環境因素對冷庫地坪立柱散冷影響的數值模擬

孫小紅

(北海職業學院機電工程系，廣西 北海 536000)

冷庫作為冷鏈物流最重要的基礎設施，其主要功能是保障物品低溫下貯藏不變質。“冷橋”的存在使冷庫維持低溫運行的能耗加大，0 ℃以下還會使冷橋附近圍護結構中的水分凍結成冰，體積膨脹，導致圍護結構開裂，降低保溫效果。冷庫地坪上的鋼筋混凝土立柱即冷橋，從室內穿過地坪進入土壤層，由于鋼筋傳熱系數明顯大于其他部位，使得冷量集中地從立柱快速傳入地下，導致冷量損失、地坪立柱附近環境惡化。

地坪防凍常用的處理措施有設框架架空層、設地壟墻通風層、砂墊層埋通風管、地坪埋加熱管等[1]。對冷庫而言，其并不總是在設計環境下運行，地坪立柱是地坪防凍脹的薄弱環節，研究環境因素對地坪立柱影響和立柱附近溫度情況對保障整塊地坪不被凍脹十分關鍵。劉金平[2]對某冷庫地坪Φ90通風管的溫度進行了測試，由于管徑過小，流通截面積僅為設計規范推薦Φ250管截面積的13%，且長度過長，會導致通風管內空氣的流動情況很差，無法靠室外熱空氣在通風管內以自然通風的方式加熱土壤，土壤出現凍脹，增設機械通風加熱土壤可以保持其正溫而不被凍脹；高祖錕[3]對冷庫地坪機械通風防凍進行了傳熱分析，提出了當外界環境溫度<16 ℃時采用加熱空氣在封閉通道中流動，當環境溫度≥16 ℃時關閉加熱風道、采用新風開式循環以防地坪凍脹的措施，建議根據氣象參數布置通風管道、在防凍脹前提下限制通風管熱量導致的冷間負荷增加；賈景福等[4]研究了通風流速變化時冷庫地坪通風管上、中、下表面溫度的波動規律，提出了當流速增大到一定程度時對地坪通風防凍系統傳熱性能的影響明顯減弱，當通風管間距為1.5 m 時，流速選取1.5 m/s可滿足防凍要求和節約機械裝置通風運行能耗；陳曦等[5]建立了冷庫地坪通風防凍系統的計算模型，發現通風管散冷量和通風管溫度均隨風道內流速的增大而增加，且風道內流速不宜過大，不同工程應有取值上限；孫小紅等[6]研究了冷庫地坪通風管散冷與風速的關系，發現無論風速取何值時，通風管壁的溫度隨位置的變化呈先上升后下降再上升的趨勢，風速增大越有利于土壤防凍。上述研究多是為冷庫設計提供理論依據，未涉及冷庫運行管理中運行參數的變化對立柱附近地坪凍脹和冷耗的影響。

冷庫地坪運行環境因素主要有室內溫度Tw、室內對流換熱系數α、地坪通風管進口風溫Tn、風速v。數值計算提供了一種冷橋計算方法，其通過計算機模擬，對冷橋的傳熱進行近似于理論值的求解[7]。文章擬針對廣西北海某水產冷庫建筑參數，在CFD軟件上建立冷庫地坪、通風管及立柱模型，以立柱散冷量和立柱附近最低溫區為評價指標，討論環境因素對其影響，為冷庫安全低能耗運行方案設計與調整提供依據。

1 建筑模型

1.1 建筑尺寸與地坪構造

以一冷間地坪為研究對象，其建筑尺寸如圖1所示，地坪下3.2 m，地坪上立柱凈高6.4 m，地坪長24 m，寬8.7 m，內埋通風管，管徑0.3 m，管間距1.5 m，立柱截面0.8 m×0.8 m，立柱構造如圖2所示。

地坪結構由鋼筋混凝土面層，防水卷材、保溫層(聚苯乙烯泡沫塑料)、鋼筋混凝土、填沙層(含通風管)、混凝土和土壤層組成，各層厚度及物性系數見表1。

單位:mm

單位:mm

表1 地坪各層材料尺寸及其熱工參數

1.2 模擬模型

為減少運算及數據比較，取局部地坪、立柱、通風管為模擬單元如圖3所示，模型長3 m，地坪上立柱3.2 m(實際立柱中部傳熱很少)，其他尺寸與實際一致。另外，忽略防水卷材熱阻，找平層與其下的鋼筋混凝土合并處理，即假設地坪構造由鋼筋混凝土面層、保溫層、鋼筋混凝土承重層、混凝土層、填沙層(含通風管)和土壤層組成。由于鋼筋混凝土立柱與地坪連接處傳熱較高，平均熱阻較低，溫度值變化快[8]。試模擬[室內溫度Tn=249 K、對流換熱系數α=20 W/(m2·℃)、風管進口風溫Tn=280 K、風速v=0.5 m/s]地坪內a面上溫度云圖如圖4所示，最低溫區在立柱附近。由圖4可知，控制a面上d處溫度在凍結點以上，可保障整塊地坪不被凍脹。后續模擬時主要研究環境因素對立柱散冷量及c、d處溫度的影響，優化立柱周圍地坪不被凍結的環境參數。

1.3 試驗方法

1.3.1 環境因素單因素試驗 設室內溫度Tn=255 K，對流換熱系數α=20 W/(m2·℃)、風管進口風溫Tw=283 K、風速v=0.5 m/s，研究單因素影響時，其他值不變。

(1) 室內溫度：根據《冷庫設計規范》[9]規定及低溫冷庫實際運行環境，考察室內溫度(257，255，253，251，249，247，243 K)對立柱散冷量及地坪溫度的影響。

a為與通風管底相切面，b、c、d為切面上與通風管平行的直線，b為兩通風管中心線，b、c相距10 mm， c、d對稱于通風管兩側

圖4 平面a溫度云圖

(2) 室內對流換熱系數：參照《冷庫設計規范》[9]，考察室內對流換熱系數[8，10，12，14，16，18，20 W/(m2·℃)]對立柱散冷量及地坪溫度的影響。

(3) 通風管進口溫度：考慮到北海地區冬季室外氣溫會出現279.15 K(6 ℃)，模擬時，考察通風管進口溫度(279，281，283，285，287，289 K)對立柱散冷量及地坪溫度的影響。

(4) 通風管進口風速：當氣溫下降至地坪凍結風險時，啟動機械通風機強制空氣對流，以增加地坪風管散冷量。根據《冷庫設計規范》[9]規定，機械送風風速≥1 m/s，模擬時風速從自然通風到機械通風，考察通風管進口風速(0.1，0.3，0.5，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0 m/s)對立柱散冷量及地坪溫度的影響。

1.3.2 立柱附近地坪凍脹運行環境 綜合環境因素影響結果及北海地區冬季運行環境，模擬室外溫度Tw為279，281，283 K時，地坪不被凍脹的室內溫度。

1.3.3 立柱保溫對散冷量及地坪溫度的影響 立柱是冷庫建筑的冷橋但又無法避免，工程上常對立柱包裹保溫材料以削弱立柱散冷量、改善地坪運行環境。保溫材料厚度、高度與散冷量存在經驗關聯式，綜合分析材料造價、使用周期和電費前提下存在的最佳厚度和高度[10]。該冷庫立柱保溫材質同地坪，厚0.2 m，保溫高度1.5 m(如圖5所示)。為驗證立柱保溫效果，結合冷間運行實際，取該冷間室內溫度Tn=249 K、對流換熱系數α=18 W/(m2·℃)、通風管進口風溫Tw=279 K，模擬通風管進口風速(0.1，0.3，0.5，1.0 m/s)對立柱散冷量及d處溫度的影響。

1.3.4 立柱散冷量的測定 為更好理解立柱散冷量大小，模擬時提取地坪散冷量作為參考。立柱、地坪散冷面積為圖3中的立柱截面積(0.8 m×0.4 m)和地坪表面扣除與立柱接觸面(3.0 m×8.7 m-0.8 m×0.4 m)的面積。地坪和立柱側面散冷量Q=h·A·(T-Tn)，h為室內空氣與地坪和立柱側面對流換熱系數，A為地坪與立柱側面(未保溫面和保溫面之和)散冷面積，(T-Tn)為地坪和立柱側面與室內溫度差值。立柱散冷量為立柱與地坪接觸面上下界面間的導熱方程，數值上與立柱側面散冷量相等。

圖5 通風地坪及立柱保溫模擬模型

1.3.5 數據處理 ORIGIN軟件處理CFD輸出數據。地坪和立柱散冷量采用雙縱坐標，橫坐標為環境變量；為使直線c、d溫度曲線圖清晰，取兩個反映溫度變化規律及地坪凍脹趨勢代表性變量。有曲線突變或變化不顯著時對變量加密處理。

2 結果與討論

2.1 環境因素單因素試驗

2.1.1 室內溫度對立柱散冷量及地坪溫度的影響 由圖6 可知，室內溫度越低，其與地坪土壤層間的溫度梯度越大，地坪及立柱散冷量越多。地坪散冷面積是立柱的80.56倍，而地坪散冷量是立柱的10倍左右，進一步表明立柱作為冷橋引起了冷耗散。對冷間而言，滿足產品冷加工前提下，盡量提高室內溫度，降低地坪立柱散冷量，減少庫內冷量損耗；對冷庫制冷系統而言，庫溫的升高意味著蒸發溫度的升高，制冷系統能效比增大。

由圖7可知，室內溫度越高，地坪c、d處溫度越大，且遠離立柱的c處溫度高于立柱附近d處溫度，越靠近立柱溫度越低；d處中間溫度下降明顯，這是因為c處溫度主要受風管內空氣的影響，管內空氣溫度先下降，至出口處有所上升[5]，曲線d還同時受立柱散冷的影響，使立柱附近地坪溫度迅速下降，甚至出現土壤被凍結危險。

2.1.2 室內對流換熱系數對立柱散冷量及地坪溫度的影響 由圖8、9可知，隨著對流換熱系數的增大，地坪及立柱散冷量上升，但總增幅較小，且c、d處溫度曲線在不同對流換熱系數時十分靠近，溫度受影響微弱。這主要因為地坪表面層及其上的立柱溫度梯度小，且接近室內溫度，散冷量及溫度分布受對流換熱系數的影響甚微，地坪下的土壤高溫帶來的溫度梯度是散冷量的主要動力。生產管理中，加快產品冷加工速度往往需增大對流換熱系數，雖不引起散冷量大幅波動，但通風機功耗增加，產品干耗加重。

圖6 室內溫度對散冷量的影響

圖7 直線c、d的溫度曲線

2.1.3 通風管進口溫度對立柱散冷量及地坪溫度的影響

由圖10、11可知，通風管進口溫度越高，空氣通過管壁散熱量越多，促使地坪溫度升高，進而立柱散冷越多。通風管的存在可使地坪不產生凍脹，對能耗而言，風管的設計又使熱量通過立柱快速傳入室內，引起庫內冷量耗散。

2.1.4 通風管進口風速對立柱散冷量及地坪溫度的影響

由圖12、13可知，散冷量隨風速的增大而加大，抑制冷庫地面向土壤層傳遞冷量，不同風速下的地坪c、d處溫度升高，有效防止土壤層被凍脹。這是因為管內空氣與管壁對流換熱能力增強，加速熱量穿過管道壁向地坪層傳遞，引起地坪溫度升高。但當風速≥1 m/s時，散冷量影響減弱，c、d處的溫度曲線逐漸靠近。這主要是因為風速增大阻力增加，在無外動力管道內，風速增幅減緩，散冷量增加不明顯。文獻[4]中的速度拐點為2.5 m/s，可能與管徑、管長等因素有關。因此，僅通過加大通風管風速抑制地坪凍結，不但效果不理想，還增加了機械功耗。

圖8 室內對流換熱系數對散冷量的影響

圖9 直線c、d處的溫度曲線

圖10 通風管進口溫度對散冷量的影響

圖11 直線c、d處的溫度曲線

2.2 立柱附近地坪凍脹運行環境

由圖14可知，通風溫度279 K、風速1 m/s條件下，當室內溫度Tn≥246 K，地坪d處將無凍脹區，按機械通風速度要求[6]，此時需開啟機械通風裝置，維持風速≥1 m/s 即可預防地坪凍脹。

圖12 通風管進口風速對散冷量影響

圖13 直線c、d處的溫度曲線

由圖15可知，當通風溫度增加至281 K、室內溫度為240 K時，冷間-33 ℃已達下限，地坪d處無凍脹區。即Tn≥240 K，無需機械通風，維持風速≥0.5 m/s即可預防地坪凍脹。

由圖16可知，當通風溫度上升至283 K、室內溫度為240 K時，地坪d處仍無凍脹區，此時無需開啟機械通風，維持風速≥0.3 m/s，其風速對地坪溫度的影響如圖17所示。

圖14 Tw=279 K、v=1 m/s時室內溫度對地坪溫度的影響

圖15 Tw=281 K、Tn=240 K時風速對地坪溫度的影響

2.3 立柱保溫對散冷量及地坪溫度的影響

由表2可知，立柱保溫能削弱散冷量，有利于降低冷庫常年運行能耗。

由圖18可知，立柱保溫后，當通風管進口風速v=0.1 m/s 時，地坪d處最低溫度為272.249 K，比未保溫前提高了1.232 K；當通風管進口風速v≥0.3 m/s，d處最低溫度為274.13 K，比未保溫前提高了1.221 K，地坪無凍脹風險。

3 結論

表2 通風管進口風速對立柱散冷量的影響

圖16 Tw=283 K、v=1 m/s時室內溫度對地坪溫度的影響

圖17 Tw=283 K、Tn=240 K時風速對地坪溫度的影響

圖18 立柱保溫前后d處的溫度分布

冷庫地坪環境因素影響地坪立柱散冷量，進而影響地坪溫度分布，越靠近立柱處的地坪溫度越低，越容易形成凍脹危險。針對該冷庫地坪而言，多數情況下無需開啟機械通風裝置，否則，既增加了機械通風能耗又增加了地坪立柱散冷量。立柱保溫更能削弱散冷量、改善地坪溫度狀況。但環境因素往往是多變的，各種環境因素作用下的散冷量和地坪凍脹問題還有待進一步研究。