徐菱虹， 劉云霞， 胡 璋

(華中科技大學 環(huán)境科學與工程學院， 湖北 武漢 430074)

目前國內大力興建火力發(fā)電廠，因能源利用成本低，設計建設時缺乏節(jié)能意識，因此存在嚴重的建筑能耗問題。汽輪機房通風系統(tǒng)因散熱量大、通風散熱意義重大，設計時常側重于通風安全性，而較少考慮節(jié)能，因此也是火電廠建設中能源耗費嚴重的典型。合理的設計方案不僅要滿足通風散熱要求，還要盡量節(jié)約能源。

近年來，隨CFD技術的成熟，國內外學者對大空間建筑通風做了大量模擬研究[1～3]，接近真實測試數(shù)據(jù)的模擬研究結果對實際工程有重大指導意義。本文以面向HVAC領域的Airpak軟件為模擬仿真工具，對一實際火電廠工程的汽輪機房通風系統(tǒng)進行模擬研究，分析其通風效果，并在此基礎上進行節(jié)能改善，通過模擬驗證，設計出理想的節(jié)能通風系統(tǒng)。

1 汽輪機房通風設計

本文選取的研究對象為一個實際的大型火電廠工程設計項目——2×300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)工程，地處河南安陽，夏季通風設計溫度為32℃。原工程設計中通風系統(tǒng)為下部百葉窗自然進風，上部屋頂通風機排風的自然進風、機械排風方式。汽輪機房各層的樓板均為柵格樓板，通風設計示意圖見圖1。

1、2—防爆屋頂風機，3—汽輪機組，4—除氧器；圖1 通風設計示意圖

設備總散熱量為6950 kW；總散濕量為2200 kg/h。工程設計中，設計人員計算出排除汽輪機房室內余熱(余濕)所需通風量為301×104kg/h (267×104m3/h)；排除除氧間室內余熱(余濕)所需要的通風量為64.5×104kg/h(57.5×104m3/h)。汽輪機房屋頂布置32臺No.15防爆屋頂風機，其型號為：DWT No.15，a=17°，風量：85000 m3/h，配電機YB2-160L-8，n=720 rpm，N=5.5 kW。除氧間屋頂布置10臺No.14防爆屋頂風機，其型號為：DWT No.14，a=20°，風量：60000 m3/h，配電機YB2-160L-8，n=560 rpm，N=4 kW。風機運行總功率為216 kW。

根據(jù)《火力發(fā)電廠及變電所供暖通風空調設計手冊》中給出的通風量估算值[4]，此2×300 MW工程的汽輪機房通風量為200×104kg/h;除氧間的風量估算值為56×104kg/h?？梢姡诖斯こ淘O計中，設計人員過多考慮通風安全，通風換氣量計算值偏大。

2 數(shù)學模型及邊界條件

Airpak軟件是Fluent軟件下特別面向HVAC領域的專業(yè)人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件，近年來大量應用于工程流場的研究，大量實例驗證了其模擬計算結果的準確性[5～7]，可用于進行通風系統(tǒng)的專業(yè)分析。

AirPak提供4種湍流模型：混合長度模型、Indoor零方程模型、標準k-ε模型、RNGk-ε模型。

Chen等人從在普朗特Prandtl的混合長度模型的動力學湍流粘度表達式中提出了一個簡單的代數(shù)方程式來表示湍流黏度，將湍流黏度看作當?shù)貢r均速度和長度尺度的函數(shù)[5]，即

μt=0.03874ρυl

(1)

式中：υ為當?shù)貢r均速度；長度尺度l被定義為與最近壁面的距離。

Indoor零方程模型是為模擬室內空氣流動而發(fā)展來的，為暖通空調氣流組織的研究提供了一個簡單而又可靠的湍流模型。它計算收斂速度快、收斂穩(wěn)定性好，對預測室內氣流組織的效果很理想，適用于自然流動、機械流動、混合流動以及置換通風。本文研究的是強熱源工業(yè)廠房的通風問題，考慮到室內置換式通風及計算的經(jīng)濟性，故選擇Indoor零方程湍流模型。

3 夏季通風設計工況模擬計算分析

3.1 幾何模型

本文所研究的火力發(fā)電廠，主廠房按2×300 MW機組布置，在老廠房擴建端擴建，橫向按汽機房、除氧間、煤倉間和鍋爐房順序排列，汽輪發(fā)電機組縱向布置。汽機房采用大平臺布置，運轉層標高12.6 m，中間層標高6.3 m，除氧間標高22 m，除氧間跨距9 m。主廠房柱距9 m，共18檔，外加一個伸縮縫和距老廠房擴建端距離，主廠房總長度為169.5 m，汽機房、除氧間屋頂標高33 m。對建筑內部不影響通風的結構進行簡化，建立簡化模型如圖2所示。

2014-2016年，門診中成藥銷售金額分別為348.04、305.17和288.23萬元，分別占門診藥品銷售總金額的42.28%、36.22%和36.98%。中成藥均為口服或外用品種，口服中成藥的金額占比最高，未使用中藥注射劑。2014-2016年不同給藥途徑中成藥銷售金額見表1。

圖2 汽輪機房通風系統(tǒng)幾何模型

3.2 求解參數(shù)設定及求解控制

結合Airpak軟件中各數(shù)學模型特點，運算Airpak時離散求解的相關參數(shù)設置如下：

(1)湍流模型：Indoor零方程模型；

(2)松弛因子：壓力為0.3；動量為0.7；溫度為1.0；速度為1.0；k為0.5；ε為0.5；

(3)收斂準則：連續(xù)性方程變量為1×10-3；能量變量為1×10-6；各速度分量變量為1×10-3。

采用穩(wěn)態(tài)算法，開啟默認的S2S輻射模型運算，并開啟了室內空氣質量/室內舒適性控制可計算解決流場(流速和壓力)和溫度問題。設置環(huán)境溫度為32℃，室內初始溫度為環(huán)境溫度，室內初始風速為0，設置默認流體為空氣。

3.3 夏季通風設計工況模擬分析

在數(shù)值模擬計算結果中，直觀反映出通風效果的指標就是工作區(qū)溫度場、速度場，以及排風區(qū)的溫度場、速度場、空氣年齡。

設置進風口模型Vent：各進風百葉開啟角度一致，則設置進風速度一致。原工程設計中實際設計風速為2.889 m/s，在建模的過程中預先考慮流量因素的影響，故設計進風口平均風速設置為1.83 m/s。汽輪機房進風量分配與汽輪機房各層的進風面積分配比一致，即為底層49.5%，中間層21%，運轉層29.5%。

設置排風口模型Fan：汽輪機房屋頂布置32臺No.15防爆屋頂風機，全開啟，設置為定流量排風，排風速率為23.17 m3/s；除氧間屋頂布置10臺No.14防爆屋頂風機，全開啟，設置為定流量排風，排風速率為16.0 m3/s。

圖3 Y=1.5 m截面(底層工作區(qū))溫度矢量圖

圖4 Y=14.1 m截面(運轉層工作平臺)溫度矢量圖

圖5 Z=-24 m截面(汽輪機房屋頂風機中心截面)溫度矢量圖

圖6 X=72 m截面(汽輪機房某屋頂風機中心截面)溫度矢量圖

模擬運算結果如圖3～6。以上模擬結果圖近似真實且直觀地顯示了通風效果：

(2)汽輪機房內同截面上的溫度場并不均勻，在汽輪機房上空，遠離屋頂風機的外門側溫度明顯高出近風機側的下空，在上空屋角處存在著熱量聚集問題。

4 通風設計改善及節(jié)能設計模擬

原通風系統(tǒng)模擬計算結果表明，原設計中通風量偏大，有一定節(jié)能空間。因此，可以考慮減少通風量，關閉某些風機，實現(xiàn)節(jié)能。經(jīng)過多次試驗，得出如下改進設計方案的效果最理想。

關閉6臺No.15防爆屋頂風機，其它風機仍正常運行。因設備散熱造成的熱負荷造成熱氣流上升，因而，上部進風口風速大時通風效果較好。調整進風風速，使汽輪機房各層窗口的進風分配比例為：底層40%，中間層20%，運轉層40%。模擬計算結果如圖7～10。

綜上模擬結果圖可知，此節(jié)能改進設計是成功的，在通風設計室外溫度32℃的條件下，比原工程設計減少運行了6臺No.15防爆屋頂風機，

圖7 改進后Y=1.5 m截面(底層工作區(qū))溫度矢量圖

圖8 改進后Y=14.1 m截面(運轉層工作平臺)溫度矢量圖

圖9 改進后Z=-24 m截面(汽輪機房屋頂風機中心截面)溫度矢量圖

圖10 改進后X=72 m截面溫度矢量圖

工作區(qū)溫度仍然在設計要求溫度35℃范圍內，排風溫度也能滿足設計要求溫度40℃，通風效果仍能完全滿足通風散熱設計要求，且溫度場較均勻，不存在氣流死角導致的熱量聚集問題。而此時，風機運行總能耗降為183 kW，比原工程設計工況的216 kW節(jié)能33 kW，節(jié)能率達到15.3%。

5 結論及展望

利用Airpak軟件對原工程設計的夏季通風系統(tǒng)進行驗證，從反映通風散熱效果的指標的溫度場，得出原設計存在能耗嚴重、氣流組織不均勻的結果。從改善通風氣流組織效果和節(jié)能兩方面出發(fā)，對汽輪機房的通風設計做改善，得到夏季通風系統(tǒng)運行節(jié)能33 kW(節(jié)能率為15.3%)的滿意設計工況，同時解決了氣流組織不均勻的問題。

采用CFD技術模擬計算大空間建筑物的通風系統(tǒng)還處于起步階段，需要研究工作者進一步的努力，實現(xiàn)CFD模擬研究能簡單而準確地反映真實的目標，以便于在實際工程設計中能推廣應用CFD技術以指導設計、優(yōu)化設計。本文采用了面向HVAC的專業(yè)CFD軟件Airpak，建模簡單而計算準確，但還存在一些問題有待進一步研究，主要問題有：

(1)因風壓易變而難以準確計算，本研究中只考慮了熱壓的作用，而忽略了外界風壓對通風系統(tǒng)的影響，若能在模擬中較準確地考慮風壓和熱壓的共同影響，模擬結果將會更準確。

(2)Airpak提供的湍流模型各有適用流場，且各有優(yōu)缺點，需探索更適合于大空間建筑物通風系統(tǒng)的湍流模型。

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