密閉養殖舍開孔風道新風及散熱器供暖系統的模擬研究

肖湘靈，馬召民

（1.上海建科工程咨詢有限公司，上海 200030；2.鄭州熱力集團有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

為了降低采暖能耗，北方寒冷地區冬季畜禽養殖環境中通常采用封閉門窗的做法，由新風系統向室內供入新風，使建筑內的氣溫、風速和有害氣體濃度滿足畜禽生長性能的需求。我國中南部地區規?；笄蒺B殖建筑中，冬季采用開孔風道向建筑供入新風的方式取得了良好的應用效果。這一模式如能推廣應用到北方寒冷地區，替代目前規模化養殖舍冬季采用開放式檐口進風、吊頂上送風的新風模式，則可降低建筑的層高、增加建筑的氣密性和保溫效果，從而減少初投資和采暖能耗。但是，北方寒冷地區冬季氣溫低，為避免冷氣流直接送入畜禽活動區域，影響畜禽生長性能，需要研究新風系統與供暖設施的合理配置方式，使大型畜禽養殖建筑獲得均勻、穩定的室內溫度場。計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析[1-2]，可以不受具體條件限制，給出工程需要的數值解，該方法已被成功地用于畜禽建筑環境的模擬分析中[3-14]。

在養殖舍通風和供暖應用方面，Tomas Norton 等[15]采用CFD 對開放式檐口條件下采用自然通風的養殖舍建筑進行了研究，得出在風壓驅動條件下，帶百葉的凸肋式通風結構在通風效率和室內熱舒適性方面均優于板條式通風縫隙結構。Tomas Norton 等[16]還就不同類型農業建筑中CFD 的應用進行了比較，指出在用戶自定義程序中建立以具體環境參數為變量的生物反應函數可以提高農業建筑熱環境數值模擬的物理真實性。Olivera EcimDuric 和 Goran Topisirovic[17]對建筑一體化養殖舍通風系統進行了能效優化研究，得出數值模擬不僅可為自然通風養殖舍建筑的初期設計提供準確的開孔面積，其流場數據也可用于機械通風系統的優化。I.H.Seo等[18]采用CFD 對寒冷季節雞舍的自然通風進行了研究，提出了能改善室內熱均勻性和畜禽活動區能耗的新型雞舍，實測數據表明，根據模擬結果進行改進的雞舍可以節約30%的能源投資。對于室內溫度不均勻的養殖舍建筑，Tomas Norton 等[19]根據畜禽所在位置的環境溫度，在畜禽點傳熱模型中計入其體溫調節對對流換熱的影響，提高了畜禽對流換熱計算精度。Bjarne Bjerg等[20]采用CFD 建立了養殖舍的氨氮排放量模型，討論了將CFD 用于自然通風養殖舍設計來降低氨氮排放量時需要深入研究的相關內容。Il Swen Seo 等[21]對包含畜只和通風設備的養殖舍建立全尺寸模型進行了模擬和實驗驗證，結果表明CFD 可以用來改善通風設計，通過減少進風口面積可以獲得更好的室內熱均勻性。Tomas Norton 等[22]根據建筑和通風結構的幾何參數，采用反應曲面法和CFD 建立了預測模型，對愛爾蘭地區自然通風的養殖舍內環境均勻性進行研究，提出在給定的檐口條件下，改變建筑幾何參數可以影響舍內環境的均勻性，并為設計人員提供了參數關聯式來獲得較好的舍內環境均勻性。王小超等[23]采用CFD 對空載養殖舍的溫度場和氣流場進行了模擬，研究了在采用熱回收系統的養殖舍中送風角度對供暖效果的影響，得出有利于實現均勻溫度分布的送風角度為45o。李文良等[24]基于k-ε 湍流模型，采用FLUENT 軟件對密閉平養雞舍的進風口位置、開啟角度和風速進行了研究，獲得了有利于冷、熱空氣混合的參數組合。本文利用CFD 技術對低層高規?；B殖舍的冬季新風采暖系統進行研究，探討有利于形成均勻穩定溫度場的新風道和散熱器的配置方式。

1 模型的建立

1.1 養殖舍及新風采暖系統的幾何模型

本文研究的規?；B殖舍及新風采暖系統主要由養殖舍外圍護結構、室內新風管道、風機、散熱器和若干豬只構成。為便于進行實驗對比，模擬參數中養殖舍建筑及主要設備的幾何尺寸、安裝位置與實際工程一致。養殖舍長50m，寬15m，脊高3m，檐高1.8m；風道截面為0.5m×0.4m 的矩形，長50m，架設于山墻上，兩端進風；風道兩側沿側面中心線向上0.1m 處開設0.3m×0.05m的條縫送風口，每側29 個，間距1.7m；風機設于兩側檐墻上，每側兩臺，距地面0.45m 高，與檐墻端部相距12.5m。為簡化計算，養殖舍實際采用圓柱形串片管散熱器進行供暖，模擬中以同面積圓柱散熱器來代替；養殖舍漏縫地板以等面積原則減少了開孔數量。養殖舍結構及風道、散熱器等位置示意圖如圖1 所示。

1.2 控制方程

基于以上幾何條件和簡化假設，養殖舍內的傳熱過程為三穩非穩態傳熱，對應直角坐標下的控制方程為[25-26]：

連續性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中，ρ為空氣密度，kg/m3；t為時間，s；為速度矢量，m/s；xi為直角坐標系第i個坐標坐標，i=1，2，3；ui為三個坐標軸方向的速度，m/s；μ 為空氣的動力粘度，N·s/m2；p為空氣流微元體上壓力，Pa；Fi為第i個坐標軸方向上的體積力，N；T為溫度，℃；k為導熱系數，W/(m·oC)；cp為空氣的定壓比熱，J/(kg·oC)；ST為熱源項，W。

1.3 邊界條件和相關參數

養殖舍圍護結構外墻由24 磚磚墻和保溫聚苯板組成，漏縫地板下的地溝地面為水泥板，屋頂主要材料為外覆PVC 涂層的玻璃絲棉保溫板。根據實際測量手段和運行工況，外墻及屋頂設置為第二類邊界條件，在給定的圍護結構組成和設計條件下，外墻和屋面的自然對流換熱系數為23W/(m2·oC)[27]，室外溫度由實測確定。水泥地面設置為第一類邊界條件，取同一時間對應的典型氣象年地表溫度。散熱器材質為低碳鋼，入口水溫75oC。模擬涉及的相關材料熱工性能如表1所示。

表1 圍護結構組成材料的熱物性參數

2 模型的求解與驗證

2.1 網格劃分與求解

基于GAMBIT軟件進行幾何建模和網格劃分，為簡化計算，豬只以長、短半軸分別為0.60m×0.25m 的橢球形發熱體代替。采用標準k-ε 模型進行計算，山墻風道進風孔為進氣口邊界。檐墻風扇排風口和散熱器入口均為速度入口邊界，實際存欄豬只1000 頭，設計條件下冬季育肥舍最小通風量為10m3/（h·只）[28]，據此設置湍動能和湍動耗散率分別為k=0.0115、ε=0.0052 和k=0.007、ε=0.011，豬只散熱量取188W/只[29-30]。圍護結構外表面設置為固體壁面邊界（wall），根據冬季實際氣候特點，忽略養殖舍外表面輻射傳熱。模擬時長與實驗測試持續時間相同，設置為1h，時間步長為1m。利用FLUENT 軟件SIMPLE算法對流場和溫度場進行求解。

2.2 模擬結果驗證

為檢驗模型的正確性和有效性，將散熱器上置式運行工況下的模擬結果與同期實測數據進行了對比。實驗所用溫度采集儀器為Angilent34970A 型數據采集系統，采用直徑0.1mm 的銅-鏮銅(T 型)熱電偶測量溫度?？諝饬魉俨捎肙megaHHF-SD1 型熱線風速儀進行測量，數據采集記錄時間間隔為1m。室內共設置11 個觀測點，根據新風對室內空氣擾動程度的不同，取養殖舍中心和進、排風口的溫度，速度實驗數據與模擬值進行了對比。其中，溫度最大相對誤差為15.3%，平均誤差7.6%，速度最大誤差為37.7%，平均誤差12.4%。最大誤差均出現在觀測點B，即靠近檐墻排氣扇處。與實測數據相比，模擬結果的準確性整體在可接受范圍內，說明模型的簡化假設基本合理，可為工程應用提供一定的參考。

3 結果分析

3.1 散熱器位置對進、排風口及養殖舍中心溫度的影響

對畜只活動區不同位置的溫度變化進行了模擬研究。散熱器采取兩種布置方式：①下置式，距地面0.7m 高，分別靠近檐墻和養殖舍中部，如圖1（c）所示；②上置式，與風道送風孔同高，與送風孔水平相距0.6m，如圖1（d）所示，中心、排風和進風觀測點均距地面0.5m 高，中心觀測點位于養殖舍平面中心，排風觀測點位于室內距檐墻排氣扇0.5m 處，進風觀測點位于室內距山墻進氣口0.5m處，分別如圖1（b）中A、B、C點所示。

模擬結果表明，從送風開始到觀察點溫度趨于穩定，散熱器下置方式所需時間為20m，較上置時減少約5～10m，如圖2 所示。這是由于散熱器下置時靠近畜只活動區，直接對該區域內空氣進行對流換熱，之后熱空氣在上升過程中再與送風孔吹出的冷空氣混合，養殖舍下方始終處于相對高溫狀態，與自然對流換熱的熱流方向一致，因而整舍溫度可以較快的達到穩態；上置時室外新風通過送風孔吹向散熱器，經散熱器加熱后，與下方畜只活動區溫差減小，自然對流換熱勢差較小，因而達到穩態所需時間稍長。穩定后，散熱器下置時三個觀測點的溫度范圍為11～19oC，上置時為16～19oC，較下置時養殖舍整體范圍內的溫度梯度要小，而靠近排風口和進風口等冷氣流擾動大的區域溫度也均在17oC 以上，較下置式提高約3～4oC，如圖2（b）、2（c）所示。但在中心點處，下置式可以獲得更為有利的溫度條件，如圖2（a）所示，其穩定后的溫度較上置式提高約3oC。

圖2 不同冷氣流擾動程度下觀測點溫度變化對比

3.2 散熱器位置對畜只活動區溫度場的影響

圖3 表明散熱器在兩種不同布置方式下，養殖舍下方的豬只活動區整體上均能達到合適的溫度。散熱器下置時，畜只活動區溫度分布更為均勻，上置時畜只活動區溫度呈現兩端高中心低的趨勢。這與散熱器上置時，養殖舍上方對冷氣流形成“預熱層”，而下方依靠畜只自身產熱可以使活動區溫度維持在較高水平上，因而養殖舍內縱向溫度梯度較小，與下方畜只活動區空氣循環不良有關。

圖3 不同散熱器位置畜只活動區溫度場對比

3.3 不同散熱器位置對養殖舍內部豎向溫度分布的影響

在兩種不同的散熱器安裝位置下，養殖舍中心沿高度方向整體溫度分布如圖4 所示。散熱器下置時，養殖舍內尤其是下方畜只活動區形成了良好的溫度分層，冷、熱空氣分別位于養殖舍下方和上方，類似于理想氣流組織“活塞流”所形成的溫度場，熱空氣有效覆蓋了畜只活動區。散熱器上置時，畜只活動區未出現這種有利于自然循環的溫度分布，下層水平方向溫度梯度較大，易發生畜只冷熱不均的情況。

圖4 不同散熱器位置養殖舍豎向溫度分布

4 結論與建議

與實驗數據相比，模擬得到的溫度值的最大誤差為15.3%，平均誤差為7.6%，表明本文提出的養殖舍模型及其簡化假設較為合理，可為工程應用提供一定的參考。

達到穩定后，散熱器上置時，靠近排風口、進風口等冷氣流擾動大的養殖舍上部區域，空氣溫度均在17oC 以上，較下置式提高約3～4oC。

散熱器下置時，養殖舍內溫度達到穩定值所需時間較上置時減少5～10m；養殖舍內的空氣呈現上冷下熱的縱向熱分層，畜只活動中心區域的溫度較上置式提高約3oC，且畜只活動區水平溫度梯度較小，具有更好的熱均勻性。

④采用開孔風道的養殖舍送新風方式，在相同的新風量和熱負荷條件下，下置式散熱器可以獲得更好的熱舒適條件和更為有效的能量利用。