outer wall surface and the cooling capacity of the wall and the optimization plan

Ki表示任一列上因素取水平i 時所取得試驗結(jié)果的算數(shù)平均值；R 稱為極差。如表5 所示，極差R 為因素主要順序確定的主要依據(jù)，對因素的極差比較分析，得到的各因素極差可以排列出各因素對墻外側(cè)壁面溫度與供冷能力影響大小的順序。各因素對墻外側(cè)壁面溫度影響大小的順序：空腔厚度＞管路中心距＞保溫層厚度；各因素對墻體供冷量影響大小的順序：管路中心距＞空腔厚度＞保溫層厚度。由表5 可以看出，根據(jù)評價指標(biāo)的特性，優(yōu)方案應(yīng)分別取各因素最小和最大K 值對應(yīng)的水平，墻外側(cè)壁面溫度最優(yōu)方案為A1B1C3，墻體供冷量最優(yōu)方案為A1B1C3。

4.2 方差分析

式中 SSj——第j 列所引起的離差平方和。

即總離差平方和可以拆分成各列離差平方和之和。

試驗誤差平方和：

式中 Fj——第j 個因素的F 檢驗值；

式中 MSe——試驗誤差的均方。

4.2.5 顯著性檢驗

首先從F 表中查出F 臨界值，F(xiàn)0.1（2，2）=9；F0.05（2，2）=19；F0.01（2，2）=99。

若Fj＞F0.01（dfi，dfe），因素對試驗結(jié)果的影響非常顯著，記作***；

若F0.01（dfi，dfe）＞Fj＞F0.05（dfi，dfe），因素對試驗結(jié)果有顯著影響，記作**；

若F0.05（dfi，dfe）＞Fj＞F0.1（dfi，dfe），因素對試驗結(jié)果有影響，記作*；

若Fj＜F0.1（dfi，dfe），因素對試驗結(jié)果無顯著影響，不做標(biāo)記。

墻外側(cè)壁面溫度方差分析結(jié)果見表6。從方差分析表6 中可以看出，F(xiàn)A、FB都大于 F0.01（2，2）=99 臨界值，所以空腔厚度B、管路中心距A 具有極其顯著性，且FB值最大，即空腔厚度B 對墻外側(cè)壁面溫度的影響最為顯著。對墻體隔熱性能影響大小的因素依次為B＞A＞C，這與極差分析法保持一致。墻體供冷量方差分析見表7。

表6 墻外側(cè)壁面溫度方差分析Tab.6 Variance analysis table of temperature on outer wall surface

表7 墻體供冷量方差分析Tab.7 Variance analysis of wall cooling capacity

通過比較MS 值的大小，因素C 均方值MSC＜MSe誤差均方值，這說明了因素C 對墻體供冷量影響較小，看做次要因素，將它歸入誤差。如表7 所示，只有FA大于F0.01（2，4）=18 臨界值，所以A 因素對墻體供冷的影響非常顯著；B，C 兩個因素的F 值小于F0.1（2，4）=4.32，因素B，C 對墻體墻體墻體供冷量無顯著影響。而B 因素F 值大于C 因素F 值，故對墻體供冷性能影響大小的因素依次為A＞B＞C，與極差分析法相吻合。

5 結(jié)論

（1）通過建立正交試驗設(shè)計，可以快速找出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，大大減少了試驗或模擬工作量，提高了模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化效率和性能分析速度，為外圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計提供了新的思路和方法。

（2）設(shè)計了一種用于高溫?zé)嵩吹男滦蛪w，該墻體內(nèi)部為開式空腔，腔內(nèi)側(cè)安裝有s 型毛細(xì)管。本文將空氣夾層和輻射冷卻系統(tǒng)結(jié)合，通過對管中心距、空腔厚度和保溫層厚度的調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)對高溫?zé)嵩吹母魺峤禍亍?/p>

（3）各因素對墻外側(cè)壁面溫度影響大小的順序：空腔厚度＞管路中心距＞保溫層厚度；各因素對墻體供冷量影響大小的順序：管路中心距＞空腔厚度＞保溫層厚度。空腔厚度和管路中心距對墻外側(cè)壁面溫度影響非常顯著，其中空腔厚度對墻外側(cè)壁面溫度影響最為明顯，保溫層厚度對墻外側(cè)壁面溫度無顯著影響；管路中心距對墻體供冷量非常顯著，空腔厚度和保溫層厚度對墻體供冷量無顯著影響。

（4）通過正交試驗對墻體部分結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以墻外側(cè)壁面溫度和墻體供冷量作為指標(biāo)，并結(jié)合其經(jīng)濟性，最終確定結(jié)構(gòu)參數(shù)管路中心距100 mm，空腔厚度60 mm，保溫層厚度30 mm。