內蒙古某耐寒測試機庫供暖形式探討與研究

皮英俊 楊 晉

內蒙古某耐寒測試機庫供暖形式探討與研究

皮英俊1楊 晉2

（1.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092；2.青島海信日立空調營銷股份有限公司 上海 266590）

耐寒測試機庫作為一種特殊的高大空間，其供暖形式一直是暖通空調設計領域的難點。結合了數種飛機維修及測試機庫的常用供暖形式，通過分析其各自的優缺點，提出“強制對流供暖”更適合作為耐寒測試機庫的供暖形式。通過計算流體力學方法得出側送風雙層暖風機供暖形式供暖效果好，能源消耗低，是本機庫供暖形式的最優解決方案，也為其它機庫的設計提供參考。

維修機庫；供暖形式；強制對流供暖；數值模擬

0 引言

隨著航空航天事業的迅速發展，為滿足民航客機停留及維修需求，機庫建設日益增多。機庫具有面積大，高度高的空間特點，根據等級不同，一般機庫的建筑面積從2000m2到50000m2不等[1]，空間凈高一般為25m~30m[2]。本項目所闡述的耐寒測試機庫除了滿足機庫的基本使用需求外，仍需滿足飛機極寒測試的需求。因此，其選址于冬季室外供暖設計溫度為-31.6℃的內蒙古呼倫貝爾海拉爾[3]，機庫平面圖如圖1所示。

高大空間的供暖方案選擇一直是供暖設計領域的重難點。而極寒測試機庫不僅空間尺寸遠大于常規高大空間[4]，其還具有以下特點：（1）冬季室外供暖設計溫度低，冬季極端最低溫度低于-40℃；（2）外門面積大，一般機庫外門寬度近似等同于外墻寬度，高度為14~20m不等；（3）飛機出入機庫，大門需完全敞開，室內溫度會在大門敞開的時間段內迅速下降。因此，可以通過以下兩點來考量耐寒測試機庫供暖效果的優劣：（1）工作區溫度能否達到供暖室內設計溫度16℃[5]；（2）機庫大門關閉后，室內溫度能否快速回歸設計溫度。在日常使用過程中，機庫大部分時間處于無飛機進出的穩定狀態。工作區溫度是此種狀態下考量機庫供暖形式的重點。本文對工作區域室內設計溫度進行重點分析，對溫度回復速度進行定性分析。

國內外對于高大空間供暖形式的研究已較為成熟，但其研究對象的空間高度一般為12~18m[6-11]。但對于空間凈高為25~30m的機庫來說，這些供暖方式的可行性仍需進一步的研究。本文將圍繞耐寒測試機庫的供暖形式進行探討，通過對比分析，并借助CFD模擬的方式，提出一種適合本耐寒機庫使用的供暖方式，也為其它機庫的供暖設計提供參考。

圖1 內蒙古某機庫平面圖

1 機庫建筑常用供暖形式

高大空間的供暖方式可分為自然對流供暖方式，強制對流供暖方式以及輻射供暖方式[12]。下文將基于高大空間的供暖方式，并結合耐寒測試機庫的特點，對機庫的常用供暖方式進行對比分析。

1.1 自然對流供暖

自然對流供暖以熱水或蒸汽為熱媒，通過散熱器將熱媒的熱量散發至房間內。此種供暖形式系統簡單、造價低。但散熱器只能布置在墻邊，對于機庫這種大空間來說，中心區域的溫度很難把控。另外，由于熱空氣上浮，室內垂直溫度場會出現比較明顯的溫度梯度，很難達到理想的供暖效果。

1.2 強制對流供暖

強制對流供暖的主要方式是暖風機供暖。常見的暖風機供暖方式為暖風機頂送風供暖。通過安裝在機庫桁架位置的暖風機向下送熱風，強制循環室內空氣。相對于散熱器供暖來說，此種形式可以更好地保證工作區的溫度，且可以實現室內溫度的迅速提升。其缺點是會產生較強烈的吹風感，且無法解決高度上溫度梯度的問題。

1.3 輻射供暖

輻射供暖方式分為熱水（燃氣）輻射板供暖和燃氣紅外輻射供暖。輻射板一般分為頂板輻射和地板輻射兩種形式。輻射板在獲得相同熱舒適的前提下，一般可降低2~4℃的室內計算溫度，是一種較為節能的方式，且由于主要通過輻射進行供暖，相較于對流換熱，溫度梯度小。但由于輻射板溫度較低，故其用量和造價都相對較高。此外，輻射板室內升溫較慢，飛機進出機庫后，需要較長時間才能恢復室溫。地板輻射由于輻射面離工作區近，相較于頂板輻射來說，熱舒適更好。但地板輻射對施工工藝要求較高，施工難度大，且機庫地面相較于一般建筑來說，需要承受更重的荷載，輻射管埋深更深，傳熱效率降低。另外，地板輻射維修難度較大，若出現漏點，需要開挖大范圍地面，維修時長長且代價較大。

燃氣紅外輻射供暖屬于高溫輻射供暖，利用可燃氣體通過發生器產生紅外線實現供暖。燃氣紅外采暖具有舒適度好、升溫迅速等優點。但由于采用天然氣作為燃料，安全要求高，有發生火災甚至爆炸的危險。對于耐寒測試機庫來說，此做法有較大的安全隱患。

從經濟性、適用性和安全性考慮，強制對流供暖更適合本耐寒測試機庫使用。下文將著重對強制對流供暖及暖風機供暖進行分析，并提出一種新的暖風機供暖方式。

2 CFD模擬分析

2.1 數值模擬

2.1.1 物理模型

本文通過建立機庫三維模型，采用計算流體力學（computational fluid dynamics, CFD）的方法對機庫暖風機送風進行研究。

機庫長寬均為60m，高26m，在四面外墻、頂面及地面設置空調熱負荷。本次模擬主要比較暖風機頂送風暖風機供暖及側送風雙層暖風機供暖兩種工況。頂送風暖風機一般設置于機庫桁架內，本機庫桁架底標高為24m，故在頂送風工況下，將暖風機送風口高度設置為24m。側送風暖風機均勻布置在機庫南北兩側壁面上，由于機庫寬度為60m，單側送風機覆蓋需要超過30m，參考其他高大空間研究成果，暖風機需雙層布置，布置高度分別為6m和11m，向下傾斜，送風角度分別為24°和 30°[7]。機庫剖面如圖2所示。

圖2 機庫剖面圖

2.1.2 數學模型

本文采用計算流體力學軟件Fluent對模型進行模擬計算。流體假定為不可壓縮理想氣體。采用Realizable-兩方程模型，用標準壁面函數處理流體與壁面交接區域，自然對流采用Boussinesq假設。控制方程包括連續性方程、能量方程、動量方程、紊動方程及耗散率方程。

采用PISO算法對壓力-速度耦合方程進行求解。為了獲得精確的解，降低數值解的震蕩，均采用二階迎風格式進行計算，各項控制方程收斂殘差不高于10-4。

將機庫各壁面設置為第三類邊界條件，并相應設置不同的熱流密度。計算采用結構化網格，在暖風機進排風口、壁面等位置進行局部加密處理，網格如圖3、圖4所示。

圖3 z=13m截面網格劃分圖

圖4 x=28m截面網格劃分圖

2.2 模擬結果

2.2.1 頂送風暖風機供暖

頂送風暖風機供暖條件下，熱源集中于上部向下送風。由圖5（a）和5（b）可以看出，當暖風機安裝于上部區域時，由于熱空氣上浮，空間內溫度呈明顯的上熱下冷分布。且由于空間高度較高，工作區（=1.5m；=4.5m）平均溫度分別為7℃和9℃，溫度分布詳見圖5（c）、5（d）。

頂送風暖風機供暖條件下，工作區（=1.5m；=4.5m）環境風速基本都在0.7m/s以下，速度分布詳見圖5（e）、5（f）。

2.2.2 側送風雙層暖風機供暖

側送風雙層暖風機供暖條件下，暖風機從兩側向機庫內送風。由圖6（a）和6（b）可以看出，在側送的情況下，暖風機送出的熱風向下5~6m左右之后，熱空氣開始上浮。整個空間區域溫度較為均勻，垂直溫度梯度不顯著。

側送風雙層暖風機供暖條件下，工作區（=1.5m；=4.5m）環境風速為0.3~0.9m/s，在兩側靠近風機位置區域，風速超過1m/s。速度分布詳見圖6（e）、6（f）。

2.2.3 兩種送風方式比較

兩種送風方式下，垂直方向各截面平均溫度如圖7所示。從圖7（a）可以看出，在近地面工作區，平均溫度小于10℃。在10m高左右，平均溫度可達到16℃左右。對于高度超過20m的機庫來說，頂送風效果十分有限。由于熱源設置于機庫上部，垂直溫度梯度大于1℃/m，上熱下冷的情況較為嚴重。不僅工作區溫度達不到設計要求，高處溫度過高也造成了能源的大量浪費。

從圖7（b）可以看出，側送風雙層暖風機狀態下，整個空間的溫度分度十分均勻。由于熱源設置于機庫兩側向下吹風，極大程度上減輕了熱空氣上浮的影響，整個空間的垂直溫度梯度小于0.2℃/m。工作區溫度大于16℃，可滿足設計要求。

從速度分布云圖可以看出，頂送風暖風機供暖方式的速度分布要低于側送風雙層暖風機供暖方式，且整個空間的速度分布也更佳均勻。

從模擬結果看出，側送風雙層暖風機供暖方式的供暖效果要明顯優于頂送風暖風機供暖方式。（1）頂送風方式在機庫高度過高的情況下，工作區很難達到設計溫度；而側送風方式熱源設置在機庫兩側中下部，工作區溫度可滿足設計要求。（2）頂送風方式由于存在較大的垂直溫度梯度，會造成頂部非工作區溫度過高，造成能源的浪費；而側送風整個空間溫度分布均勻，相對于頂送風方式來說，更加節能。但側送風形式暖風機會占用一部分的室內空間，且靠近送風機位置附近的環境風速大于1m/s，對本文所述耐寒測試機庫項目來說，此兩點對機庫正常使用無影響。對于其他機庫來說，使用此種送風方式前，需對環境風速及風機安裝位置進行考量，以免影響機庫的正常使用。

圖7 溫度分布云圖

3 結論

通過對比幾種機庫的供暖形式可以看出，對于耐寒機庫來說，從安全性、適用性和經濟性的角度出發，強制對流供暖優于自然對流供暖及輻射對流供暖。頂送風暖通機供暖方式對普通高大空間來說有較好的供暖效果。但通過模擬結果可以發現，由于機庫尺寸大于常規高大空間，頂送風暖風機供暖方式效果并不理想。側送風雙層暖風機供暖方式不僅工作區溫度可滿足設計要求，且垂直溫度梯度低，有較好的節能效果。在不影響機庫正常使用的情況下，本耐寒測試機庫應優先選用側送風雙層暖風機供暖的形式。但是，其使用會占用一些空間位置，且其工作區環境速度也大于頂送風暖風機供暖。對環境風速要求較高的機庫，如噴漆機庫等，需對此供暖方式的風速影響進行考量，以免影響機庫的正常使用。

本文分析的過程中，對于機庫關閉大門升溫速度這一點的闡述，僅通過供暖原理對升溫速度定性分析。在今后的研究中，希望可以對不同供暖形式的升溫速度進行量化分析，并基于此對建筑能耗進行對比分析。

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Study on Heating Methods for an Attendant Hangar in Inner Mongolia

Pi Yingjun1Yang Jin2

( 1.Tongji Architectural Design(Group) Co., Ltd, Shanghai, 200092;2.Qingdao Hisense Hitachi Air-conditioning Marketing Co., Ltd, Shanghai, 266590 )

The attendant hangar is a kind of high space building. The heating method for a attendant hangar is the key point for a HVAC design. By summarizing common heating methods and analyzing the advantages and disadvantages of each heating system, we found that the forced-convection heating is the best heating method for this attendant hangar. By adopting the computational fluid dynamics method, the horizon warm air heating is a better way of the forced-convection heating. It also provides reference to for the design of other attendant hangars.

attendant hangars; heating methods; forced-convection heating; numerical simulation

TU832.5

A

1671-6612（2021）02-258-05

皮英俊（1989.01-），男，碩士，中級工程師，E-mail：13pyj@tjad.cn

楊 晉（1994.05-），男，本科，助理工程師，E-mail：877657933@qq.com

2021-03-23