動車檢修庫無罩引風系統性能研究

陳 方，廖義德，郭 敏，談文鑫，鄒軍軍

(武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

動車基地的檢修庫可對多輛動車組同時進行拆裝和檢修，動車組在進庫檢修的過程中，其變電柜和空調裝置是處于工作狀態的，散熱器通過兩個熱風出口向外排出45 ℃左右的熱空氣，其排量之和約為6 000 m3/h，而通常一列動車組有16節車廂，熱風總排量高達96 000 m3/h.在炎熱的夏季，當動車組數量增多時，庫內氣溫將非常高，即使采用空調制冷措施也難以有效控制庫內氣溫，給檢修工作帶來不利.

1 無罩引風系統原理

1.1 系統簡介

無罩引風系統如圖1所示，動車組排氣口與地面的垂直距離為1.2 m，排出的熱空氣吹向地面，通過在地面創建對應吸氣口(與排氣口錯位0.4 m左右)并在內部安裝風機，從而達到排出熱空氣、通風散熱的目的.

圖1 無罩引風系統示意圖

1.2 射流理論分析

排氣口排出熱空氣屬于氣體紊動射流，由于存在速度不等的間斷面，周圍靜止的氣體會被卷入射流，并因獲得動量而隨原射流向前流動，而熱空氣速度則會衰減，并形成一定的速度梯度，這稱為卷吸作用，結果導致射流斷面不斷擴大，流速不斷降低，流量因周圍空氣的卷入而沿程增加，需要加大吸氣能耗才能保證通風效果.

1.3 通風原理

利用房屋內外的壓力差增加空氣流動是一種較為普遍的房屋換氣原理：既可使屋內氣壓相對屋外較低(即產生負壓)，則屋內熱空氣會被吸走；也可使屋內氣壓相對屋外較高(即產生正壓)，如向屋內吹風以吹散熱空氣，使混合后的空氣從門窗縫隙溢出，但由于檢修庫內部空間巨大，采用這種方法能量消耗大且效果不好，若在熱空氣與庫內空氣混合前就將其單獨引走，引風量和能量消耗就會減少很多，因此可在吸氣口處安裝風機，當熱空氣被引至吸氣口時利用風機產生的壓差將其排出[1].

引風存在有罩和無罩兩種方案.有罩方案利用吸氣罩和管道引導熱空氣，但管道連接會對檢修工作產生影響，且動車組隨機停車時排氣口與管道的錯位補償問題也難以解決；無罩方案則利用氣體動能和吸氣口的壓差引導熱空氣，因此，不會影響檢修工作，但由于卷吸作用的存在，風機需要消耗更多的能量[2].

2 Fluent仿真

2.1 仿真目的

無罩引風方案優缺點并存，因此整個系統的通風效果和能量消耗就成為主要研究內容，由于還沒有較為完善的理論計算方法，因此采用目前常用的Fluent軟件對其進行建模和仿真[3].

2.2 仿真參數與模型

已知排氣口流量為0.833 m3/s，面積為0.16 m2，利用Fluent6.3[4-5]對系統建立2D仿真模型并劃分網格：由圖1可知，略去車輪和檢修軌道，在車身輪廓和地面之間建立內部充滿空氣的密閉空間，排氣口為速度進口，吸氣口為出口，地面與車身輪廓的邊界條件設為wall，左右兩邊界因敞開環境而設為outflow，得到圖2.

圖2 仿真模型及網格劃分示意圖

2.3 仿真結果分析

以排氣口排出的熱空氣速度為初始化條件，設定不同的吸氣口壓差和尺寸，得到仿真結果，整體速度矢量圖如圖3所示，吸氣口速度矢量圖如圖4所示，吸氣口速度分布圖如圖5所示.

從圖3可看出，大部分熱空氣被順利引至吸氣口.

從圖4可看出，吸氣口處的熱空氣由風機產生的壓差排出.

圖5顯示了吸氣口速度分布情況，取其平均值作為吸氣口氣體流速.

2.3.1 吸氣流量與能量消耗隨壓差變化情況 當吸氣口尺寸固定為0.24 m2時，分別設定壓差為500 Pa、700 Pa、900 Pa和1 100 Pa，計算得到吸氣口流量值和能量消耗功率，如表1和圖6所示.

圖3 整體速度矢量圖

圖4 吸氣口速度矢量圖

圖5 吸氣口速度分布圖

表1不同壓差下吸氣口流量與能耗對比

Table 1 Deviation of air flow and energy consumption with differential pressure

吸氣口壓差/Pa5007009001 100吸氣口流量/m3·s2.142.322.622.93能量消耗功率/kw1.071.632.353.22

圖6 吸氣口流量與能量消耗功率隨壓差變化圖

由圖6可見，當壓差增大時，吸氣流量隨之增加，但能量消耗增加得更快，因此需要選擇合適的壓差.

2.3.2 吸氣流量與能量消耗隨尺寸變化情況 當吸氣口壓差固定為700 Pa時，分別設定其寬度為0.2 m、0.3 m、0.4 m和0.5 m，長度0.8 m保持不變，計算得到吸氣口流量值和能量消耗功率，如表2和圖7所示.

圖7 吸氣口流量與能量消耗功率隨尺寸變化圖

由圖7可見，當吸氣口尺寸增加時，吸氣流量會增加較快，而能量消耗的增加卻較為緩慢，這是一種較為節能的增加流量的方法，但需綜合實際情況而定.

表2 不同尺寸下吸氣口流量與能耗對比

總體上看，隨著壓差和吸氣口尺寸的增加，吸氣流量會越來越大，通風效果將更加明顯，但能量消耗也在同時增大，合理選擇吸氣口尺寸和壓差才是保證無罩引風系統達到高效、節能的關鍵.

3 無罩引風排熱實驗

3.1 實驗目的

通過實驗室內的氣溫變化情況驗證無罩引風系統的實際效果.

3.2 實驗裝置

無罩引風排熱實驗裝置如圖8所示.

圖8 無罩引風排熱實驗裝置

空調排風口尺寸為420×250 mm2，熱風速度2.9 m/s，熱風功率8.4 kw；

引風機風管尺寸為340×340 mm2，引風量1 635 m3/h，風壓500 Pa，電機功率0.37 kw.

3.3 實驗內容

實驗室空間尺寸為4 300×1 600×2 800 mm3，初始氣溫11.3 ℃，將空調排風口設在距離引風機吸氣口1 m，錯位0.4 m的位置，先開啟空調不開引風機，記錄一小時內實驗室氣溫隨時間的變化，得到數據1；關閉空調，待室內氣溫恢復至自然狀態后再同時開啟空調和引風機，記錄一小時內實驗室氣溫隨時間的變化，得到數據2.將兩組數據進行對比如表3和圖9所示.

表3 引風機開啟與關閉時室內溫度的對比

圖9 引風機開啟與關閉時的室內溫度變化圖

3.4 實驗結論

從以上數據可看出，引風機關閉時室內氣溫上升幅度較大，1 h內上升了10 ℃左右；而開啟引風機后室內氣溫在1 h內僅增加4 ℃，并趨于穩定，這直觀地說明無罩引風系統具有良好的排熱降溫性能.

4 結 語

a.無罩引風系統具有良好的排熱降溫性能，但相比有罩系統其能量消耗較大.

b.隨著壓差和吸氣口尺寸的增加，吸氣流量和能量消耗也隨之增大.壓差增大時能量消耗增幅明顯，而適當增加吸氣口尺寸既可保證流量，也不會使能量消耗增加過多.因此,需要根據實際情況合理選擇壓差和吸氣口尺寸，保證無罩引風系統的高效和節能.

參考文獻：

[1] 黃雪,張慎言. 地下汽車庫通風系統和防排煙設計[J].暖通空調,2002(5):66-67.

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[4] 郭敏. 基于煙囪效應的地下建筑通風系統研究[J].武漢工程大學學報,2010，32(11):85-87,90.

[5] 常玉鋒，陳鋒. 排煙方式對火場人員疏散影響的數值模型[J].武漢工程大學學報,2010, 32(9):46-49.