杨勇

中船第九设计研究院工程有限公司

0 引言

目前，对于有温湿度要求的高大厂房，其空调系统普遍才用了水平侧送的分层空调方式，以实现既保证工作区空调要求，又减少空调能耗[1]。同时，在工业厂房中，由于众多的工业管道及行车运行的工艺要求，分层空调一般采用喷口侧送的无风道送风形式。

本文对于无锡某机加工车间空调系统设计的落地式射流柜机无法满足现场安装尺寸要求的情况，将落地式改为吊装式射流机组，同时，在吊装射流机组后端连接竖向风管并在低位设置回风口，使就近区域的人员处于空调回流区域。本文为确定合适的吊装高度以满足人员区域温度及风速要求，利用 CFD 数值模拟方法分别对这两种吊装高度下的设计方案进行气流组织分析，并通过分析对比，得到满足设计要求的空调方案。

1 模型及边界条件

该机加工车间空调温度要求为制冷季 20～30 ℃，制热季 14 ℃～30 ℃。要求人员工作区域末端风速在0.5 m/s 左右。单台射流机组风量 5000 m3/h，送风速度为16.8 m/s。夏天送风温度为15.5 ℃，冬季送风温度为37.5 ℃。本文选择2 个柱距的空间进行模拟，每个立柱吊挂2 台射流机组，柱间距离9.0 m，厂房跨度21.5 m，高度11.5 m。选取的模拟范围如图1 中方框内所示。

图1 机加工车间空调平面图

本文采用Ansys 19.0 建模并进行模拟计算。单台射流机组有2 个φ400 喷口，单个喷口额定风量2500 m3/h，回风口中心高度1.0 m，尺寸 1200 mm×800 mm。经现场调研，建立物理模型如图 2 所示，4 为射流机组，空调气流从1 处进入车间，从 2 处回风口经5 静压箱回到机组，3 处为车间的空间边界。

图2 射流机组安装模型

（1）数学模型

考虑到计算精度及计算经济性及使用范围，湍流模型选用RNGk-ε模型[2-3]。

（2）边界条件

计算域来流边界按射流机组出风口，设置采用Ansys 19.0 的INLET 模块。夏季工况下来流边界处参考风速定16.8 m/s，出风温度为15.5 ℃。冬季工况下来流边界处参考风速定16.8 m/s，出风温度为37.5 ℃。

按照传统空调设计方法[4]，传热边界条件按地面：夏季供冷工况下冷负荷148 W/m2。冬季供暖工况下热负荷-67 W/m2。

本次模拟区域车间截面处采用了 symmetry 边界条件。

（3）网格划分及车间气流组织模拟模型

Ansys 19.0 的计算网格采用 adaptive 三维网格。在计算区域采用非均匀网格。

根据模型简化原则建立的 Ansys 19.0 空调气流组织模拟模型如图3 所示。

图3 车间气流组织模拟模型图

2 模拟结果分析

2.1 吊装高度3.5 m 时模型模拟分析

2.1.1 供冷工况

图4 为模拟区域1.5 m 高度处的风速云图。在人员活动区域内，空调末端风速普遍大于1.25 m/s，不满足人员工作区域末端风速控制要求。

图4 供冷时模拟区域1.5 m 处风速云图

图5 供冷时模拟区域1.5 m 处温度云图

供冷工况下，模拟区域1.5 m2高度处的温度云图如图5 所示。在人员活动区内，除边角区域由于模型的模拟精度外，90%的区域温度在20～27 ℃之间，处于控制区间内。

2.1.2 制热工况

图6 为模拟区域1.5 m 高度处的风速云图。在人员活动区域内，40%以上区域空调末端风速普遍大于0.975 m/s，不满足人员工作区域末端风速控制要求。

图6 制热时模拟区域1.5m 处风速云图

制热工况下，模拟区域 1.5 m2高度处的温度云图如图 7 所示。在人员活动区内，除边角区域由于模型的模拟精度外，大部分区域温度在14 ℃以上。

图7 制热时模拟区域1.5 m 处温度云图

2.2 吊装高度4.0 m 时模型模拟分析

2.2.1 供冷工况

图8 为模拟区域1.5 m 高度处的风速云图。在人员活动区域内，90%以上的区域风速均在 0.6 m/s 左右，满足人员工作区域末端风速控制要求。

图8 供冷时模拟区域1.5 m 处风速云图

供冷工况下，模拟区域 1.5 m2高度处的温度云图如图9 所示。在人员活动区内，除边角区域由于模型的模拟精度外，90%的区域温度在20～27 ℃之间，处于控制区间内。

图9 供冷时模拟区域1.5 m 处温度云图

2.2.2 制热工况

图10 为模拟区域1.5 m 高度处的风速云图。在人员活动区内，90%以上的区域风速均在 0.5 m/s 左右，满足人员工作区域末端风速控制要求。

图10 制热时模拟区域1.5 m 处风速云图

制热工况下，模拟区域1.5 m2高度处的温度云图如图11 所示。在人员活动区内，除边角区域由于模型的模拟精度外，大部分区域温度在14 ℃以上。

图11 制热时模拟区域1.5 m 处温度云图

3 结论

本文利用CFD 模拟设计射流机组空调吊装效果，分析对比了不同吊装高度下的速度场与温度场，得到以下结论：

1）吊装高度为3.5 m 时，供冷工况与制热工况下，工作人员所处区域的末端风速不满足设计要求。

2）吊装高度为4.0 m 时，供冷工况与制热工况下，室内大部分区域风速在1.0 m/s 以下，90%以上风速处于0.5 m/s 左右。95%以上的区域温度在14～30 ℃之间满足室内设计温度要求。即室内气流风速、室内温度均满足规范的设计要求。

3）制热工况时，可通过末端控制，适当降低室内温度，同样能满足设计要求。

4）实际安装高度可以设定为 4.0 m，回风口中心高度1.0 m。