邓少慧

中核工程咨询有限公司 北京 100044

1 主控室空调系统介绍

K2项目主控室空调系统在正常工况下采用新风加回风的混合方式运行。系统设置2x100%（一用一备）并联的空调处理机组，当运行机组故障时，备用机组自动启动。空调机组包括预过滤器、高效过滤器、电加热器、冷却器、加湿器、离心风机等元件。当室内冷负荷变化时，主控室空调系统采用定风量、变冷冻水流量的控制方式。因为要求主控室一直是处于微正压，因此变风量控制模式不适合本系统。机组中的冷却盘管、电加热器、电加湿器的运行受温湿度传感器控制。可通过回风的温、湿度来调节送风的温、湿度，从而达到调节的作用而不用改变送风量。

2 Airpak简介

Fluentairpak是CFD技术的一个系统分析软件，它基于有限容积法，具有自动化的非结构化、结构化网格生成能力。它可以准确的模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，可以计算出不同空调系统送风气流组织形式下室内的温度场、湿度场、速度场空气龄场、污染物浓度场、PMV场、PPD场等，以对房间的气流组织、热舒适性和室内空气品质（IAQ）进行全面综合评价。从而可以减少设计成本，降低设计风险，缩短设计周期[1]。

3 物理模型

3.1 边界条件

侧送侧回的几何模型是根据设计文件0712XNINTC01KKX83181900CNPE03DD通风系统布置图（A版，DES，双语版）而建立。上送侧回的几何模型是参照C2项目设计文件电气厂房暖通竣工图PC2-08-042-01中送回风口的形式和布置而建立。即将C2项目主控室的上送风方案平移至K2项目的主控室中，目的是在同等的条件下来对两种气流组织方式进行分析。

主控室设计风量为7500/h，分为12个送风口送风，则每个送风口的送风量为625/h，取送风温度为20℃，设定送风速度为2m/s．房间微正压值取10Pa[2]。根据设计，回风口为10个。

根据公式Q=3600·A·s，其中Q为风量，单位/h；A为送风口横截面积，单位m2；s为送风风速，单位m/s。可得每个送风口面积为A=625/（3600x2）=0．09m2。侧送风选用双层百叶送风口，上送风选用方形散流器送风口（同C2项目）。按每小时换气次数为4次计算，则每小时回风量为Q=4·V=4x23．7x15．3x5=7252，其中V为主控室空间体积，单位。设回风速度为1．3m/s，则可根据公式Q=3600·A·s，其中Q为回风量，单位/h；A为回风口横截面积，单位m2；s为回风风速，单位m/s。计算出每个回风口面积A=7252/（10x3600x1．3）=0．15m2。

3.2 数学模型

空调送风口的送风过程，是具有一定动量、能量和初始速度的送风射流通过风口或散流器进入室内，通过巻吸室内空气并与之发生掺混，从而实现动量交换和能量交换的过程。当出口雷诺数Re大于30时，射流可以认为是紊流射流的。因此，本文的两种送风方式造成的空气流动都是属于湍流流动。流体流动要遵守质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。控制方程为：

连续性方程：

能量守恒方程：

式中：cp是比热容；T是温度；k为流体的传热系数；ST为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称ST为粘性耗散项。

上述各守恒定律的控制方程都可以表示成以下的通用形式[3]：

其中标准k-ε模型具有较高的计算精度，在稳定性和经济性上的优势也使得该模型具有较广的应用范围。其公式包括湍流动能方程k和扩散方程ε：

其中，Cu为常数。

模型中常数的取值为：Cε1=1．44，Cε2=1．92，Cu=0．09。

可以采用离散的数值解法对上述方程求解。Airpak采用有限体积法的区域离散化方法，将非线性偏微分方程转变为网格单元上的线性代数方程，然后通过求解线性方程组，得出流场的解[4]。

有限体积法是对一般形式的控制微分方程在控制体积内积分，也就是求解积分形式的守恒方程：

本文假定室内空气为低速不可压缩流体；室内空气流动为准稳态、紊流流动；流体的紊流粘性具有各向同性；忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量耗散。

4 模拟结果与分析

因为Y=1．2m处高度是操纵员坐姿工作时的高度，而Z=7．5m处是主控室操纵区的中间部位，且为最大的纵切面处位置。所以分别选取（X=0，Y=1，Z=0）方向，Y=1．2m处横切面和（X=0，Y=0，Z=1）方向，Z=7．5m处纵切面来研究。

分析高度1．2米处，即人体坐姿工作高度处的水平面上的速度分布图。可以看出侧送侧回的风速分布很均匀，且在主控室大部分区域均在理想风速值0．25m/s左右，达到了设计文件在主操作区域的气流速度不超过0．25m/s的要求。而上送侧回的风速分布不均匀，在12个送风口正下方区域风速都较大，且到达人体头部的最大风速达到了0．45m/s。虽然可以满足设计规范人体可接受风速0．6m/s，但会有一定的吹风感，不符合设计文件在主操作区域气流速度不超过0．25m/s的要求。

从主操作区（X=0，Y=0，Z=1）方向，Z=7．5m处竖直切面的速度分布图，可以很明显的看出侧送侧回的送风方式在主操作区的流速很均匀。这是因为人体处于回流区，所以流速会很小且均匀，人体会感觉很舒适。而上送侧回的送风方式，气体流速在竖直方向变化很大，主操作区风速很不均匀，人体处于气流直流区，吹风感会很明显。

从上送风的速度分布可以看出，沿风口方向是气体流速变化最大的方向，选取沿吹风方向的切面可以看到送风气流的走向，由此可以找到送风最不利区域。因此对于侧送风也应选取一个沿侧送风方向的风口处切面图进行分析，找出侧送风的最不利区域。选取房间中部风口（X=1，Y=0，Z=0）方向，X=11．85m风口处切面。

选取X=11．85m的风口处切面，可以看出送风沿风口方向射向大空间，会产生两个涡流区，这是冷风沉降和工作区热风上扬的结果。主工作区大部分处于回流区。涡流区气流流速较大且冷风下沉明显，因此涡流区应为侧送侧回送风方式的最不利区域。最后将给出侧送侧回送风方式的最不利分析。

5 温度场比较

上送侧回的送风方式要比侧送侧回的送风方式整个空间的温度分布更均匀。因为上送的送风口平均分布于整个屋顶，而侧送的送风口只在屋顶的一侧边且风口偏左布置，因此使得在主控室的西北角温度较低。由此可以看出，送风口的位置分布对送风温度的分布有很大影响。尽管如此，因为主操作区处于回流区，因此主操作区的温度分布还是很均匀的。

6 结语

在本文的送风条件下，对侧送侧回送风的最不利区域进行了分析，结果表明气流参数也可以满足设计要求。因此K-2项目主控室采用侧送侧回的送风方式是可行的，这也验证了K-2项目主控室空调系统送风方案初步设计的合理性。而上送侧回的送风方式由于到达人体的流速超出了设计值，因此是不可行的。因为主控室总送风量一定，若改变设计条件，增加送风口数量，减小送风速度，则上送侧回的送风方式也是可行的。