张家文 沈云鹏 沈恒根*

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

与大气环境几乎隔绝的高热密闭空间多出现在地下建筑、工业建筑、船舶环境等。因密闭空间可容纳设备散热量有限，当该空间装有散热量较大的设备时，极易造成密闭空间温度快速升高，若不采取有效通风措施将会造成劳动环境恶劣、相关设备的安全运行得不到保证。一般采用全新风换气降温往往需要的通风量较多、通风系统所占据空间也较大，如一般船舶机舱的设备散热量为陆地机炉舱的5～6倍[1]，其通风系统设计往往较为复杂。因此，对此类高散热密闭空间建筑的通风系统需要进行优化设计。

近年来CFD仿真模拟的方法被广泛应用于空调通风的气流组织[2-7]，赵斌[8]等还分析了暖通空调气流组织模拟中的不足并提出相关应对策略。本文对常规使用的全新风通风方式和拟采用的“室外新风+循环水间接冷却风+射流送风”复合通风方式进行模拟计算及结果分析，用于预测通风方式改进前后通风效果。

1 通风降温方案设计

1.1 某高散热密闭空间简况及热环境分析

该高散热密闭空间与上部主机进、排气管道间相通，空间尺寸 A×B×H为 18 m×14 m×4 m，两侧平台离底面距离1.1 m，内有主机，主机配套发电机,辅发电机组,锅炉等设备及管道。该密闭空间平面示意图见图1，各散热设备的散热量见表1。

图1 密闭空间平面示意图

表1 密闭空间设备散热量

计算密闭空间热容量QV（kJ/K）为 ：

式中：ρ为空气密度，k g/m3；C为空气的定压比热容，kJ/(kg ·℃)；V为密闭空间的有效容积，m3。

有效容积V计算公式为：

式中：k为有效容积系数，%。

在不采取任何通风降温措施的情况下，设备运行造成该高散热密闭空间空气的平均温升速率△T1（℃/s）为：

式中：QE为设备正常运行时的总散热量，kW。

根据式（1）～（3）计算得：QV=690.3 kJ/℃；△T1=0.30℃/s。可见，该 密闭空间若不采取任何通风措施会造成空气温度上升很快，环 境空间条件极度恶化。

1.2 通风方式

1）全新风通风方式

采用全新风方式具有室外风不必降温处理的优点，但也带来通风量较大的问题。通风降温的通风量L（m3/s）计算方程式为：

式中：△T2为送风温差，℃。

一般工业建筑环境允许空间环境温升略高于室外温度且室内温度不得超过35℃[9]，对于船舶机舱这类高散热设备环境，规定允许的环境空间内最高温度不得超过55℃[10]。

2）复合通风方式

通风降温本质在于消除设备散热。因此，采用循环水对高热区域进行间接冷却带走一部分热量从而降低通风量。新风供给为满足人员和设备的供氧需求并承担剩余的设备散热量，新风量计算公式为：

式中：Qp为循环水间接冷却通风装置的排热量，kW。本案例设计2台循环水间接冷却密闭空间高温区空气装置：单台设备的排热量为 30 kW、循环风量 2.42m3/ s、回 风口尺寸 1.0 m×0.9 m、送 风口尺寸 0.5 m×0.3 m。

为改善环境空间内的温度分布，本 案例同时在低温区布置射流通风器，它 具有便于布置、气 流容易控制、可 以诱导环境空气实现长距离输送的特点[11]。根 据空间实际情况布置了4个射流通风系统，每个射流通风系统的循环风量为 1.67m3/ s、配 置 30 个 φ4 2mm 圆形射流风口、回 风口尺寸1.0 m×0.90 m。循 环水间接冷却通风装置，射 流通风装置及射流风口的布置位置见图2。

图2 装置及风口布置平面示意图

1.3 计算模型

1）计算方法

本文的气流运动湍流模型选 Realizablek-ε湍流模型。流体速度-压力的耦合用SIMPLE算法，对流项用二阶迎风格式，近壁面用增强壁面函数处理。为提高模拟精度和效率，作如下假设[12]：

①密闭空间空气流动过程为不可压的稳态流动。

②密闭空间温度较高，对空气的密度作bossinesq近似，重力加速度取9.8m/s2。

③除密闭空间机械进、排风外，假定密闭空间密封性良好。

④各壁面的辐射传热暂不考虑。

⑤忽略粘性力做功引起的耗散热。

⑥各散热设备能均匀地向周围环境散热。

2）网格划分及边界条件

因密闭空间结构复杂，本文利用Gambit软件作非结构化网格并对高热流壁面、各风口加密网格。

各边界条件设置为：机械进、排风口：velocity–inlet（速度入口），密闭空间内部壁面：绝热；密闭空间各外围结构：等壁温边界，各散热设备表面：恒热流密度，循环水间接冷却通风装置送、回风口及射流风机吸风口：velocity inlet（速度入口），射流喷嘴出口：velocity inlet（速度入口）。

2 计算结果及分析

因该密闭空间通风的主要任务是保证设备正常运行并提供安全健康环境，本文考察人员工作区域、热流密度较大的发电机、动力设备主机等设备周边空气的速度场、温度场。设锅炉与主机之间的人行通道为A通道、两台发电间的人行通道为B通道、距密闭空间底面1.5 m高区域为人员呼吸区。

2.1 全新风通风方式

全新风通风方式下人员呼吸区截面的速度和温度分布见图3，平均速度和平均温度分别为1.18m/s、38.3%℃。图3（a）表明：人员呼吸区气流速度场分布不均匀，两侧速度大（2.5～4.5m/s）、各人行通道的速度较小。因散热设备主要位于密闭空间中间区域，两侧速度大并不利于排除设备散热，仍采取侧送风的方式是为了避免下送风使新风道下方的主机表面产生巨大热应力而损坏设备。密闭空间后部中间区域速度大部分低于0.5m/s，两台发电机因远离新风口导致周边气流速度较小，尤其是左侧发电机和密闭空间前壁面之间区域的气流速度极小。图3（b）显示密闭空间内的温度场分布较不均匀，密闭空间前侧靠近发电机周边的空气温度普遍较高，为43～50%℃左右，部分区域温度高达60%℃。后部的空气温度则较低，平均温升在3～6%℃。左侧后部区域的空气温度约35～36%℃左右，右侧的空气温度在37～38%℃左右，这是因新风采取了侧送的方式，使得流入两侧的新风较多，同时两侧的后部区域均无散热设备。

图4 A通道中心截面的速度云图、温度云图（全新风通风方式）

A通道中心截面的速度和温度分布图见图4，平均速度和平均温度分别为0.80m/s、37.6%℃。图4（a）显示A通道中心截面后部上方出现一个速度达到7～9m/s的明显红色区域，该区域即为正对新风道侧向开口处，周边的气流速度也较大。中部出现了速度低于0.5m/s的区域，该区域内有可能产生了气流涡旋。图4（b）显示A通道中心截面的温度分布极不均匀。后侧上部因有大量新风流入使空气温升保持在1%℃以内，这使部分新风未能得到有效利用。前侧因远离新风口使空气温度普遍较高，尤其是靠近发电机的顶部区域空气温度达到60%℃。

B通道中心截面的速度和温度分布见图5，平均速度和平均温度分别为0.67m/s、38.9%℃。图5（a）显示中心截面的速度分布不均匀，最大速度（8.12m/s）出现在排风口周边。2 m以下区域内的速度较小，新风口周边的速度较大，这表明大量新风没能送到B通道上人员工作区域。图5（b）显示中心截面前部区域温度较高，温度梯度也较大，尤其是顶部区域最高温度达到60%℃，是因为该区域位于两台高发热量发电机周边。

图5 B通道中心截面的速度云图、温度云图（全新风通风方式）

2.2 复合通风方式

复合通风方式下人员呼吸区截面的速度和温度分布见图6，平均速度和平均温度分别为1.26m/s、39.0℃。图6（a）表明：因在密闭空间内各处布置了射流风口，人员呼吸区的速度分布较为均匀，后部中间区域，各人行通道，锅炉及发电机周边的气流速度较全新风通风方式显著提高。图6（b）中发电机周边高温区域较全新风通风方式下略有扩大是因气流速度较高使对流换热加强，也正因为对流换热的加强使发电机周边空气的最高温度由全新风通风方式下的60%℃降为52℃。

图6 人员呼吸区截面的速度云图、温度云图（复合通风方式）

图7 A通道中心截面的速度云图、温度云图（复合通风方式）

A通道中心截面的速度和温度分布见图7，平均速度和平均温度分别为1.79m/s、38.4℃。图7（a）中心截面的速度场较为均匀，各射流风口下气流速度均较大，不存在气流涡旋。图7（b）中心截面的温度场较为均匀，前部和后部的温度差异较小，靠近循环水间接冷却通风装置的上部出现一小区域温度较高，靠近发电机周边的高温区域消失。

B通道中心截面的速度和温度分布见图8，平均速度和平均温度分别为1.07m/s、39.3%℃。图8（a）中各射流风口下速度较大且分布较为均匀。图8（b）显示中心截面大部分区域温度均在39%℃左右。仅在靠近发电机周边空气温度较高，主要在43～46%℃左右，顶部周边少量区域空气温度超过50%℃，最高温度仍然不超过52%℃。

图8 B通道中心截面的速度云图、温度云图（复合通风方式）

2.3 对比分析

由模拟结果可知，复合通风方式较全新风通风方式下该高散热密闭空间内空气流场有以下变化：1）人员呼吸区截面，A通道中心截面，B通道中心截面的平均速度，平均温度见表2。各截面的平均速度显著提高，平均速度的提高是因为射流风机抽吸密闭空间尾部低温区的气流并从各处的射流风口以较高速度射出，有利于改善温度分布的均匀性。各截面平均温度略有下降，温度场的均匀性因各射流风口送出的较低温度空气而改善明显。2）高散热设备发电机周围空气的最高温度由60%℃降为52℃，超过50℃高温区域明显减小，因为循环水间接冷却通风装置通过抽吸发电机周围的顶部区域高温空气和循环水换热后以较低温度的空气送入该密闭空间。

表2 两种通风方式截面的平均速度及平均温度

3 结论

本文针对某高散热密闭空间通风降温问题，分析了该密闭空间在不采取通风措施下空气的平均温升速率。并运用模拟试验的方法分析了全新风通风方式和拟采用的复合通风方式，结果表明。

1）若不采取任何通风措施时，空气的平均温升速率达到0.30℃/s。

2）全新风通风方式下通风量大，密闭空间内空气速度场和温度场的均匀性较差，发电机等设备周围空间环境温度超过设计温度上限。

3）拟采用的复合通风方式下空气的速度场和温度场均匀。与全新风通风方式相比，各截面平均速度均提高60%以上。发电机周边空气温度下降8%℃左右。

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