某機加工車間空調設計的優化

楊勇

中船第九設計研究院工程有限公司

0 引言

目前，對于有溫濕度要求的高大廠房，其空調系統普遍才用了水平側送的分層空調方式，以實現既保證工作區空調要求，又減少空調能耗[1]。同時，在工業廠房中，由于眾多的工業管道及行車運行的工藝要求，分層空調一般采用噴口側送的無風道送風形式。

本文對于無錫某機加工車間空調系統設計的落地式射流柜機無法滿足現場安裝尺寸要求的情況，將落地式改為吊裝式射流機組，同時，在吊裝射流機組后端連接豎向風管并在低位設置回風口，使就近區域的人員處于空調回流區域。本文為確定合適的吊裝高度以滿足人員區域溫度及風速要求，利用 CFD 數值模擬方法分別對這兩種吊裝高度下的設計方案進行氣流組織分析，并通過分析對比，得到滿足設計要求的空調方案。

1 模型及邊界條件

該機加工車間空調溫度要求為制冷季 20～30 ℃，制熱季 14 ℃～30 ℃。要求人員工作區域末端風速在0.5 m/s 左右。單臺射流機組風量 5000 m3/h，送風速度為16.8 m/s。夏天送風溫度為15.5 ℃，冬季送風溫度為37.5 ℃。本文選擇2 個柱距的空間進行模擬，每個立柱吊掛2 臺射流機組，柱間距離9.0 m，廠房跨度21.5 m，高度11.5 m。選取的模擬范圍如圖1 中方框內所示。

圖1 機加工車間空調平面圖

本文采用Ansys 19.0 建模并進行模擬計算。單臺射流機組有2 個φ400 噴口，單個噴口額定風量2500 m3/h，回風口中心高度1.0 m，尺寸 1200 mm×800 mm。經現場調研，建立物理模型如圖 2 所示，4 為射流機組，空調氣流從1 處進入車間，從 2 處回風口經5 靜壓箱回到機組，3 處為車間的空間邊界。

圖2 射流機組安裝模型

（1）數學模型

考慮到計算精度及計算經濟性及使用范圍，湍流模型選用RNGk-ε模型[2-3]。

（2）邊界條件

計算域來流邊界按射流機組出風口，設置采用Ansys 19.0 的INLET 模塊。夏季工況下來流邊界處參考風速定16.8 m/s，出風溫度為15.5 ℃。冬季工況下來流邊界處參考風速定16.8 m/s，出風溫度為37.5 ℃。

按照傳統空調設計方法[4]，傳熱邊界條件按地面：夏季供冷工況下冷負荷148 W/m2。冬季供暖工況下熱負荷-67 W/m2。

本次模擬區域車間截面處采用了 symmetry 邊界條件。

（3）網格劃分及車間氣流組織模擬模型

Ansys 19.0 的計算網格采用 adaptive 三維網格。在計算區域采用非均勻網格。

根據模型簡化原則建立的 Ansys 19.0 空調氣流組織模擬模型如圖3 所示。

圖3 車間氣流組織模擬模型圖

2 模擬結果分析

2.1 吊裝高度3.5 m 時模型模擬分析

2.1.1 供冷工況

圖4 為模擬區域1.5 m 高度處的風速云圖。在人員活動區域內，空調末端風速普遍大于1.25 m/s，不滿足人員工作區域末端風速控制要求。

圖4 供冷時模擬區域1.5 m 處風速云圖

圖5 供冷時模擬區域1.5 m 處溫度云圖

供冷工況下，模擬區域1.5 m2高度處的溫度云圖如圖5 所示。在人員活動區內，除邊角區域由于模型的模擬精度外，90%的區域溫度在20～27 ℃之間，處于控制區間內。

2.1.2 制熱工況

圖6 為模擬區域1.5 m 高度處的風速云圖。在人員活動區域內，40%以上區域空調末端風速普遍大于0.975 m/s，不滿足人員工作區域末端風速控制要求。

圖6 制熱時模擬區域1.5m 處風速云圖

制熱工況下，模擬區域 1.5 m2高度處的溫度云圖如圖 7 所示。在人員活動區內，除邊角區域由于模型的模擬精度外，大部分區域溫度在14 ℃以上。

圖7 制熱時模擬區域1.5 m 處溫度云圖

2.2 吊裝高度4.0 m 時模型模擬分析

2.2.1 供冷工況

圖8 為模擬區域1.5 m 高度處的風速云圖。在人員活動區域內，90%以上的區域風速均在 0.6 m/s 左右，滿足人員工作區域末端風速控制要求。

圖8 供冷時模擬區域1.5 m 處風速云圖

供冷工況下，模擬區域 1.5 m2高度處的溫度云圖如圖9 所示。在人員活動區內，除邊角區域由于模型的模擬精度外，90%的區域溫度在20～27 ℃之間，處于控制區間內。

圖9 供冷時模擬區域1.5 m 處溫度云圖

2.2.2 制熱工況

圖10 為模擬區域1.5 m 高度處的風速云圖。在人員活動區內，90%以上的區域風速均在 0.5 m/s 左右，滿足人員工作區域末端風速控制要求。

圖10 制熱時模擬區域1.5 m 處風速云圖

制熱工況下，模擬區域1.5 m2高度處的溫度云圖如圖11 所示。在人員活動區內，除邊角區域由于模型的模擬精度外，大部分區域溫度在14 ℃以上。

圖11 制熱時模擬區域1.5 m 處溫度云圖

3 結論

本文利用CFD 模擬設計射流機組空調吊裝效果，分析對比了不同吊裝高度下的速度場與溫度場，得到以下結論：

1）吊裝高度為3.5 m 時，供冷工況與制熱工況下，工作人員所處區域的末端風速不滿足設計要求。

2）吊裝高度為4.0 m 時，供冷工況與制熱工況下，室內大部分區域風速在1.0 m/s 以下，90%以上風速處于0.5 m/s 左右。95%以上的區域溫度在14～30 ℃之間滿足室內設計溫度要求。即室內氣流風速、室內溫度均滿足規范的設計要求。

3）制熱工況時，可通過末端控制，適當降低室內溫度，同樣能滿足設計要求。

4）實際安裝高度可以設定為 4.0 m，回風口中心高度1.0 m。