某暗室通風空調方案模擬與優化

丁茹 朱培根 韋煒致 陳琦

1 中國人民解放軍陸軍工程大學國防工程學院

2 上海應用技術大學藝術與設計學院

對于暗室高大空間通風空調系統，國外目前主要以計算機模擬仿真為主要手段[1-3]，通過計算機模擬，無動力（微動力）除塵技術，或與通風空調結合起來，在排除工程內有害氣體的同時，排除灰塵、余熱余濕，并控制送回風速度，合理布置送回風口，以控制其工程內噪聲。

1 工程介紹

暗室主體尺寸為23 m×10 m×10 m（長×寬×高），側墻及頂棚吸波材料高度為900 mm，暗室內溫度要求在20 ℃±5 ℃，反 射板區域溫度梯度要求保持在0.1 ℃/m以內，用以驗收/鑒定/高精度測試。

經計算，該暗室夏季空調負荷Q夏=5.8865 kW，冬季空調負荷Q冬=-7.848 kW。

2 方案分析

因為反射板區域溫度梯度要求保持在0.1 ℃/m以內，所以送風溫差不宜過大，氣流組織形式要求反射板區域的溫度場均勻。

2.1 方案I

方案I采用10個送風口，10個排風口，送風溫差為1 ℃，采 用中間送風、兩側回風的送回風方式，風口布置位置如圖1。

圖1 方案1風口布置三維圖

夏季送風溫差取1 ℃，則送風溫度tx= 19.0 ℃，送風量Lx=Qx/(c·pρ·△t)=5.14 m3/s。

送回風口選用 600 mm×600 mm 的波導窗各 10個，有效流量系數為0.75，送風口迎面風速為1.43 m/s，過 流風速為1.90 m/s，則空調換氣次數n=L/V=5.14×3600/(10×10×23)=8.0次/h。

夏季通風空調方案模擬結果見圖2～3，由圖可見反射板區域溫度梯度在0.1 ℃/m以內，符合技術要求。

圖2 方案I夏季溫度模擬X軸2.1 m處剖面圖

圖3 方案I夏季溫度模擬Z軸8.0 m處剖面圖

冬季送風溫差 1 ℃，則送風溫度td=21.0 ℃，送風量。

送回風口選用 600 mm×600 mm 的波導窗各 10個，有效流量系數為0.75，送風口迎面風速為1.85 m/s，過流風速為2.47 m/s，對應的空調換氣次數。

冬季通風空調方案模擬結果見圖4～5，由圖可見反射板區域溫度梯度在0.1℃/m以內，符合技術要求。

圖4 方案I冬季溫度模擬X軸2.1 m處剖面圖

圖5 方案I冬季溫度模擬Z軸8.0 m處剖面圖

2.2 方案II

方案I符合要求，但是送風溫差小，送風量大，換氣次數大，送回風口共20個。為了減少送風量，方案 II相比方案I提高送風溫差至 2 ℃。仍采用10 個送風口、10個排風口的送回風形式，把距反射板最近的 4個送風口位置沿X軸正向移動 2m，其余送回風口位置不變。

夏季送風溫差取 2 ℃，送風溫度tx=18.0 ℃，送風量。

送回風口選用 600 mm×600 mm 的波導窗各 10個，有效流量系數為0.75，送風口迎面風速為0.71 m/s，過 流風速為0.95 m/s，空調換氣次數

圖6則為方案II夏季溫度模擬X軸2.1 m 處的剖面圖。

圖6 方案II夏季溫度模擬X軸2.1 m處剖面圖

冬季送風溫差取 2 ℃，送風溫度td= 22.0 ℃，送風量。

送回風口選用 600 mm×600 mm 的波導窗各10個，有效流量系數為0.75，送風口迎面風速為0.93 m/s，過流風速為1.24 m/s，對應的空調換氣次數。

圖7則為方案II冬季溫度模擬 Y軸 7.5 m 處剖面圖。

圖7 方案II冬季溫度模擬Y軸7.5 m處剖面圖

2.3 方案III

分析方案 II 可知，由于送風口出風速度小，送風口距離反射板近，導致反射板區域溫度梯度過大，因此方案 III 采用 8 個送風口、10 個排風口的送回風形式，送風口 X 軸坐標依次為9 m，14 m，送風溫差還是2℃。

夏季送風溫差取 2 ℃，送風溫度tx=18.0 ℃，送風量。

送風口選用 600 mm×600 mm 的波導窗 8 個，回風口選用 600 mm×600 mm的波導窗 10 個，有效流量系數為0.75，送風口迎面風速為0.89 m/s，過流風速為1.20 m/s，空調換氣次數=4.0次/h。

圖8 則為方案 III 夏季溫度模擬 X 軸 2.1 m 處剖面圖。

圖8 方案III夏季溫度模擬X軸2.1 m處剖面圖

送風口選用 600 mm×600 mm 的波導窗 8 個，回風口選用 600 mm×600 mm的波導窗 10 個，有 效流量系數為0.75，送風口迎面風速為1.16 m/s，過流風速為1.54 m/s，對應的空調換氣次數n=L/V=6.65×3600/(10×10×23)=5.2次/h。

圖9 則為方案 III 冬季溫度模擬 Y 軸 7.5 m 處剖面圖。

圖9 方案III冬季溫度模擬Y軸7.5m處剖面圖

2.4 方案IV

分析可知，方案III送風溫差偏大，送風量小，換氣次數不夠。因此方案IV加大送風量，夏季取換氣次數為5次/h，冬季換氣次數取6次/h，送回風方式與方案III相同，即8個送風口、10個回排風口的送回風形式。

夏季計算得到送風溫度tx=18.53℃，空調送風量Lx= 2300×5=11500 m3/h。

送風口選用600 mm×600 mm 的波導窗 8 個，回風口選用 600 mm×600 mm的波導窗 10 個，有 效流量系數為0.75，送風口迎面風速為1.11 m/s，過流風速為1.48 m/s。

夏季通風空調方案溫度模擬結果如圖 10，由圖可見，暗室內空氣溫度在20 ℃±5 ℃內，反射板區域溫度梯度在0.1 ℃/m以內，符合技術要求。

圖10 方案IV夏季溫度模擬X軸2.1 m處剖面圖

冬季計算得到送風溫度td= 21.68 ℃，空調送風量Lx=2300×6=13800 m3/h。

送風口選用600 mm×600 mm的波導窗8個，回風口選用600 mm×600 mm的波導窗10個，有效流量系數為0.75，送風口迎面風速為1.33 m/s，過 流風速為1.78 m/s。

夏季通風空調方案溫度模擬結果如圖 11，由圖可見，暗室內空氣溫度在20℃±5℃內，反射板區域溫度梯度在0.1℃/m以內，符合技術要求。

圖11 方案IV冬季溫度模擬X軸2.1 m處剖面圖

3 結論

通過工程算例應用 CFD 軟件模擬空氣流動和氣流組織，直觀的反映了各高度、各區域的溫度分布情況，最終確定本算例采用方案IV，即8 送10回的送回風口布置方式，10 個回風口中 6 個采用隱蔽布置，模擬顯示暗室內空間的溫度場和速度場分布比較合理，冬夏季暗室內空氣溫度在20 ℃±5 ℃內，反射板區域溫度梯度在0.1 ℃/m以內，符合技術要求。