工位送風空調系統在汽車工廠應用的探討

劉炬煒，張 濤，王 浩

(中國汽車工業工程有限公司,天津 300113)

0 引言

對于汽車工廠采用傳統通風空調方式滿足大空間內數量不多的工作人員熱舒適性需求,通常會帶來較大的能源浪費。為了滿足建筑空間內每個人對環境的不同需求,降低能耗,局部通風空調可以針對每個工作位,通過控制送風量、風速及送風溫度等參數來調節工作區域的空氣環境,即傳統意義上的工位送風空調,此降溫方式在工程中被廣泛應用。一般而言,在僅保證工作區局部微環境的前提下,采用工位送風空調的負荷計算值應比車間全空調負荷要小。目前對于汽車工廠的工位空調設計一般是根據工位數、工作區設計溫度、工作區溫度以及室外氣象參數等信息來進行工位空調負荷計算。但是,在實際設計中,工位送風口規格以及布置間距對工位降溫效果也會產生較大影響,當車間工位數達到一定數量時,可能會出現工位空調系統的總冷負荷不小于采用車間全空調系統的冷負荷的情況,此時設計人員應進行分析權衡判斷[1-2]。

1 設計數據統計分析

1.1 設計數據搜集

通過對近些年采用系統式局部通風的項目進行匯總整理,結合車間功能、工藝產能、地域等因素考慮,選擇了夏熱冬冷地區9個比較具有代表性的生產車間樣本(項目名稱以編號代表)進行研究,具體項目信息見表1。

表1 項目信息表

1.2 對數據搜集項目進行全空氣系統空調負荷測算

根據工藝及建筑資料,取室內設計溫度28 ℃,相對濕度65%,新風比15%,估算車間全空氣系統空調負荷,計算參數及結果見表2。

表2 工位空調及車間空調負荷計算

1.3 數據、指標的匯總分析

通過不斷調整室內設計溫度值,測算車間全空調負荷,使車間全空調系統負荷接近或等于工位空調冷負荷,此時的車間室內溫度可認為是采用工位送風冷量可達到的車間空調平均溫度,上述9個樣本因車間功能、體量、生產綱領不同,難以直觀地進行數據對比分析,因此引入每萬平方米工位數的指標,來分析車間工位送風可達到的車間溫度變化,計算結果見表3。

表3 工位空調對應車間平均溫度計算表

工位送風對應車間平均溫度與每萬平方米工位數分布,見散點圖1。

從圖1中直觀發現,僅項目1折算的車間全空調平均溫度低于28 ℃,說明在保證工作區溫度28 ℃的條件下,采用工位空調送風反而比采用車間全空調需要更多的冷量。其他項目折算車間全空調平均溫度均大于28 ℃,說明采用車間全空調比采用工位空調送風需要更多的冷量。

另外,通過散點連線發現崗位數與折算車間全空調平均溫度成反相關,即當車間單位面積送風工位數越多,折算車間全空調平均溫度越低,反之越高。因此,存在一個單位面積工位數或工位數區間在達到同樣的車間工作區溫度的情況下,使得工位空調送風負荷與采用車間全空調負荷相當。受限于項目樣本數量及工藝條件的差異,無法精確統計崗位空調等效的車間全空調平均溫度,但從圖1可大致推斷,每萬平方米工位數小于80個時,采用工位送風更加節能;當每萬平方米崗位數大于120個時,車間全空調系統比工位送風更加節能;當80個≤每萬平方米崗位數≤120個時,采用工位送風與采用車間全空調能耗接近,此時是否采用工位送風空調還需要設計人員綜合舒適度、空氣品質、系統能耗、初投資等方面做進一步的權衡判斷[3-4]。

2 送風口規格及布置間距對工位溫度及風速的影響

全車間空調的送風口設置位置和數量是根據建筑空間平面確定的,通常采用均布的方式,而工位空調的送風口設置位置和數量是根據工位數量、工藝流水線形式來確定。實際工程中,局部通風空調系統的風口設置方式是沿生產線布置在同一高度上,送風直接通過側送風口送到人員活動區域,將生產區域分成空調區域和非空調區域;然而,由于送風射流高度相同,送風射流會存在一定的干擾碰撞,從而使非空調送風區域的空氣發生擾動,部分空調區域的冷量流向非空調送風區域,造成送入空調送風區域的冷量減少,空調能耗增加。因此本文通過利用 CFD 仿真模擬,對上述問題進行了分析,通過改變送風口尺寸及間距,對空調送風氣流組織進行優化。

本文以6號項目作為研究對象,把送風口數量作為自變量,送風空調區的溫度和速度作為因變量,通過CFD仿真模擬,來分析空調送風口的設置距離、風口數量對空調區域的溫度場和速度場分布的影響(見表4)。

表4 模擬邊界條件

該6號項目采用15臺組合式空調機組集中送風,每臺風量50 000 m3/h,機組安裝在車間屋頂的空調機房內,車間送風干管采用鍍鋅鋼板風管,敷設在車間網架內,工藝線區域末端送風管沿生產線工藝吊架敷設,工位采用球形噴口送風。

本文通過送風空調區域和工位的風量、溫度及風速等條件進行限定,利用CFD仿真模擬軟件對送風口的設置位置、間距及數量進行調整,進行了3組數據的模擬對比,分別為工況Q1,Q2,Q3,各工況送風口設置參數詳見表5。三種工況下的CFD仿真模擬詳見圖2—圖4。

表5 三種送風口設置參數

從以上仿真模擬圖可以看出,局部空調送風系統的空調區域的射流送風口由于送風速度的存在,會卷入一定量的周圍空氣,造成周圍非處理的空氣與空調送風的摻混。對比三種工況的送風干擾情況,我們可以發現,工況Q1由于送風口數量少,間距大,在相同的送風速度下單個送風口風量大,相對的送風截面區域也更大,造成送風氣流對周圍空氣的擾動明顯,摻混的最為嚴重。而工況Q3由于送風口數量較多,間距較小,單個風口的送風量也較小,相對的送風截面區域也小,氣流擾動相對工況Q1就小的多,摻混周圍空氣也就較少。而相對的工況Q2介于兩者之間[5-7]。

對于汽車工廠生產線上的局部通風空調送風系統,為了降低能耗,僅僅對生產線局部工位區域進行風速和溫度的控制。本次結合三種工況的送風狀況,對空調送風口垂直送風方向的斷面風速進行了模擬和統計計算,分別選取了距離地面1.5 m,2.0 m,3.0 m的三個斷面的數據進行對比分析,詳見表6,三種工況下不同截面的風速分布圖見圖5,圖6。

表6 三種工況下工作區數據統計

從表5及圖示中,我們能夠發現三種工況下送風射流到達工作區時,送風射流的速度值各不相同,工況Q1的射流速度值最大,工況Q2次之,工況Q3的射流速度值最小。同樣通過圖2可以發現由于送風對周圍空氣的卷入,工況Q1的速度場的分布很不均勻;從圖3,圖4我們可以發現,隨著送風口數量的增多、送風距離的減小及單個風口風量的減小,工作區送風速度場的分布相對來說也越來越均勻。從三種工況的仿真模擬圖也可以發現,隨著送風口數量的增多和送風口距離的減小,送風對周圍空氣的卷入越來越少,送風也就更加均勻,形成扁平狀的“活塞流”,有效保證了空調區域的環境溫度和風速控制,相對也就更加節能。

從表6,圖6我們也可以發現,三種工況下,豎直方向送風斷面的平均溫度變化不是很大,最大的溫差只有0.4 ℃左右。這說明送風口數量的變化,并不會使工作區的平均溫度發生大的改變。由于送風口數量及送風量的增加,送風斷面的風速影響相對較大。因此,為了保證局部崗位送風達到良好的送風空調效果,需要結合生產線的布置設置合理的風口數量、風口間距及送風量,保證一定的送風速度,才能達到最佳的局部空調降溫效果。

3 結論

本文通過對汽車工廠諸多車間空調送風系統實際工程案例數據的分析,以及某項目的CFD仿真模擬,得出以下結論供設計者在以后的設計中參考:

1)對比工位送風空調系統和傳統的全車間空調系統,每萬平方米崗位數小于80個時,采用工位送風更加節能;當每萬平方米崗位數大于120個時,車間全空調系統比工位送風更加節能。當80個≤每萬平方米崗位數≤120個時,采用工位送風與采用車間全空調能耗相當,采用工位送風與采用車間全空調能耗接近,此時是否采用工位送風空調還需要設計人員綜合舒適度、空氣品質、系統能耗、初投資等方面做進一步的權衡判斷。

2)在送風量一定的情況下,送風口的數量、距離及風口尺寸的變化對于局部空調區域的溫度影響較小,溫度相對較均勻。

3)在送風量一定的情況下,送風口的數量、距離及風口尺寸的變化對于局部空調區域的速度影響較大,送風速度隨著送風口的數量的增加而減小,風速過小會影響工位人員的體感空調效果。因此為實現最佳的局部空調降溫效果,應根據實際工位數量和位置確定風口規格及布置間距。