吊頂加熱單元用于工業廠房供暖的效果研究

孫月茹 羅 勇

吊頂加熱單元用于工業廠房供暖的效果研究

孫月茹 羅 勇

（石家莊鐵道大學 石家莊 050043）

近年來工業廠房供暖問題越來越受重視，吊頂加熱單元應運而生。本次研究運用數值模擬的方法，采用吊頂加熱單元對不同高度工業廠房供暖效果進行模擬，來判斷吊頂加熱單元是否符合工業廠房的供暖需要。通過分析模擬結果可以得到如下結論：本次模擬采用的吊頂加熱單元可以滿足一定高度的工業廠房的供暖需求，隨著廠房高度的增高供暖效果會變差，但此時可以通過調整送風溫度或送風速度可以改善供暖效果，并且調整送風溫度要優于調整送風速度。

工業廠房；加熱單元；供暖效果

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，為了順應時代的發展需求工業廠房的規模也越來越大，如何更好的解決工業廠房的冬季供暖問題變得尤為重要，這直接影響廠房的設備能否安全運營，工作人員的工作環境是否舒適。其中熱風供暖這種供暖方式具有熱損失極小，附屬設備投資不大，熱風供暖升溫快等特點，被廣泛應用于工業廠房。本文利用吊頂加熱單元的形式對不同高度工業廠房進行供暖，以分析吊頂加熱單元對不同高度工業廠房所能達到的供暖效果。

1 工程概況

本次研究選用的廠房長和寬都為20m，高度分別為10m、13m、15m、17m和20m。其中廠房1高10m，廠房2高13m，廠房3高15m，廠房4高17m，廠房5高20m。五個廠房都位于石家莊，根據《實用供熱空調設計手冊》可以查得石家莊冬季室外計算溫度為-6.7℃，供暖期平均溫度-0.5℃，室內計算溫度為16℃。廠房簡化模型如圖1所示。

圖1 廠房的簡化模型

吊頂加熱單元尺寸為1m×1m×1m的正方體，其示意圖如圖2所示。布置加熱單元時，在高度方向上，加熱單元頂部距廠房頂部1m；水平方向上，加熱單元在廠房正中間。廠房俯視圖如圖3所示。

圖2 加熱單元示意圖

圖3 廠房俯視圖

Fig.3 Top view of the plant

2 數值模擬

本文利用CFD數值模擬軟件對不同高度工業廠房溫度速度場進行模擬[2]。假設空氣為連續穩定不可壓縮流體。由于供熱時氣流受熱浮力影響較大，空氣密度采用Boussinesq近似[3]。

2.1 網格劃分

就廠房本身而言，風口處的網格劃分較密集，其他地方的網格劃分較稀疏。網格劃分結果：廠房1網格總數為153991，廠房2網格總數為197884，廠房3網格總數為227248，廠房4網格總數為257142，廠房5網格總數為302258。

2.2 湍流模型

在數值模擬中選擇考慮浮升力的RNG?兩方程湍流模型作為數值模擬的模型。

2.3 邊界條件

2.3.1 風口邊界

送風口設置為速度進口，送風風速4m/s，送風溫度27℃，運用前人得到的經驗公式[1]通過計算可以得到，送風口的水力直徑為D=0.63m，湍流強度為≈3.5%。

回風口設置為自由出流。

2.3.2 壁面邊界條件

根據《實用供熱空調設計手冊》的計算公式可以計算出圍護結構的內表面溫度，模擬時東、西、南、北四面墻設定溫度為278.48K（5.48℃），屋面的溫度值設為280.6K（7.6℃），窗戶的溫度值設為277.29K（4.29℃），地面設為絕熱邊界條件。

2.4 控制方程

動量方程選擇二階迎風格式，其他方程選擇軟件默認的方程格式，求解用SIMPLE算法。

3 模擬結果及分析

在用Fluent做數值模擬時，廠房內溫度場的研究方法采用分析具體區域的不同溫度分布情況，根據計算模擬的結果來判斷頂部送風時，工業廠房可以達到的供暖效果。

Y方向的數值模擬結果如下。

圖4 廠房1 Y=10m剖面溫度場等值線圖

圖5 廠房2 Y=10m剖面溫度場等值線圖

圖6 廠房3 Y=10m剖面溫度場等值線圖

圖7 廠房4 Y=10m剖面溫度場等值線圖

圖8 廠房5 Y=10m剖面溫度場等值線圖

如圖4所示廠房1=10m剖面數值模擬的溫度等值線圖，從圖中可以看出采用加熱單元頂送風的形式對廠房進行加熱時，廠房內下部溫度較高，而上部溫度較低，熱風通過風機可以直接送到工作區域，再慢慢往上浮升，這樣可以充分利用熱源。而圍護結構溫度比室內設計溫度低的多，所以在接近廠房圍護結構的地方溫度也偏低，但并不影響廠房工作區域大部分空間的溫度，并且在整個工作區域內溫度分布比較均勻，平均溫度也能夠達到廠房供暖的設計需求。

廠房2、廠房3、廠房4和廠房5的溫度分布大致與廠房1的相同，但從模擬結果來看，廠房1供暖效果最好，其次是廠房2，其他以此類推，說明同樣的送風參數對低高度廠房加熱效果最好，對高度較高的廠房供暖效果會稍差一些。

取房間2m以下空間為工作區，總結軟件模擬得到的工業廠房工作區的平均溫度以及平均風速，結果如下表：

表1 不同高度廠房數據對比

從表中數據可以看出，同樣的送風溫度和送風速度下，廠房高度越高，工作區所能達到的溫度就越低，模擬結果符合客觀事實。而且廠房高度為10m時，工作區的溫度可以滿足設計需要，其他高度的廠房工作區溫度雖然為達到設計要求，但其溫度也不是太低，這說明，加熱單元頂送風這種形式對大部分高度的廠房都能適用。

廠房5的工作區溫度比設計溫度低了2℃，說明廠房高度增加時，如果不改變送風參數，將無法滿足設計要求，但這可以通過適當提高送風溫度或者送風速度來達到設計要求，如下表表2和表3所示。而且這五個高度的廠房工作區的平均風速也都滿足規范標準。

根據表2和表3的數據可以看出，雖然通過調整送風溫度或者送風速度都可以滿足廠房供暖需求，但改變送風速度時，由于送風速度過大，導致工作區風速超出規范要求，所以只改變單一送風參數時，調整送風溫度的供暖效果要優于調整送風速度的供暖效果。

表2 調整送風溫度后不同高度廠房數據對比

表3 調整送風速度后不同高度廠房數據對比

4 結果及結論

本文利用CFD數值模擬軟件對不同高度工業廠房溫度速度場進行模擬，總結相同送風溫度和送風速度下不同高度工業廠房的模擬數據，通過分析這些模擬數據可以得出結論：吊頂加熱單元可以滿足大部分高度下工業廠房的供暖要求，而且可以通過適當提高送風參數來解決廠房供暖效果差的問題，并且調整送風溫度要優于調整送風速度，這為以后的工業廠房熱風供暖方式的問題提供了有益的參考。

[1] 譚洪衛.計算流體動力學在建筑環境工程上的應用[J].暖通空調,1999,29(4):31-36.

[2] 王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用.北京:清華大學出版社,2004:254-256.

[3] 鐘珂,王新偉,華鳳皎,等.高大空間風口位置高度對供暖效果的影響[J].東華大學學報(自然科學版),2014, 40(03):334-338,378.

Study on the Effect of Ceiling Heating Unit for Industrial Plant Heating

Sun Yueru Luo Yong

( Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang, 050043 )

In recent years, more and more attention has been paid to the heating problem of industrial plants, and the ceiling heating unit has emerged. This study used the numerical simulation method to simulate the heating effect of industrial plants of different heights by using the ceiling heating units to determine whether the ceiling heating unit meets the heating needs of industrial plants The analysis results showed that the ceiling heating units can meet the heating demand of industrial plants at a certain height. As the height of the industrial plants increases, the heating effect will become worse, but the heating effect can be improved by adjusting the supply air temperature or the air supply speed. And adjusting the air supply temperature is better than adjusting the air supply speed.

industrial plant; heating unit; heating effect

TU832.1+5

A

1671-6612（2020）04-481-04

孫月茹（1992.12-），女，碩士研究生，研究生，E-mail：1014633931@qq.com

2019-11-09