排風(fēng)口設(shè)置對機械通風(fēng)效果影響的模擬研究

張慧潔 王立平 趙衛(wèi)平 徐世鵬

（1 國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 安徽合肥 230009 2 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 安徽合肥 230009）

0 引言

通風(fēng)是控制室內(nèi)環(huán)境的主要方式之一，由于系統(tǒng)簡單、運行經(jīng)濟(jì)等原因，在建筑中應(yīng)用廣泛。在較多熱量釋放的建筑內(nèi)進(jìn)行全面通風(fēng)是指對整個房間進(jìn)行通風(fēng)換氣，用大量的室外空氣帶走室內(nèi)散發(fā)熱量，保障室內(nèi)溫度處于合理區(qū)間。通風(fēng)效果不僅取決于通風(fēng)量的大小，還與通風(fēng)氣流組織有關(guān)。常見的全面送風(fēng)和排風(fēng)包括機械和自然2 種動力。由于單純的自然通風(fēng)散熱較難在夏季高溫條件下滿足室內(nèi)設(shè)備散熱的需求，機械通風(fēng)與自然通風(fēng)相結(jié)合的復(fù)合通風(fēng)方式在較強熱源場所中的應(yīng)用逐漸得到重視。

黃繼紅等［1］分析了工業(yè)建筑空間內(nèi)氣體流動的規(guī)律和特點，探討了適合工業(yè)建筑的氣流組織形態(tài)及其影響因素，為設(shè)計和評價工業(yè)建筑的空間氣流組織提供了理論依據(jù)。黎嬌等［2］通過CFD 模擬對某設(shè)備間的4 種通風(fēng)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，得出了4 種方案在水平和垂直方向上的溫度分布規(guī)律，比較了4 種方案的通風(fēng)效果，結(jié)果表明下送上排的氣流組織形式可以降低工作區(qū)平均溫度1.3 ℃。嚴(yán)立三等［3］以某紡織車間為例，通過降低通風(fēng)口高度在改善車間溫濕度、提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)約能源等方面取得了顯著效果。李鵬飛［4］以衡陽某核工業(yè)建筑為對象，運用Fluent 軟件對廠房內(nèi)環(huán)境氣流組織進(jìn)行優(yōu)化模擬，對負(fù)壓環(huán)境下高溫廠房通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。趙福云等［5］對熱壓通風(fēng)和機械送風(fēng)耦合的多元通風(fēng)作用下的工業(yè)廠房室內(nèi)空氣環(huán)境進(jìn)行了模擬，探討不同機械送風(fēng)壓力和送風(fēng)口位置對熱源廠房通風(fēng)效果的影響，結(jié)論表明在多數(shù)工況下送風(fēng)口位置Hs/H=0.6 時通風(fēng)效果優(yōu)于Hs/H=0.3 和Hs/H=0.9。趙建勛等［6］研發(fā)了一種基于個性化送風(fēng)的"凸"字形送風(fēng)口，可以根據(jù)不同操作者的體型改變風(fēng)口位置、送風(fēng)速度，實現(xiàn)低速送風(fēng)，保障人體處于較為舒適的環(huán)境。舒愷等［7］對變壓器室在不同運行工況下的自然通風(fēng)、機械通風(fēng)工作情況分別進(jìn)行了研究，提出了保證最佳運行效果的相關(guān)措施，為解決高溫氣候條件下變壓器室通風(fēng)降溫問題提供依據(jù)。高春艷等［8］探討了不同的送風(fēng)方式、風(fēng)機的使用對室內(nèi)變壓器散熱的影響，用空氣齡指標(biāo)對變壓器室的通風(fēng)散熱效果進(jìn)行了評價，結(jié)果表明散熱器底部風(fēng)機提高了室內(nèi)的換熱效率，改善了室內(nèi)的散熱特性。呂愛華等［9］針對數(shù)據(jù)通信機房中上送風(fēng)側(cè)回風(fēng)氣流組織方式下的數(shù)據(jù)通信設(shè)備的冷卻效果進(jìn)行試驗測試，摸清了現(xiàn)有通風(fēng)冷卻方式存在的主要問題，提出了改進(jìn)措施。

氣流組織是通過合理地布置送風(fēng)口和排風(fēng)口，使得工作區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的溫度、速度和潔凈度。合理的氣流組織不僅能夠保障通風(fēng)系統(tǒng)的運行效果還可以達(dá)到降低系統(tǒng)運行能耗的目的。通風(fēng)系統(tǒng)氣流組織的影響因素包括送風(fēng)口位置、排風(fēng)口位置、房間幾何形狀、送排風(fēng)的氣流參數(shù)等。本文以合肥地區(qū)某一設(shè)備用房為例，對自然進(jìn)風(fēng)+機械排風(fēng)系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬，在建筑條件、進(jìn)風(fēng)口設(shè)置、排風(fēng)量和設(shè)備散熱不變的條件下，模擬分析不同排風(fēng)口設(shè)置方式對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

1 物理模型

該建筑尺寸為10.0 m×7.5 m×7.5 m，室內(nèi)電氣設(shè)備長期穩(wěn)定運行，設(shè)備尺寸為6.0 m×3.0 m×3.5 m。采用自然進(jìn)風(fēng)和機械排風(fēng)相結(jié)合的全面通風(fēng)模式，進(jìn)風(fēng)口位于建筑正面，采用防雨通風(fēng)消音百葉（2×2.4 m2/個），設(shè)計狀態(tài)下排風(fēng)口位于一側(cè)側(cè)墻上，軸流風(fēng)機標(biāo)高5.5 m。夏季通風(fēng)室外計算溫度31.4 ℃，相對濕度69%，室內(nèi)設(shè)計溫度要求不高于45 ℃，設(shè)備發(fā)熱量為33 kW，通風(fēng)量7 500 m/h。為簡化模型，對該通風(fēng)過程進(jìn)行以下假設(shè)：①設(shè)備簡化為長方形，且設(shè)備發(fā)熱量均勻分布于設(shè)備表面；②室外氣象參數(shù)取最不利條件，室內(nèi)設(shè)備散熱量取設(shè)計值；③不同方案中通風(fēng)量均取設(shè)計風(fēng)量，進(jìn)、排風(fēng)口尺寸不變。

為考察排風(fēng)口位置對通風(fēng)效果的影響，在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上提出不同方案，詳見表1。

表1 不同排風(fēng)口設(shè)置方案

2 模擬結(jié)果

在建筑條件、進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)量和設(shè)備散熱不變的條件下，分析不同排風(fēng)口位置對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同排風(fēng)配置方案的溫度模擬結(jié)果

由圖1 中可以發(fā)現(xiàn)，雖然不同排風(fēng)口設(shè)置方案均能滿足最不利條件下設(shè)計要求，但通風(fēng)效果存在明顯不同。

（1）方案4 模擬結(jié)果中的熱源表面溫度最低（99.6 ℃），流場平均溫度（42.3 ℃）接近最高，結(jié)果表明方案4 的排風(fēng)口設(shè)置方案中室內(nèi)氣流能更好地帶走設(shè)備表面散熱量；

（2）方案2 和方案3 流場平均溫度均為41.9 ℃，熱源平均溫度也較為接近（101.5 ℃和101.3 ℃），設(shè)備散熱效果不如方案4。

（3）方案5 中熱源平均溫度和流場平均溫度均接近其余方案的最高值，為散熱效果最差的方案。

（4）方案1 中熱源表面溫度處于所有方案的中間位置（100.7 ℃），而流場平均溫度為所有方案中最低（41.5 ℃），表明該方案在排除熱空氣方面效果最佳。

3 結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)不同排風(fēng)口設(shè)計方案對熱源表面溫度和流場平均溫度的影響各不相同?，F(xiàn)將相近方案進(jìn)行對比分析，尋找熱源表面溫度和流場平均溫度的相關(guān)因素。

3.1 頂部排風(fēng)方案對比

方案1 和方案2 均采用頂送風(fēng)方案，排風(fēng)口位置相同，區(qū)別在于方案2 中未采用風(fēng)管排風(fēng)。頂部排風(fēng)方案縱向中心截面流場溫度、速度和空氣齡分布分別見圖2、圖3 和圖4。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，2 方案中低溫區(qū)域均分布在設(shè)備兩側(cè)，設(shè)備正上方區(qū)域溫度略高，方案1 中低溫區(qū)域覆蓋面積大于方案2，高溫區(qū)域覆蓋面積小于方案2，說明高溫氣體排除效果優(yōu)于方案2。由圖3 可以發(fā)現(xiàn)2 個方案速度大小和流場分布近似相同。圖4所示方案1 在建筑兩側(cè)上方存在明顯的空氣齡較高的區(qū)域，即有空氣在該區(qū)域滯留，根據(jù)圖2 可以發(fā)現(xiàn)滯留氣體溫度低于方案中相同區(qū)域氣體溫度，空氣齡層次分明，不存在明顯的空氣滯留區(qū)域。

圖2 頂部排風(fēng)方案縱向中心截面流場溫度分布圖

圖3 頂部排風(fēng)方案縱向中心截面流場速度分布圖

圖4 頂部排風(fēng)方案縱向中心截面流場空氣齡分布圖

3.2 單側(cè)排風(fēng)方案對比

方案3 和方案4 均采用單側(cè)排風(fēng)。方案3 為原始設(shè)計方案，排風(fēng)口接近進(jìn)風(fēng)口，中心標(biāo)高為5.5 m，方案4 排風(fēng)口偏向建筑內(nèi)部，中心標(biāo)高7 m。單側(cè)排風(fēng)方案縱向中心截面流場溫度、速度和空氣齡分布分見見圖5、圖6 和圖7。由圖5 和圖6可以發(fā)現(xiàn)，方案3 在z=5 m 的位置處流場溫度明顯低于方案4，且由于排風(fēng)口靠近進(jìn)風(fēng)口存在一定的氣流短路現(xiàn)象。由圖7可以發(fā)現(xiàn)在方案4 中，無排風(fēng)口的一側(cè)高位存在明顯的氣體滯留現(xiàn)象，空氣齡略高于方案3。

圖5 單側(cè)排風(fēng)方案縱向中心截面流場溫度分布圖（z=5）

圖6 單側(cè)排風(fēng)方案縱向中心截面速度分布圖（z=5）

圖7 單側(cè)排風(fēng)方案縱向中心空氣齡分布圖（z=5）

3.3 側(cè)墻高位排風(fēng)方案對比

方案4 和方案5 均采用側(cè)墻高位排風(fēng)，二者區(qū)別在于方案4 中排風(fēng)口位于單側(cè)墻壁，方案5 排風(fēng)口位于建筑兩側(cè)。側(cè)墻高位排風(fēng)方案縱向中心截面流場溫度、速度和空氣齡分布分別見圖8、圖9 和圖10。由圖8 和圖9 可以發(fā)現(xiàn)，方案4 與方案5 中速度大小和流場分布近似相同，流場溫度分布近似相同，方案5 中設(shè)備上方高溫區(qū)域面積大于方案4。由圖9 可以發(fā)現(xiàn)2 個方案中均存在一定的氣體滯留現(xiàn)象，方案4 中氣體滯留位置為排風(fēng)口對面墻體高位，而方案5 中則在離開排風(fēng)口位置的兩側(cè)墻體高位出均存在一定的氣體滯留現(xiàn)象。

圖8 側(cè)墻高位排風(fēng)方案縱向中心截面流場溫度分布圖（z=5）

圖9 側(cè)墻高位排風(fēng)方案縱向中心截面速度分布圖（z=5）

圖10 側(cè)墻高位排風(fēng)方案縱向中心空氣齡分布圖（z=5）

3.4 相關(guān)性分析

通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是通過低溫的室外空氣與室內(nèi)空氣混合，帶走設(shè)備運行過程中散發(fā)的熱量，設(shè)備表面平均溫度越低則說明空氣帶走設(shè)備散熱的能力越高，通風(fēng)效果越好。在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，室內(nèi)空氣平均溫度越低，則說明熱空氣排除越順暢。根據(jù)不同排風(fēng)口設(shè)置方案中各參數(shù)（詳見表2）可以發(fā)現(xiàn)，方案4 具有更高的流場平均溫度和最低的設(shè)備表面平均溫度。通過關(guān)聯(lián)性分析發(fā)現(xiàn)，流場平均溫度與室內(nèi)平均風(fēng)速之間存在極強的負(fù)相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)為-0.91），設(shè)備表面溫度與平均風(fēng)速和平均空氣齡之間均存在弱相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.34 和-0.35。利用設(shè)備表面溫度與流場平均溫度的差值可以更好地反映不同氣流組織形式的散熱效果（相關(guān)性為0.82）。

表2 不同排風(fēng)口設(shè)置方案流場參數(shù)表

4 結(jié)論

本文在建筑條件、進(jìn)風(fēng)口設(shè)置、排風(fēng)量和設(shè)備散熱不變的條件下，對某設(shè)備用房自然進(jìn)風(fēng)+機械排風(fēng)系統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬，研究不同排風(fēng)口設(shè)計方案對通風(fēng)效果的影響，得到以下3 點結(jié)論。

（1）側(cè)墻排風(fēng)（單側(cè)-高位）獲得最理想的通風(fēng)散熱效果。設(shè)備表面溫度低于其余方案1.1 ℃～1.9 ℃，室內(nèi)平均溫度亦滿足室內(nèi)計算溫度45 ℃的要求。

（2）流場平均溫度與室內(nèi)平均風(fēng)速之間存在極強的負(fù)相關(guān)性，設(shè)備表面溫度與平均風(fēng)速和平均空氣齡之間均存在弱相關(guān)性。

（3）在滿足室內(nèi)設(shè)計溫度的前提下，設(shè)備表面與流場之間的溫差可以更好地反映氣流組織形式的散熱效果，溫差越小，散熱效果越好。