設備機房大溫差送風系統仿真研究

李冬冬，李棟，孟昭男，張鵬?，陳紅超

(1-中船重工第七〇一研究所，上海 201108；2-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240)

0 引言

大溫差送風是一種不同于常規溫差送風的新型送風方式，近年來得到了迅速發展。常規溫差送風的送風溫度一般在13 ℃～16 ℃，而大溫差送風的送風溫度一般在4 ℃～10 ℃[1]。大溫差送風可以在滿足室內溫度要求的條件下減小送風量，從而減少空調系統送風設備的能耗[2]。同時，大溫差送風系統的供水溫度更低，供回水溫差更大，可以通過減少冷凍水流量有效降低水泵的能耗[3]。對于有人員工作生活的房間，大溫差送風可以減小吹風感，提升房間的舒適性。因此，大溫差送風技術已經在工廠廠房、實驗室、公共交通、艦船等方面得到了應用[4-9]。

但是，大溫差送風也存在一些缺點和不足。最主要的缺點就是由于大溫差送風的送風量較小，容易導致房間內溫度分布不均勻。對于冷負荷較大的房間，如果不能合理安排送風方式，使用大溫差送風會導致房間內的溫度不均勻性更加明顯。此外，大溫差送風方式的送風溫度過低，送風口附近的空氣會被迅速冷卻，極易產生凝露現象。凝露現象不僅影響電子設備的正常工作，還會滋生細菌，影響人的身體健康。為避免凝露現象，大溫差送風空調通常采用新回風混合送風的方式，即讓來自制冷機的新風先進入混合箱，在混合箱內與來自房間的回風混合后送入室內。這種送風方式可以使送入室內的混合風具有較大的送風速度和較高的送風溫度，避免房間內空氣局部溫度迅速降低，杜絕凝露現象的產生。

目前，已有很多國內外研究者對大溫差送風技術進行了研究。有研究者實驗研究了大溫差送風空調系統在使用不同類型送風末端時的特性[10-12]。結果發現，合理設計送風末端可以使溫度較低的新風和室內空氣迅速混合，取得較好的室內溫度均勻性。此外，還有研究者采用CFD計算方法對大溫差送風系統的性能進行數值模擬[13-17]：對在大溫差送風空調系統條件下的室內溫度分布和空氣流場進行數值模擬，并對不同送風參數下的結果進行對比分析，為室內大溫差送風空調系統的設計和優化提供了依據。有研究以實際建筑為研究對象，對大溫差送風空調系統的能耗和成本進行了分析[18]。分析結果顯示，相比于常規空調送風系統，使用大溫差送風空調系統，設備投資可以減少約20%，系統工作能耗可以減少40%。

隨著電子集成技術的發展，設備機房內設備的發熱量越來越大，如變電站、通信機房、數據中心等。大功率發熱設備布置在房間內，形成了一個高熱流密度空間，空間內的散熱就成為一個重要問題。高熱流密度空間的空調系統，往往需要更大的送風量，采用大溫差送風方式可以充分發揮其小送風量的優勢，有效降低空調系統的能耗。此外，在設備機房內設置大溫差送風空調系統，還能減少制冷機組、風機、水泵、風管等設備的體積，有效節約建筑空間。

為了研究大溫差送風的散熱效果和適用范圍，本文設計了兩種不同結構的設備機房，以這兩個房間為研究對象，對常規溫差送風和大溫差送風兩種送風方式進行數值模擬，分析不同送風方式下房間的溫度分布和空氣流動情況，對比兩種送風方式在兩個設備機房內的散熱效果。

1 數值計算模型

1.1 設備機房和空調系統布置

如前文所述，相比于常規溫差送風，大溫差送風的送風量較小。為研究送風量小是否會對設備機房的散熱效果產生影響，本文設計了兩種不同結構的房間。第一種房間的結構和設備布置方式較為簡單，稱為“簡單房間”；第二種房間的的結構和設備布置方式較為復雜，稱為“復雜房間”。

簡單房間的形狀和設備布置如圖1所示。房間的形狀近似為長方形，長11.8 m，寬4.2 m，高2.6 m，房間的總發熱量為36 kW。房間內有3個設備，高度均為2 m，其中2個為發熱設備。兩個發熱設備的尺寸相同，長 9.3 m，寬 1.3 m，發熱功率均為18 kW，平行排布于房間內。房間內有兩個制冷功率為20 kW的空調柜機，分別放置在房間的兩端(在圖中用AC表示)。同時，為保證房間內部溫度分布均勻，送風方式采用風管送風，每個空調柜機均設置了6個送風口，送風口尺寸均為300×200 mm，送風方向均為斜向下，與豎直方向成 30°?；仫L口位于空調柜機的下部，尺寸為 400×425 mm?？紤]到房間內熱負荷的不均勻性，每個送風口的送風量并不相同，位于房間中間風口的送風量較大，位于艙室邊緣風口的送風量較小。

復雜房間的形狀和設備布置如圖2所示。復雜房間整體近似為梯形，長邊長 11.5 m，寬 6.2 m，高2.6 m，房間的總發熱量為18.84 kW。房間內共有11個設備，所有設備高度均為2 m，其中6個為發熱設備。房間內設備布置較為復雜，其中發熱量最大的設備為L形設備，兩條邊的長分別為4.5 m和4.2 m，寬為1 m，發熱功率為10 kW。在房間的角落處放置了兩個制冷功率為 10 kW 的空調柜機(在圖中用AC表示)。與簡單房間的送風方式相同，每個空調柜機設置了 4個送風口，送風口尺寸為300 mm×200 mm，送風方向均為斜向下，與豎直方向成 30°，每個風口的送風量并不相同。回風口位于空調柜機的下部，尺寸為300 mm×400 mm。

圖1 簡單房間數值計算模型示意圖

圖2 復雜房間數值計算模型示意圖

1.2 送風參數和邊界條件

對兩個設備機房，分別設計了常規溫差送風和大溫差送風兩種送風方式。兩種送風方式保證空調系統的總制冷量相同，具體送風參數如表1和表2所示。設備機房內所有設備和空調柜機均放置于地面。發熱設備的發熱方式考慮為體內熱源，熱量通過除底面外所有的外表面傳遞到房間內。由于設備機房少有人員進入，房間的門窗為常閉狀態，因此兩房間的門窗在數值模型中均被忽略。由于設備機房的墻壁較厚，并具有保溫功能，因此忽略機房與外界的熱量交換，設備機房的墻壁、天花板和地板的邊界條件均設置為絕熱。

表1 簡單房間送風參數

表2 復雜房間送風參數

1.3 網格劃分和計算參數設置

本文根據計算流體力學和數值傳熱學的相關原理，采用標準k-ε湍流模型作為物理模型，對兩個設備機房的空調送風情況進行數值模擬計算。對兩個設備機房的空氣區域和發熱設備區域劃分了網格，網格為四面體網格，3個方向的最大網格尺寸為0.1 m。簡單房間的網格數為1,875,008，復雜房間的網格數為2,186,958。計算方式為穩態計算，當連續性方程、動量方程的殘差小于10-4，能量方程的殘差小于10-8且房間內空氣溫度不隨迭代步數而變化時，可視為計算收斂，計算過程結束。

2 數值仿真結果分析

在計算中，將發熱設備視為實心均勻體熱源，忽略發熱設備的內部結構，也不考慮設備發熱不均和內部散熱器對設備溫度的影響，設備內部的溫度分布與實際情況差距較大。因此，只對房間內空氣的溫度分布和空氣流動情況進行對比和分析。為保證設備能正常工作，設備機房內空氣的平均溫度應該保持在30 ℃左右，且房間內溫度的分布應盡量均勻。

2.1 簡單房間的溫度分布和空氣流動情況

在常規溫差送風工況下，房間空氣平均溫度為30.43 ℃；在大溫差送風工況下，房間的空氣平均溫度為32.70 ℃，約有2 ℃的差距。簡單房間在高度為1 m截面處的溫度分布如圖3所示。由于采用風管送風，房間內的溫度水平方向分布比較均勻，兩發熱設備之間的過道處于送風口的直吹區域，大部分區域的空氣溫度在 30 ℃以下；設備兩端的區域距離送風口較遠，空氣溫度也能控制在35 ℃以下。

圖3 簡單房間高度1 m截面處溫度場分布圖

為了更直觀地對比常規溫差送風和大溫差送風的空氣溫度，需要對簡單房間某些位置的溫度進行監測，監測點的位置如圖 4(a)所示。其中，a-d監測點位于房間的過道區域，e監測點位于發熱設備與墻壁間隙處，每個監測點的高度均為1 m。兩種送風方式下不同監測點的空氣溫度如圖4(b)所示，對于房間過道區域，不論采用哪種送風方式，過道中心處（b、c監測點）的溫度都要略低于過道兩端（a、d監測點），但兩者差異不大，說明房間的溫度均勻性較好。使用大溫差送風后，a-d監測點的溫度要略高于常規溫差送風，不過仍能滿足散熱要求?？疾彀l熱設備與墻壁間隙處的高溫區域，在兩種送風方式下，e監測點的溫度都明顯高于其他位置，其中大溫差送風的溫度更高，達到了 40 ℃以上。這主要是因為間隙處空氣流動不暢，具體原因將在后面進行分析。綜上所述，對于簡單房間，在保證房間內空氣溫度達到要求的情況下，可以使用大溫差送風的方式，通過降低送風溫度，減小空調機柜的送風量，有效減小送風系統的體積，并節省送風功率。

簡單房間在兩個送風工況下的空氣流線如圖 5所示，空氣流線的疏密可以代表空氣流動性的好壞。從圖中可以看出，房間內過道處和發熱設備上方的空氣流動性很好，這兩個區域的空氣溫度較低；而發熱設備與墻壁間隙處的空氣流動性較差，形成了局部高溫區域。當采用大溫差送風時，發熱設備與墻壁間隙處的空氣流動情況更加惡化，因此該區域的空氣溫度明顯高于常規溫差送風，這也是大溫差送風情況下室內平均溫度較高的原因。總體而言，兩種送風方式下房間內的空氣溫度分布基本相同，只要對間隙處的局部高溫區域采取特殊處理措施，就能保證設備在適宜的環境溫度下工作。

圖4 簡單房間不同位置的監測點溫度

圖5 簡單房間空氣流線圖

2.2 復雜房間的溫度分布和空氣流動情況

在常規溫差送風工況下，房間的空氣平均溫度為28.02 ℃；在大溫差送風工況下，房間的空氣平均溫度為29.18 ℃，約有1 ℃的差距。復雜房間在高度為1 m截面處的溫度分布如圖 6所示。從圖中可以看出，與簡單房間的情況不同，雖然復雜房間也采用風管送風，但房間內空氣溫度在水平方向的分布并不均勻。以 L形發熱設備為界，分為內外兩個溫度區域。L形設備外側區域的溫度較低，空氣溫度基本在25 ℃以下；L形設備內側區域的溫度較高，溫度基本在 30 ℃以上。復雜房間的局部高溫區域也都出現在L形設備內側區域，一個是L設備的內側拐角處附近，另一個是房間右下角發熱設備附近。這兩個地方的空氣流動性很差，發熱設備產生的熱量很難被帶走，空氣的最高溫度可以達到50 ℃～60 ℃。

與簡單房間一樣，在復雜房間內也選取五個監測點，監測點的位置如圖 7(a)所示。其中，a、b監測點位于 L形設備的外側，c、d、e監測點位于 L形設備的內側，每個監測點的高度均為1 m。兩種送風方式下不同監測點的空氣溫度如圖 7(b)所示，不論采用哪種送風方式，L形設備內側的空氣溫度（c、d、e監測點）都明顯高于外側（a、b監測點），說明房間內溫度均勻性不好。使用大溫差送風后，L形設備的內外側溫差更大，房間的溫度均勻性也更差。考察復雜房間的兩個局部高溫區域，常規溫差送風條件下，L形設備拐角處（c監測點）和房間右下角發熱設備附近（e監測點）的空氣溫度均為36 ℃左右；大溫差送風條件下，兩個高溫區域的空氣溫度分別升高至 40 ℃和 42 ℃。綜上所述，大溫差送風條件下，由于送風量和送風速度較小，會導致室內空氣溫度的不均勻性變得更加明顯，局部高溫區域的空氣溫度更高。高溫環境將對設備的正常工作產生嚴重影響，因此對于復雜房間，大溫差送風的散熱效果明顯不如常規溫差送風。

復雜房間在兩個送風工況下的空氣流線如圖 8所示，空氣流線的疏密可以代表空氣流動性的好壞?？梢钥闯?，L形設備內側的空氣流動明顯弱于外側。而且在內側流動的的空氣中，大部分都是在設備上方流動，真正起到散熱作用、在發熱設備之間流動的空氣很少。這種情況在大溫差送風的情況下體現得更為明顯。從圖 8(b)可以看出，大溫差送風情況下，L形發熱設備內側拐角處幾乎沒有空氣流動，造成了該區域的局部高溫。復雜房間內的設備較多且放置雜亂，房間內的空氣流動受到設備的阻礙較大，容易形成散熱死角和局部高溫區域。在這種情況下使用大溫差送風會使局部高溫區域的情況惡化，其散熱效果明顯不如常規溫差送風的情況。

圖6 復雜房間高度1 m截面處溫度場分布圖

圖7 復雜房間不同位置的監測點溫度

圖8 復雜房間空氣流線圖

2.3 數值仿真結果總結

根據數值仿真得到兩個房間的溫度分布和空氣流動情況，可以發現大溫差送風系統在兩個房間的散熱效果完全不同，如表3所示。

表3 設備機房散熱情況

使用大溫差送風后，設備機房的溫度都略有上升。但如果考察房間的溫度均勻性，使用大溫差送風后，簡單房間的溫度均勻性仍然較好，大部分區域的溫度能保持在 30 ℃以下；復雜房間的溫度均勻性明顯變差，L形設備內部區域可達到 40 ℃～50 ℃，這顯然不能滿足設備的工作要求。這說明，在設備布置較為簡單、空氣流動性較好的房間，大溫差送風方式可以滿足設備散熱的需求，發揮其節能、節省空間的優勢；但對于設備布置較為復雜，空氣流動性較差的房間，大溫差送風風速較小的缺點就凸現出來，造成房間內溫度分布不均勻。大溫差送風溫度不均勻的問題可以采用一些措施進行緩解，比如更加合理地設置風管和風口的位置，加強房間內不同位置的空氣循環流動；還可以采用一些局部高溫處理方法，在溫度較高的區域專門設置散熱或制冷設備，降低該區域的溫度。

3 設備機房局部高溫區域處理方法

由于艙室空間和設備布置的限制，僅用空調送風的方式，設備機房內很容易形成局部高溫區域。因此在空調送風的基礎上，還需要采取一些措施對局部高溫區域進行處理。簡單房間的局部高溫區域出現在兩個設備與墻壁的間隙處，該處空間過于狹窄，從送風口送出的空氣很難到達，導致空氣流動不暢。針對這種情況，可以在間隙處的一端設置風機或風扇，加強設備與墻壁之間的空氣流動。復雜房間的局部高溫區域出現在兩處，一處是L形設備的拐角內側，另一處是位于房間右下角發熱設備的周圍。這兩個區域位于設備或房間的角落處，不容易形成空氣流動的通路，易形成散熱死角，使用風機或風扇很難達到良好的散熱效果。在這種情況下，可以在該區域安裝換熱器（如熱管換熱器），將局部高溫區域的熱量通過換熱器傳遞到室外或室內的開闊區域。此外，針對復雜房間空氣溫度分布均勻性較差的情況，可以采用新回風混合的方式進行送風，通過增大送風量的方法使室內的溫度分布更加均勻。

4 結論

本文以兩個不同結構的設備機房作為研究對象，依照實際尺寸建立三維幾何數值模型。應用標準湍流模型作為物理模型，分別采用常規溫差送風和大溫差送風兩種送風方式，對房間內的溫度分布和空氣流動進行數值模擬計算，得到以下結論。

1）在相同的空調柜機制冷量下，相比于常規溫差送風，大溫差送風情況下房間頂部的空氣溫度稍低，房間底部的空氣溫度稍高，空氣溫度分布縱向的均勻性稍差。

2）對于設備較少且布置方式比較整齊的房間，房間內的空氣流動性較好，使用大溫差送風可以達到與常規溫差送風相同的效果；但對于設備較多且布置雜亂的房間，房間內的空氣流動受到極大阻礙，容易形成散熱死角和局部高溫區域，在這種情況下使用大溫差送風會使局部高溫區域的情況惡化，散熱效果明顯不如常規溫差送風的情況。

3）對于房間內出現的散熱死角和局部高溫區域，可以采用增加送風口、設置換熱器等措施進行處理。對于采用大溫差送風后房間溫度均勻性較差的情況，可以使用新回風混合的方式，通過增大送風量的方法使室內溫度分布變得均勻。