恒溫恒濕庫房空調送風參數優化研究

摘 要：為控制可能破壞設備的因素，需要對庫房恒溫恒濕系統進行深入研究，這將直接關系設備的保養狀態。因此本文以某裝備存儲庫房為例，采用試驗驗證的方法，構建標準k-ε計算模型，針對恒溫恒濕庫房的空調送風參數進行模擬分析，通過分析空調送風速度和送風含濕量對恒溫恒濕庫房溫濕度的影響，得出最優參數設置方案。本文的研究結果能夠為相關單位恒溫恒濕庫房空調的優化改造提供借鑒和參考。

關鍵詞：恒溫恒濕庫房；空調送風；參數優化

中圖分類號：TU 83" " " 文獻標志碼：A

恒溫恒濕庫房是一種特殊的存儲設施，主要用于存放對溫度和濕度有嚴格要求的物品。為了保證這些物品的質量和安全，恒溫恒濕庫房需要維持穩定的溫度和濕度條件。國外學者從恒溫恒濕空調設備方面入手，對室內溫濕度的控制進行了深入研究。例如，Fabrizio Ascione（2009）利用動態模擬方法對文物館空調系統的運行能耗進行了研究，并提出了空調除濕、回風能量回收的具體優化措施[1]。G.M.Ge（2011）則針對液體除濕空調系統在不同新風模式下的運行狀況進行了研究。測試結果顯示，在空調新風比高于60%的情況下，液體除濕空調系統的性能出現了大幅度下降[2]。

國內方面，隨著科學技術的不斷發展和國內生產工藝的進步，我國在恒溫恒濕空調系統研究方面也取得了重大進步。李兆堅（2013）對空調系統的新風換氣次數進行了研究，并提出在確保滿足室內微正壓的前提下，降低新風換氣的次數是降低空調能耗的一個主要措施[3]。曾笑塵（2014）針對空調系統送風溫度和送風含濕量進行了研究，并針對空調系統運行不穩定的問題提出了一種PID控制模式，即利用PID控制器對庫房內的溫濕度進行解耦控制[4]。

1 恒溫恒濕庫房模型選定

恒溫恒濕空調系統能夠實現對環境溫度的精準控制，其主要由冷熱源、風系統、水系統、空氣凈化系統以及其他配套系統等部分內容構成。從整體上看，一個良好的恒溫恒濕庫房空調系統應達到的標準如下。首先，維持穩定的溫度和濕度條件。根據存儲物品的要求，恒溫恒濕庫房內的溫度一般控制在20℃～25℃，濕度一般控制在45%℃～65%。其次，保證良好的空氣品質。由于恒溫恒濕庫房內存放的物品大多對空氣品質有較高要求，因此空調系統需要保證送入室內的空氣新鮮、清潔，避免灰塵、細菌等污染物侵入[5]。再次，控制噪聲和振動。空調系統運行時產生的噪聲和振動可能會對庫房內的物品造成影響，因此需要采取措施進行控制。最后，節能環保。空調系統作為能耗大戶，需要考慮其節能減排的問題。在滿足庫房要求的前提下，盡可能降低能耗，減少對環境的影響。

本文以某單位裝備存儲庫房為例，對其恒溫恒濕空調送風系統進行了研究。該庫房空調區面積占庫房總建筑面積的65%，庫房內部結構多樣，功能區劃分清晰，主要用于存放各種高精密度的儀器設備和試驗器材等。該庫房尺寸為8.25m×6m×2.9m（長×寬×高），氣流組織采用上送、下回的送風方式，庫房中共計安裝4個送風口，均位于天花板上，送風口的尺寸為0.4m共計0.4m[6]。回風口2個，位于距離地面0.15m的內墻上，回風口尺寸為1.0m×0.3m，庫房回風口和送風口均采用了百葉風口設計。

考慮本文對恒溫恒濕庫房空調送風參數的優化設計采用的是模擬方式，因此數值模型的可靠性將會直接影響研究結果。為了更好地分析模擬結果，本文選取庫房內水平方向界面來對庫房溫濕度分布特征進行研究，設定3種不同工況下的室外參數，具體見表1。

1.1 溫度場分布特征

通過模擬3種工況下截面溫度的分布可以看出，被吹送至庫房中的冷空氣經過送風口進入室內后，在消除室內余熱的過程中溫度逐漸上升，庫房中同一高度截面的溫度分布較均勻，平均溫度為20℃左右，能夠滿足裝備保存的要求。溫度場分布如圖1所示。

1.2 濕度場分布特征

通過模擬3種工況下截面濕度的分布可以看出，送風口下方的濕度相對較高。主要原因是在測試工況下，庫房內不存在散濕源，因此只能通過輸送濕空氣來維持庫房內的濕度要求。從具體的模擬情況來看，庫房內的濕度波動范圍較小，分布較均勻，能夠滿足裝備保存的濕度要求。濕度場分布如圖2所示。

2 建立標準k-ε計算模型

本文在對空調送風參數對恒溫恒濕庫房影響進行研究的過程中利用Fluent6.3對庫房流場進行了模擬，考慮室內空氣為不可壓縮流動氣體，選擇基于壓力的求解器和隱式方案。在運行條件中選擇3D，在運行過程中選擇基于單元的格林-高斯方法。在運行環境中，考慮溫度場的存在，設置重力場的影響，設定重力方向為-z，重力值為9.8m/s2，環境溫度為20℃[7]。

由于計算模型的選擇會直接影響模擬試驗結果，因此必須結合模擬的實際問題進行模型設置。經過綜合考慮，本文選擇使用能量方程，并在此基礎上建立標準。考慮濕度場的影響，還需要向室內送入一定含濕量的空氣，因此本文在試驗過程中還加入了組分輸運模型，并定義向室內輸送的組分為空氣和水蒸氣。

2.1 入口邊界條件

由于計算模型參數設置將會對最終的研究結果產生直接影響，因此需要結合庫房的實際運行情況來進行設定。因此本文選擇使用能量方程，建立標準模型。在該模型中，湍流動能的計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：k為湍流動能；uavg為平均速度；c%為出流湍流動能；I為湍流強度。

2.2 出口邊界條件

回風口處流動為完全發展，對上游流動沒有造成影響，因此在本文中將回風口設置為出流邊界，其他則保持不變。

2.3 人體邊界條件

由于本文設定試驗庫房的溫度為20℃，工作人員在庫房內的勞動為輕度勞動，通過綜合計算和分析，本文設定人體在庫房內的單位散熱量為185W，散濕量為140g/h，與此同時開啟熱輻射模型。

3 空調送風參數對庫房內溫濕度的影響

在恒溫恒濕庫房的應用過程中會出現氣流組織設計不合理、加濕不當以及結構氣密性不符合設計要求等問題，而這些問題的出現均會引起恒溫恒濕庫房環境和送風參數變化[8]。因此，從空調系統送風參數優化的角度出發對恒溫恒濕庫房干擾因素進行分析，進而對送風參數進行優化是一種切實可行的研究思路。為了更全面、準確地研究空調送風參數的不同對庫房內溫、濕度的影響，本文設定了5個空調送風參數，即0.13m/s、0.23m/s、0.33m/s、0.43m/s和0.55m/s。

3.1 空調送風速度對庫房溫度的影響

不同送風速度在庫房1.2m平面高度的截面溫度分布均勻性見表2。從表2數據可以看出，在0.13m/s～0.33m/s的送風范圍內，隨著風速不斷增大，送風和庫房內的空氣混合越來越充分，庫房內的平均溫度也更接近于空調設定溫度，并且截面溫度的均勻性越來越好。而在空調送風速度由0.33m/s進一步升至0.55m/s的過程中，隨著庫房內的氣流流動性不斷增加，庫房紊流區域面積不斷擴大，溫度也不斷上升，并出現截面溫度系數不均勻的情況。由此可以看出，該庫房的最佳送風速度為0.33m/s，當空調送風速度為0.23m/s～0.33m/s時，均能滿足庫房對溫度的控制要求。

3.2 送風速度對庫房內濕度的影響

不同送風速度在庫房1.2m平面高度處的截面濕度分布均勻性見表3。由表3數據可以看出，截面平均相對濕度的變化趨勢、截面相對濕度均勻性的變化規律與溫度的變化趨勢一致。具體來看，空調送風速度為0.13m/s時，截面的平均相對濕度為57.7%，為5種不同送風速度下的最大值。而隨著送風速度不斷增大，截面平均相對濕度均能保持在55%左右，滿足庫房對濕度的要求。從空調送風速度對截面相對不均勻系數的影響來看，隨著空調送風速度不斷增大，截面相對濕度不均勻系數整體卻呈現出逐漸變小的趨勢，并且風速為0.33m/s時，不均勻系數值最小，這就說明空調送風速度為0.33m/s時，庫房的相對濕度均勻性最佳。

4 空調送風含濕量對庫房溫濕度的影響

考慮恒溫恒濕庫房具有良好的氣密性，并且大部分時間都是密閉運行，雖然外界空氣中水分含量較高，但對庫房內濕度的影響十分有限。而恒溫恒濕庫房內部的濕度損失也較小，主要依靠空調送風的濕度來對庫房內的濕度進行調節[9]。為了研究不同空調送風含濕量對庫房溫濕度的影響，本文設定了7.6g/kg、7.8g/kg、8.0g/kg和8.2g/kg共4種不同的空調送風含濕量條件，同樣在庫房1.2m平面高度的截面處對庫房溫濕度的變化進行研究。

4.1 空調送風含濕量對庫房溫度的影響

通過對不同空調送風含濕量在庫房1.2m平面高度的截面溫度進行分析可以看出，隨著空調送風含濕量不斷增加，庫房內的溫度并未呈現明顯的變化趨勢，維持在19℃左右，并且溫度的變化范圍在±0.1℃。究其原因，雖然空調送風的含濕量在不斷增加，但濕空氣的焓值卻沒有明顯增加，因此庫房內的溫度變化并不十分明顯。

4.2 空調送風含濕量對庫房內相對濕度的影響

不同送風含濕量在庫房1.2m平面高度處的截面濕度分布均勻性見表4。由表4數據可以看出，隨著空調送風含濕量不斷增加，截面的平均相對濕度也呈現出逐漸上升的趨勢，空調送風含濕量為8.0g/kg時，截面的相對濕度不均勻系數最小，濕度分布均勻性最好。而空調送風含濕量進一步由8.0g/kg升至8.2g/kg時，截面平均相對濕度的不均勻系數增加，這表明其偏離了庫房所設定的相對濕度數據值。因此空調送風含濕量為8.0g/kg時，庫房的相對濕度均勻性最佳。

5 結論

本文利用數值計算模型，采用模擬的方法，分析了恒溫恒濕庫房在不同送風速度、送風含濕量參數下對庫房溫濕度的影響，并設計出最優參數設置方案，所得結論如下。

隨著空調送風速度不斷增加，恒溫恒濕庫房的溫濕度均勻性越來越好。隨著空調送風溫度持續增加，庫房的回風口處出現了紊流現象。模擬試驗表明，空調送風速度為0.33m/s

時為恒溫恒濕庫房的最佳風速。空調送風速度為0.23m/s～0.43m/s

時，可以滿足恒溫恒濕庫房對溫、濕度的要求。

模擬試驗表明，隨著空調送風含濕量不斷增加，恒溫恒濕庫房內的溫度變化不明顯。究其原因，濕空氣的焓值并沒有明顯增加，而庫房內的濕度出現明顯變化。當空調送風含濕量為8.0g/kg時，截面的相對濕度不均勻系數最小，濕度分布均勻性最好。

參考文獻

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