高散熱密閉空間環境通風降溫的模擬分析

張家文 沈云鵬 沈恒根*

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

與大氣環境幾乎隔絕的高熱密閉空間多出現在地下建筑、工業建筑、船舶環境等。因密閉空間可容納設備散熱量有限，當該空間裝有散熱量較大的設備時，極易造成密閉空間溫度快速升高，若不采取有效通風措施將會造成勞動環境惡劣、相關設備的安全運行得不到保證。一般采用全新風換氣降溫往往需要的通風量較多、通風系統所占據空間也較大，如一般船舶機艙的設備散熱量為陸地機爐艙的5～6倍[1]，其通風系統設計往往較為復雜。因此，對此類高散熱密閉空間建筑的通風系統需要進行優化設計。

近年來CFD仿真模擬的方法被廣泛應用于空調通風的氣流組織[2-7]，趙斌[8]等還分析了暖通空調氣流組織模擬中的不足并提出相關應對策略。本文對常規使用的全新風通風方式和擬采用的“室外新風+循環水間接冷卻風+射流送風”復合通風方式進行模擬計算及結果分析，用于預測通風方式改進前后通風效果。

1 通風降溫方案設計

1.1 某高散熱密閉空間簡況及熱環境分析

該高散熱密閉空間與上部主機進、排氣管道間相通，空間尺寸 A×B×H為 18 m×14 m×4 m，兩側平臺離底面距離1.1 m，內有主機，主機配套發電機,輔發電機組,鍋爐等設備及管道。該密閉空間平面示意圖見圖1，各散熱設備的散熱量見表1。

圖1 密閉空間平面示意圖

表1 密閉空間設備散熱量

計算密閉空間熱容量QV（kJ/K）為 ：

式中：ρ為空氣密度，k g/m3；C為空氣的定壓比熱容，kJ/(kg ·℃)；V為密閉空間的有效容積，m3。

有效容積V計算公式為：

式中：k為有效容積系數，%。

在不采取任何通風降溫措施的情況下，設備運行造成該高散熱密閉空間空氣的平均溫升速率△T1（℃/s）為：

式中：QE為設備正常運行時的總散熱量，kW。

根據式（1）～（3）計算得：QV=690.3 kJ/℃；△T1=0.30℃/s?？梢?，該 密閉空間若不采取任何通風措施會造成空氣溫度上升很快，環 境空間條件極度惡化。

1.2 通風方式

1）全新風通風方式

采用全新風方式具有室外風不必降溫處理的優點，但也帶來通風量較大的問題。通風降溫的通風量L（m3/s）計算方程式為：

式中：△T2為送風溫差，℃。

一般工業建筑環境允許空間環境溫升略高于室外溫度且室內溫度不得超過35℃[9]，對于船舶機艙這類高散熱設備環境，規定允許的環境空間內最高溫度不得超過55℃[10]。

2）復合通風方式

通風降溫本質在于消除設備散熱。因此，采用循環水對高熱區域進行間接冷卻帶走一部分熱量從而降低通風量。新風供給為滿足人員和設備的供氧需求并承擔剩余的設備散熱量，新風量計算公式為：

式中：Qp為循環水間接冷卻通風裝置的排熱量，kW。本案例設計2臺循環水間接冷卻密閉空間高溫區空氣裝置：單臺設備的排熱量為 30 kW、循環風量 2.42m3/ s、回 風口尺寸 1.0 m×0.9 m、送 風口尺寸 0.5 m×0.3 m。

為改善環境空間內的溫度分布，本 案例同時在低溫區布置射流通風器，它 具有便于布置、氣 流容易控制、可 以誘導環境空氣實現長距離輸送的特點[11]。根 據空間實際情況布置了4個射流通風系統，每個射流通風系統的循環風量為 1.67m3/ s、配 置 30 個 φ4 2mm 圓形射流風口、回 風口尺寸1.0 m×0.90 m。循 環水間接冷卻通風裝置，射 流通風裝置及射流風口的布置位置見圖2。

圖2 裝置及風口布置平面示意圖

1.3 計算模型

1）計算方法

本文的氣流運動湍流模型選 Realizablek-ε湍流模型。流體速度-壓力的耦合用SIMPLE算法，對流項用二階迎風格式，近壁面用增強壁面函數處理。為提高模擬精度和效率，作如下假設[12]：

①密閉空間空氣流動過程為不可壓的穩態流動。

②密閉空間溫度較高，對空氣的密度作bossinesq近似，重力加速度取9.8m/s2。

③除密閉空間機械進、排風外，假定密閉空間密封性良好。

④各壁面的輻射傳熱暫不考慮。

⑤忽略粘性力做功引起的耗散熱。

⑥各散熱設備能均勻地向周圍環境散熱。

2）網格劃分及邊界條件

因密閉空間結構復雜，本文利用Gambit軟件作非結構化網格并對高熱流壁面、各風口加密網格。

各邊界條件設置為：機械進、排風口：velocity–inlet（速度入口），密閉空間內部壁面：絕熱；密閉空間各外圍結構：等壁溫邊界，各散熱設備表面：恒熱流密度，循環水間接冷卻通風裝置送、回風口及射流風機吸風口：velocity inlet（速度入口），射流噴嘴出口：velocity inlet（速度入口）。

2 計算結果及分析

因該密閉空間通風的主要任務是保證設備正常運行并提供安全健康環境，本文考察人員工作區域、熱流密度較大的發電機、動力設備主機等設備周邊空氣的速度場、溫度場。設鍋爐與主機之間的人行通道為A通道、兩臺發電間的人行通道為B通道、距密閉空間底面1.5 m高區域為人員呼吸區。

2.1 全新風通風方式

全新風通風方式下人員呼吸區截面的速度和溫度分布見圖3，平均速度和平均溫度分別為1.18m/s、38.3%℃。圖3（a）表明：人員呼吸區氣流速度場分布不均勻，兩側速度大（2.5～4.5m/s）、各人行通道的速度較小。因散熱設備主要位于密閉空間中間區域，兩側速度大并不利于排除設備散熱，仍采取側送風的方式是為了避免下送風使新風道下方的主機表面產生巨大熱應力而損壞設備。密閉空間后部中間區域速度大部分低于0.5m/s，兩臺發電機因遠離新風口導致周邊氣流速度較小，尤其是左側發電機和密閉空間前壁面之間區域的氣流速度極小。圖3（b）顯示密閉空間內的溫度場分布較不均勻，密閉空間前側靠近發電機周邊的空氣溫度普遍較高，為43～50%℃左右，部分區域溫度高達60%℃。后部的空氣溫度則較低，平均溫升在3～6%℃。左側后部區域的空氣溫度約35～36%℃左右，右側的空氣溫度在37～38%℃左右，這是因新風采取了側送的方式，使得流入兩側的新風較多，同時兩側的后部區域均無散熱設備。

圖4 A通道中心截面的速度云圖、溫度云圖（全新風通風方式）

A通道中心截面的速度和溫度分布圖見圖4，平均速度和平均溫度分別為0.80m/s、37.6%℃。圖4（a）顯示A通道中心截面后部上方出現一個速度達到7～9m/s的明顯紅色區域，該區域即為正對新風道側向開口處，周邊的氣流速度也較大。中部出現了速度低于0.5m/s的區域，該區域內有可能產生了氣流渦旋。圖4（b）顯示A通道中心截面的溫度分布極不均勻。后側上部因有大量新風流入使空氣溫升保持在1%℃以內，這使部分新風未能得到有效利用。前側因遠離新風口使空氣溫度普遍較高，尤其是靠近發電機的頂部區域空氣溫度達到60%℃。

B通道中心截面的速度和溫度分布見圖5，平均速度和平均溫度分別為0.67m/s、38.9%℃。圖5（a）顯示中心截面的速度分布不均勻，最大速度（8.12m/s）出現在排風口周邊。2 m以下區域內的速度較小，新風口周邊的速度較大，這表明大量新風沒能送到B通道上人員工作區域。圖5（b）顯示中心截面前部區域溫度較高，溫度梯度也較大，尤其是頂部區域最高溫度達到60%℃，是因為該區域位于兩臺高發熱量發電機周邊。

圖5 B通道中心截面的速度云圖、溫度云圖（全新風通風方式）

2.2 復合通風方式

復合通風方式下人員呼吸區截面的速度和溫度分布見圖6，平均速度和平均溫度分別為1.26m/s、39.0℃。圖6（a）表明：因在密閉空間內各處布置了射流風口，人員呼吸區的速度分布較為均勻，后部中間區域，各人行通道，鍋爐及發電機周邊的氣流速度較全新風通風方式顯著提高。圖6（b）中發電機周邊高溫區域較全新風通風方式下略有擴大是因氣流速度較高使對流換熱加強，也正因為對流換熱的加強使發電機周邊空氣的最高溫度由全新風通風方式下的60%℃降為52℃。

圖6 人員呼吸區截面的速度云圖、溫度云圖（復合通風方式）

圖7 A通道中心截面的速度云圖、溫度云圖（復合通風方式）

A通道中心截面的速度和溫度分布見圖7，平均速度和平均溫度分別為1.79m/s、38.4℃。圖7（a）中心截面的速度場較為均勻，各射流風口下氣流速度均較大，不存在氣流渦旋。圖7（b）中心截面的溫度場較為均勻，前部和后部的溫度差異較小，靠近循環水間接冷卻通風裝置的上部出現一小區域溫度較高，靠近發電機周邊的高溫區域消失。

B通道中心截面的速度和溫度分布見圖8，平均速度和平均溫度分別為1.07m/s、39.3%℃。圖8（a）中各射流風口下速度較大且分布較為均勻。圖8（b）顯示中心截面大部分區域溫度均在39%℃左右。僅在靠近發電機周邊空氣溫度較高，主要在43～46%℃左右，頂部周邊少量區域空氣溫度超過50%℃，最高溫度仍然不超過52%℃。

圖8 B通道中心截面的速度云圖、溫度云圖（復合通風方式）

2.3 對比分析

由模擬結果可知，復合通風方式較全新風通風方式下該高散熱密閉空間內空氣流場有以下變化：1）人員呼吸區截面，A通道中心截面，B通道中心截面的平均速度，平均溫度見表2。各截面的平均速度顯著提高，平均速度的提高是因為射流風機抽吸密閉空間尾部低溫區的氣流并從各處的射流風口以較高速度射出，有利于改善溫度分布的均勻性。各截面平均溫度略有下降，溫度場的均勻性因各射流風口送出的較低溫度空氣而改善明顯。2）高散熱設備發電機周圍空氣的最高溫度由60%℃降為52℃，超過50℃高溫區域明顯減小，因為循環水間接冷卻通風裝置通過抽吸發電機周圍的頂部區域高溫空氣和循環水換熱后以較低溫度的空氣送入該密閉空間。

表2 兩種通風方式截面的平均速度及平均溫度

3 結論

本文針對某高散熱密閉空間通風降溫問題，分析了該密閉空間在不采取通風措施下空氣的平均溫升速率。并運用模擬試驗的方法分析了全新風通風方式和擬采用的復合通風方式，結果表明。

1）若不采取任何通風措施時，空氣的平均溫升速率達到0.30℃/s。

2）全新風通風方式下通風量大，密閉空間內空氣速度場和溫度場的均勻性較差，發電機等設備周圍空間環境溫度超過設計溫度上限。

3）擬采用的復合通風方式下空氣的速度場和溫度場均勻。與全新風通風方式相比，各截面平均速度均提高60%以上。發電機周邊空氣溫度下降8%℃左右。

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