工位送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在汽車工廠應(yīng)用的探討

劉炬煒，張 濤，王 浩

(中國(guó)汽車工業(yè)工程有限公司,天津 300113)

0 引言

對(duì)于汽車工廠采用傳統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)方式滿足大空間內(nèi)數(shù)量不多的工作人員熱舒適性需求,通常會(huì)帶來(lái)較大的能源浪費(fèi)。為了滿足建筑空間內(nèi)每個(gè)人對(duì)環(huán)境的不同需求,降低能耗,局部通風(fēng)空調(diào)可以針對(duì)每個(gè)工作位,通過控制送風(fēng)量、風(fēng)速及送風(fēng)溫度等參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)工作區(qū)域的空氣環(huán)境,即傳統(tǒng)意義上的工位送風(fēng)空調(diào),此降溫方式在工程中被廣泛應(yīng)用。一般而言,在僅保證工作區(qū)局部微環(huán)境的前提下,采用工位送風(fēng)空調(diào)的負(fù)荷計(jì)算值應(yīng)比車間全空調(diào)負(fù)荷要小。目前對(duì)于汽車工廠的工位空調(diào)設(shè)計(jì)一般是根據(jù)工位數(shù)、工作區(qū)設(shè)計(jì)溫度、工作區(qū)溫度以及室外氣象參數(shù)等信息來(lái)進(jìn)行工位空調(diào)負(fù)荷計(jì)算。但是,在實(shí)際設(shè)計(jì)中,工位送風(fēng)口規(guī)格以及布置間距對(duì)工位降溫效果也會(huì)產(chǎn)生較大影響,當(dāng)車間工位數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)工位空調(diào)系統(tǒng)的總冷負(fù)荷不小于采用車間全空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷的情況,此時(shí)設(shè)計(jì)人員應(yīng)進(jìn)行分析權(quán)衡判斷[1-2]。

1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

1.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)搜集

通過對(duì)近些年采用系統(tǒng)式局部通風(fēng)的項(xiàng)目進(jìn)行匯總整理,結(jié)合車間功能、工藝產(chǎn)能、地域等因素考慮,選擇了夏熱冬冷地區(qū)9個(gè)比較具有代表性的生產(chǎn)車間樣本(項(xiàng)目名稱以編號(hào)代表)進(jìn)行研究,具體項(xiàng)目信息見表1。

表1 項(xiàng)目信息表

1.2 對(duì)數(shù)據(jù)搜集項(xiàng)目進(jìn)行全空氣系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷測(cè)算

根據(jù)工藝及建筑資料,取室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度28 ℃,相對(duì)濕度65%,新風(fēng)比15%,估算車間全空氣系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷,計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表2。

表2 工位空調(diào)及車間空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

1.3 數(shù)據(jù)、指標(biāo)的匯總分析

通過不斷調(diào)整室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度值,測(cè)算車間全空調(diào)負(fù)荷,使車間全空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷接近或等于工位空調(diào)冷負(fù)荷,此時(shí)的車間室內(nèi)溫度可認(rèn)為是采用工位送風(fēng)冷量可達(dá)到的車間空調(diào)平均溫度,上述9個(gè)樣本因車間功能、體量、生產(chǎn)綱領(lǐng)不同,難以直觀地進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析,因此引入每萬(wàn)平方米工位數(shù)的指標(biāo),來(lái)分析車間工位送風(fēng)可達(dá)到的車間溫度變化,計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 工位空調(diào)對(duì)應(yīng)車間平均溫度計(jì)算表

工位送風(fēng)對(duì)應(yīng)車間平均溫度與每萬(wàn)平方米工位數(shù)分布,見散點(diǎn)圖1。

從圖1中直觀發(fā)現(xiàn),僅項(xiàng)目1折算的車間全空調(diào)平均溫度低于28 ℃,說明在保證工作區(qū)溫度28 ℃的條件下,采用工位空調(diào)送風(fēng)反而比采用車間全空調(diào)需要更多的冷量。其他項(xiàng)目折算車間全空調(diào)平均溫度均大于28 ℃,說明采用車間全空調(diào)比采用工位空調(diào)送風(fēng)需要更多的冷量。

另外,通過散點(diǎn)連線發(fā)現(xiàn)崗位數(shù)與折算車間全空調(diào)平均溫度成反相關(guān),即當(dāng)車間單位面積送風(fēng)工位數(shù)越多,折算車間全空調(diào)平均溫度越低,反之越高。因此,存在一個(gè)單位面積工位數(shù)或工位數(shù)區(qū)間在達(dá)到同樣的車間工作區(qū)溫度的情況下,使得工位空調(diào)送風(fēng)負(fù)荷與采用車間全空調(diào)負(fù)荷相當(dāng)。受限于項(xiàng)目樣本數(shù)量及工藝條件的差異,無(wú)法精確統(tǒng)計(jì)崗位空調(diào)等效的車間全空調(diào)平均溫度,但從圖1可大致推斷,每萬(wàn)平方米工位數(shù)小于80個(gè)時(shí),采用工位送風(fēng)更加節(jié)能;當(dāng)每萬(wàn)平方米崗位數(shù)大于120個(gè)時(shí),車間全空調(diào)系統(tǒng)比工位送風(fēng)更加節(jié)能;當(dāng)80個(gè)≤每萬(wàn)平方米崗位數(shù)≤120個(gè)時(shí),采用工位送風(fēng)與采用車間全空調(diào)能耗接近,此時(shí)是否采用工位送風(fēng)空調(diào)還需要設(shè)計(jì)人員綜合舒適度、空氣品質(zhì)、系統(tǒng)能耗、初投資等方面做進(jìn)一步的權(quán)衡判斷[3-4]。

2 送風(fēng)口規(guī)格及布置間距對(duì)工位溫度及風(fēng)速的影響

全車間空調(diào)的送風(fēng)口設(shè)置位置和數(shù)量是根據(jù)建筑空間平面確定的,通常采用均布的方式,而工位空調(diào)的送風(fēng)口設(shè)置位置和數(shù)量是根據(jù)工位數(shù)量、工藝流水線形式來(lái)確定。實(shí)際工程中,局部通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)口設(shè)置方式是沿生產(chǎn)線布置在同一高度上,送風(fēng)直接通過側(cè)送風(fēng)口送到人員活動(dòng)區(qū)域,將生產(chǎn)區(qū)域分成空調(diào)區(qū)域和非空調(diào)區(qū)域;然而,由于送風(fēng)射流高度相同,送風(fēng)射流會(huì)存在一定的干擾碰撞,從而使非空調(diào)送風(fēng)區(qū)域的空氣發(fā)生擾動(dòng),部分空調(diào)區(qū)域的冷量流向非空調(diào)送風(fēng)區(qū)域,造成送入空調(diào)送風(fēng)區(qū)域的冷量減少,空調(diào)能耗增加。因此本文通過利用 CFD 仿真模擬,對(duì)上述問題進(jìn)行了分析,通過改變送風(fēng)口尺寸及間距,對(duì)空調(diào)送風(fēng)氣流組織進(jìn)行優(yōu)化。

本文以6號(hào)項(xiàng)目作為研究對(duì)象,把送風(fēng)口數(shù)量作為自變量,送風(fēng)空調(diào)區(qū)的溫度和速度作為因變量,通過CFD仿真模擬,來(lái)分析空調(diào)送風(fēng)口的設(shè)置距離、風(fēng)口數(shù)量對(duì)空調(diào)區(qū)域的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布的影響(見表4)。

表4 模擬邊界條件

該6號(hào)項(xiàng)目采用15臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組集中送風(fēng),每臺(tái)風(fēng)量50 000 m3/h,機(jī)組安裝在車間屋頂?shù)目照{(diào)機(jī)房?jī)?nèi),車間送風(fēng)干管采用鍍鋅鋼板風(fēng)管,敷設(shè)在車間網(wǎng)架內(nèi),工藝線區(qū)域末端送風(fēng)管沿生產(chǎn)線工藝吊架敷設(shè),工位采用球形噴口送風(fēng)。

本文通過送風(fēng)空調(diào)區(qū)域和工位的風(fēng)量、溫度及風(fēng)速等條件進(jìn)行限定,利用CFD仿真模擬軟件對(duì)送風(fēng)口的設(shè)置位置、間距及數(shù)量進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)行了3組數(shù)據(jù)的模擬對(duì)比,分別為工況Q1,Q2,Q3,各工況送風(fēng)口設(shè)置參數(shù)詳見表5。三種工況下的CFD仿真模擬詳見圖2—圖4。

表5 三種送風(fēng)口設(shè)置參數(shù)

從以上仿真模擬圖可以看出,局部空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)區(qū)域的射流送風(fēng)口由于送風(fēng)速度的存在,會(huì)卷入一定量的周圍空氣,造成周圍非處理的空氣與空調(diào)送風(fēng)的摻混。對(duì)比三種工況的送風(fēng)干擾情況,我們可以發(fā)現(xiàn),工況Q1由于送風(fēng)口數(shù)量少,間距大,在相同的送風(fēng)速度下單個(gè)送風(fēng)口風(fēng)量大,相對(duì)的送風(fēng)截面區(qū)域也更大,造成送風(fēng)氣流對(duì)周圍空氣的擾動(dòng)明顯,摻混的最為嚴(yán)重。而工況Q3由于送風(fēng)口數(shù)量較多,間距較小,單個(gè)風(fēng)口的送風(fēng)量也較小,相對(duì)的送風(fēng)截面區(qū)域也小,氣流擾動(dòng)相對(duì)工況Q1就小的多,摻混周圍空氣也就較少。而相對(duì)的工況Q2介于兩者之間[5-7]。

對(duì)于汽車工廠生產(chǎn)線上的局部通風(fēng)空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng),為了降低能耗,僅僅對(duì)生產(chǎn)線局部工位區(qū)域進(jìn)行風(fēng)速和溫度的控制。本次結(jié)合三種工況的送風(fēng)狀況,對(duì)空調(diào)送風(fēng)口垂直送風(fēng)方向的斷面風(fēng)速進(jìn)行了模擬和統(tǒng)計(jì)計(jì)算,分別選取了距離地面1.5 m,2.0 m,3.0 m的三個(gè)斷面的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,詳見表6,三種工況下不同截面的風(fēng)速分布圖見圖5,圖6。

表6 三種工況下工作區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表5及圖示中,我們能夠發(fā)現(xiàn)三種工況下送風(fēng)射流到達(dá)工作區(qū)時(shí),送風(fēng)射流的速度值各不相同,工況Q1的射流速度值最大,工況Q2次之,工況Q3的射流速度值最小。同樣通過圖2可以發(fā)現(xiàn)由于送風(fēng)對(duì)周圍空氣的卷入,工況Q1的速度場(chǎng)的分布很不均勻;從圖3,圖4我們可以發(fā)現(xiàn),隨著送風(fēng)口數(shù)量的增多、送風(fēng)距離的減小及單個(gè)風(fēng)口風(fēng)量的減小,工作區(qū)送風(fēng)速度場(chǎng)的分布相對(duì)來(lái)說也越來(lái)越均勻。從三種工況的仿真模擬圖也可以發(fā)現(xiàn),隨著送風(fēng)口數(shù)量的增多和送風(fēng)口距離的減小,送風(fēng)對(duì)周圍空氣的卷入越來(lái)越少,送風(fēng)也就更加均勻,形成扁平狀的“活塞流”,有效保證了空調(diào)區(qū)域的環(huán)境溫度和風(fēng)速控制,相對(duì)也就更加節(jié)能。

從表6,圖6我們也可以發(fā)現(xiàn),三種工況下,豎直方向送風(fēng)斷面的平均溫度變化不是很大,最大的溫差只有0.4 ℃左右。這說明送風(fēng)口數(shù)量的變化,并不會(huì)使工作區(qū)的平均溫度發(fā)生大的改變。由于送風(fēng)口數(shù)量及送風(fēng)量的增加,送風(fēng)斷面的風(fēng)速影響相對(duì)較大。因此,為了保證局部崗位送風(fēng)達(dá)到良好的送風(fēng)空調(diào)效果,需要結(jié)合生產(chǎn)線的布置設(shè)置合理的風(fēng)口數(shù)量、風(fēng)口間距及送風(fēng)量,保證一定的送風(fēng)速度,才能達(dá)到最佳的局部空調(diào)降溫效果。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)汽車工廠諸多車間空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際工程案例數(shù)據(jù)的分析,以及某項(xiàng)目的CFD仿真模擬,得出以下結(jié)論供設(shè)計(jì)者在以后的設(shè)計(jì)中參考:

1)對(duì)比工位送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的全車間空調(diào)系統(tǒng),每萬(wàn)平方米崗位數(shù)小于80個(gè)時(shí),采用工位送風(fēng)更加節(jié)能;當(dāng)每萬(wàn)平方米崗位數(shù)大于120個(gè)時(shí),車間全空調(diào)系統(tǒng)比工位送風(fēng)更加節(jié)能。當(dāng)80個(gè)≤每萬(wàn)平方米崗位數(shù)≤120個(gè)時(shí),采用工位送風(fēng)與采用車間全空調(diào)能耗相當(dāng),采用工位送風(fēng)與采用車間全空調(diào)能耗接近,此時(shí)是否采用工位送風(fēng)空調(diào)還需要設(shè)計(jì)人員綜合舒適度、空氣品質(zhì)、系統(tǒng)能耗、初投資等方面做進(jìn)一步的權(quán)衡判斷。

2)在送風(fēng)量一定的情況下,送風(fēng)口的數(shù)量、距離及風(fēng)口尺寸的變化對(duì)于局部空調(diào)區(qū)域的溫度影響較小,溫度相對(duì)較均勻。

3)在送風(fēng)量一定的情況下,送風(fēng)口的數(shù)量、距離及風(fēng)口尺寸的變化對(duì)于局部空調(diào)區(qū)域的速度影響較大,送風(fēng)速度隨著送風(fēng)口的數(shù)量的增加而減小,風(fēng)速過小會(huì)影響工位人員的體感空調(diào)效果。因此為實(shí)現(xiàn)最佳的局部空調(diào)降溫效果,應(yīng)根據(jù)實(shí)際工位數(shù)量和位置確定風(fēng)口規(guī)格及布置間距。