皮英俊 楊 晉

內(nèi)蒙古某耐寒測(cè)試機(jī)庫(kù)供暖形式探討與研究

皮英俊1楊 晉2

（1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092；2.青島海信日立空調(diào)營(yíng)銷(xiāo)股份有限公司 上海 266590）

耐寒測(cè)試機(jī)庫(kù)作為一種特殊的高大空間，其供暖形式一直是暖通空調(diào)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的難點(diǎn)。結(jié)合了數(shù)種飛機(jī)維修及測(cè)試機(jī)庫(kù)的常用供暖形式，通過(guò)分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出“強(qiáng)制對(duì)流供暖”更適合作為耐寒測(cè)試機(jī)庫(kù)的供暖形式。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)方法得出側(cè)送風(fēng)雙層暖風(fēng)機(jī)供暖形式供暖效果好，能源消耗低，是本機(jī)庫(kù)供暖形式的最優(yōu)解決方案，也為其它機(jī)庫(kù)的設(shè)計(jì)提供參考。

維修機(jī)庫(kù)；供暖形式；強(qiáng)制對(duì)流供暖；數(shù)值模擬

0 引言

隨著航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，為滿(mǎn)足民航客機(jī)停留及維修需求，機(jī)庫(kù)建設(shè)日益增多。機(jī)庫(kù)具有面積大，高度高的空間特點(diǎn)，根據(jù)等級(jí)不同，一般機(jī)庫(kù)的建筑面積從2000m2到50000m2不等[1]，空間凈高一般為25m~30m[2]。本項(xiàng)目所闡述的耐寒測(cè)試機(jī)庫(kù)除了滿(mǎn)足機(jī)庫(kù)的基本使用需求外，仍需滿(mǎn)足飛機(jī)極寒測(cè)試的需求。因此，其選址于冬季室外供暖設(shè)計(jì)溫度為-31.6℃的內(nèi)蒙古呼倫貝爾海拉爾[3]，機(jī)庫(kù)平面圖如圖1所示。

高大空間的供暖方案選擇一直是供暖設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重難點(diǎn)。而極寒測(cè)試機(jī)庫(kù)不僅空間尺寸遠(yuǎn)大于常規(guī)高大空間[4]，其還具有以下特點(diǎn)：（1）冬季室外供暖設(shè)計(jì)溫度低，冬季極端最低溫度低于-40℃；（2）外門(mén)面積大，一般機(jī)庫(kù)外門(mén)寬度近似等同于外墻寬度，高度為14~20m不等；（3）飛機(jī)出入機(jī)庫(kù)，大門(mén)需完全敞開(kāi)，室內(nèi)溫度會(huì)在大門(mén)敞開(kāi)的時(shí)間段內(nèi)迅速下降。因此，可以通過(guò)以下兩點(diǎn)來(lái)考量耐寒測(cè)試機(jī)庫(kù)供暖效果的優(yōu)劣：（1）工作區(qū)溫度能否達(dá)到供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度16℃[5]；（2）機(jī)庫(kù)大門(mén)關(guān)閉后，室內(nèi)溫度能否快速回歸設(shè)計(jì)溫度。在日常使用過(guò)程中，機(jī)庫(kù)大部分時(shí)間處于無(wú)飛機(jī)進(jìn)出的穩(wěn)定狀態(tài)。工作區(qū)溫度是此種狀態(tài)下考量機(jī)庫(kù)供暖形式的重點(diǎn)。本文對(duì)工作區(qū)域室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行重點(diǎn)分析，對(duì)溫度回復(fù)速度進(jìn)行定性分析。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于高大空間供暖形式的研究已較為成熟，但其研究對(duì)象的空間高度一般為12~18m[6-11]。但對(duì)于空間凈高為25~30m的機(jī)庫(kù)來(lái)說(shuō)，這些供暖方式的可行性仍需進(jìn)一步的研究。本文將圍繞耐寒測(cè)試機(jī)庫(kù)的供暖形式進(jìn)行探討，通過(guò)對(duì)比分析，并借助CFD模擬的方式，提出一種適合本耐寒機(jī)庫(kù)使用的供暖方式，也為其它機(jī)庫(kù)的供暖設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 內(nèi)蒙古某機(jī)庫(kù)平面圖

1 機(jī)庫(kù)建筑常用供暖形式

高大空間的供暖方式可分為自然對(duì)流供暖方式，強(qiáng)制對(duì)流供暖方式以及輻射供暖方式[12]。下文將基于高大空間的供暖方式，并結(jié)合耐寒測(cè)試機(jī)庫(kù)的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)庫(kù)的常用供暖方式進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 自然對(duì)流供暖

自然對(duì)流供暖以熱水或蒸汽為熱媒，通過(guò)散熱器將熱媒的熱量散發(fā)至房間內(nèi)。此種供暖形式系統(tǒng)簡(jiǎn)單、造價(jià)低。但散熱器只能布置在墻邊，對(duì)于機(jī)庫(kù)這種大空間來(lái)說(shuō)，中心區(qū)域的溫度很難把控。另外，由于熱空氣上浮，室內(nèi)垂直溫度場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)比較明顯的溫度梯度，很難達(dá)到理想的供暖效果。

1.2 強(qiáng)制對(duì)流供暖

強(qiáng)制對(duì)流供暖的主要方式是暖風(fēng)機(jī)供暖。常見(jiàn)的暖風(fēng)機(jī)供暖方式為暖風(fēng)機(jī)頂送風(fēng)供暖。通過(guò)安裝在機(jī)庫(kù)桁架位置的暖風(fēng)機(jī)向下送熱風(fēng)，強(qiáng)制循環(huán)室內(nèi)空氣。相對(duì)于散熱器供暖來(lái)說(shuō)，此種形式可以更好地保證工作區(qū)的溫度，且可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的迅速提升。其缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，且無(wú)法解決高度上溫度梯度的問(wèn)題。

1.3 輻射供暖

輻射供暖方式分為熱水（燃?xì)猓┹椛浒骞┡腿細(xì)饧t外輻射供暖。輻射板一般分為頂板輻射和地板輻射兩種形式。輻射板在獲得相同熱舒適的前提下，一般可降低2~4℃的室內(nèi)計(jì)算溫度，是一種較為節(jié)能的方式，且由于主要通過(guò)輻射進(jìn)行供暖，相較于對(duì)流換熱，溫度梯度小。但由于輻射板溫度較低，故其用量和造價(jià)都相對(duì)較高。此外，輻射板室內(nèi)升溫較慢，飛機(jī)進(jìn)出機(jī)庫(kù)后，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)室溫。地板輻射由于輻射面離工作區(qū)近，相較于頂板輻射來(lái)說(shuō)，熱舒適更好。但地板輻射對(duì)施工工藝要求較高，施工難度大，且機(jī)庫(kù)地面相較于一般建筑來(lái)說(shuō)，需要承受更重的荷載，輻射管埋深更深，傳熱效率降低。另外，地板輻射維修難度較大，若出現(xiàn)漏點(diǎn)，需要開(kāi)挖大范圍地面，維修時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)且代價(jià)較大。

燃?xì)饧t外輻射供暖屬于高溫輻射供暖，利用可燃?xì)怏w通過(guò)發(fā)生器產(chǎn)生紅外線實(shí)現(xiàn)供暖。燃?xì)饧t外采暖具有舒適度好、升溫迅速等優(yōu)點(diǎn)。但由于采用天然氣作為燃料，安全要求高，有發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸的危險(xiǎn)。對(duì)于耐寒測(cè)試機(jī)庫(kù)來(lái)說(shuō)，此做法有較大的安全隱患。

從經(jīng)濟(jì)性、適用性和安全性考慮，強(qiáng)制對(duì)流供暖更適合本耐寒測(cè)試機(jī)庫(kù)使用。下文將著重對(duì)強(qiáng)制對(duì)流供暖及暖風(fēng)機(jī)供暖進(jìn)行分析，并提出一種新的暖風(fēng)機(jī)供暖方式。

2 CFD模擬分析

2.1 數(shù)值模擬

2.1.1 物理模型

本文通過(guò)建立機(jī)庫(kù)三維模型，采用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）的方法對(duì)機(jī)庫(kù)暖風(fēng)機(jī)送風(fēng)進(jìn)行研究。

機(jī)庫(kù)長(zhǎng)寬均為60m，高26m，在四面外墻、頂面及地面設(shè)置空調(diào)熱負(fù)荷。本次模擬主要比較暖風(fēng)機(jī)頂送風(fēng)暖風(fēng)機(jī)供暖及側(cè)送風(fēng)雙層暖風(fēng)機(jī)供暖兩種工況。頂送風(fēng)暖風(fēng)機(jī)一般設(shè)置于機(jī)庫(kù)桁架內(nèi)，本機(jī)庫(kù)桁架底標(biāo)高為24m，故在頂送風(fēng)工況下，將暖風(fēng)機(jī)送風(fēng)口高度設(shè)置為24m。側(cè)送風(fēng)暖風(fēng)機(jī)均勻布置在機(jī)庫(kù)南北兩側(cè)壁面上，由于機(jī)庫(kù)寬度為60m，單側(cè)送風(fēng)機(jī)覆蓋需要超過(guò)30m，參考其他高大空間研究成果，暖風(fēng)機(jī)需雙層布置，布置高度分別為6m和11m，向下傾斜，送風(fēng)角度分別為24°和 30°[7]。機(jī)庫(kù)剖面如圖2所示。

圖2 機(jī)庫(kù)剖面圖

2.1.2 數(shù)學(xué)模型

本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算。流體假定為不可壓縮理想氣體。采用Realizable-兩方程模型，用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理流體與壁面交接區(qū)域，自然對(duì)流采用Boussinesq假設(shè)?？刂品匠贪ㄟB續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程、紊動(dòng)方程及耗散率方程。

采用PISO算法對(duì)壓力-速度耦合方程進(jìn)行求解。為了獲得精確的解，降低數(shù)值解的震蕩，均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行計(jì)算，各項(xiàng)控制方程收斂殘差不高于10-4。

將機(jī)庫(kù)各壁面設(shè)置為第三類(lèi)邊界條件，并相應(yīng)設(shè)置不同的熱流密度。計(jì)算采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在暖風(fēng)機(jī)進(jìn)排風(fēng)口、壁面等位置進(jìn)行局部加密處理，網(wǎng)格如圖3、圖4所示。

圖3 z=13m截面網(wǎng)格劃分圖

圖4 x=28m截面網(wǎng)格劃分圖

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 頂送風(fēng)暖風(fēng)機(jī)供暖

頂送風(fēng)暖風(fēng)機(jī)供暖條件下，熱源集中于上部向下送風(fēng)。由圖5（a）和5（b）可以看出，當(dāng)暖風(fēng)機(jī)安裝于上部區(qū)域時(shí)，由于熱空氣上浮，空間內(nèi)溫度呈明顯的上熱下冷分布。且由于空間高度較高，工作區(qū)（=1.5m；=4.5m）平均溫度分別為7℃和9℃，溫度分布詳見(jiàn)圖5（c）、5（d）。

頂送風(fēng)暖風(fēng)機(jī)供暖條件下，工作區(qū)（=1.5m；=4.5m）環(huán)境風(fēng)速基本都在0.7m/s以下，速度分布詳見(jiàn)圖5（e）、5（f）。

2.2.2 側(cè)送風(fēng)雙層暖風(fēng)機(jī)供暖

側(cè)送風(fēng)雙層暖風(fēng)機(jī)供暖條件下，暖風(fēng)機(jī)從兩側(cè)向機(jī)庫(kù)內(nèi)送風(fēng)。由圖6（a）和6（b）可以看出，在側(cè)送的情況下，暖風(fēng)機(jī)送出的熱風(fēng)向下5~6m左右之后，熱空氣開(kāi)始上浮。整個(gè)空間區(qū)域溫度較為均勻，垂直溫度梯度不顯著。

側(cè)送風(fēng)雙層暖風(fēng)機(jī)供暖條件下，工作區(qū)（=1.5m；=4.5m）環(huán)境風(fēng)速為0.3~0.9m/s，在兩側(cè)靠近風(fēng)機(jī)位置區(qū)域，風(fēng)速超過(guò)1m/s。速度分布詳見(jiàn)圖6（e）、6（f）。

2.2.3 兩種送風(fēng)方式比較

兩種送風(fēng)方式下，垂直方向各截面平均溫度如圖7所示。從圖7（a）可以看出，在近地面工作區(qū)，平均溫度小于10℃。在10m高左右，平均溫度可達(dá)到16℃左右。對(duì)于高度超過(guò)20m的機(jī)庫(kù)來(lái)說(shuō)，頂送風(fēng)效果十分有限。由于熱源設(shè)置于機(jī)庫(kù)上部，垂直溫度梯度大于1℃/m，上熱下冷的情況較為嚴(yán)重。不僅工作區(qū)溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，高處溫度過(guò)高也造成了能源的大量浪費(fèi)。

從圖7（b）可以看出，側(cè)送風(fēng)雙層暖風(fēng)機(jī)狀態(tài)下，整個(gè)空間的溫度分度十分均勻。由于熱源設(shè)置于機(jī)庫(kù)兩側(cè)向下吹風(fēng)，極大程度上減輕了熱空氣上浮的影響，整個(gè)空間的垂直溫度梯度小于0.2℃/m。工作區(qū)溫度大于16℃，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

從速度分布云圖可以看出，頂送風(fēng)暖風(fēng)機(jī)供暖方式的速度分布要低于側(cè)送風(fēng)雙層暖風(fēng)機(jī)供暖方式，且整個(gè)空間的速度分布也更佳均勻。

從模擬結(jié)果看出，側(cè)送風(fēng)雙層暖風(fēng)機(jī)供暖方式的供暖效果要明顯優(yōu)于頂送風(fēng)暖風(fēng)機(jī)供暖方式。（1）頂送風(fēng)方式在機(jī)庫(kù)高度過(guò)高的情況下，工作區(qū)很難達(dá)到設(shè)計(jì)溫度；而側(cè)送風(fēng)方式熱源設(shè)置在機(jī)庫(kù)兩側(cè)中下部，工作區(qū)溫度可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。（2）頂送風(fēng)方式由于存在較大的垂直溫度梯度，會(huì)造成頂部非工作區(qū)溫度過(guò)高，造成能源的浪費(fèi)；而側(cè)送風(fēng)整個(gè)空間溫度分布均勻，相對(duì)于頂送風(fēng)方式來(lái)說(shuō)，更加節(jié)能。但側(cè)送風(fēng)形式暖風(fēng)機(jī)會(huì)占用一部分的室內(nèi)空間，且靠近送風(fēng)機(jī)位置附近的環(huán)境風(fēng)速大于1m/s，對(duì)本文所述耐寒測(cè)試機(jī)庫(kù)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，此兩點(diǎn)對(duì)機(jī)庫(kù)正常使用無(wú)影響。對(duì)于其他機(jī)庫(kù)來(lái)說(shuō)，使用此種送風(fēng)方式前，需對(duì)環(huán)境風(fēng)速及風(fēng)機(jī)安裝位置進(jìn)行考量，以免影響機(jī)庫(kù)的正常使用。

圖7 溫度分布云圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比幾種機(jī)庫(kù)的供暖形式可以看出，對(duì)于耐寒機(jī)庫(kù)來(lái)說(shuō)，從安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，強(qiáng)制對(duì)流供暖優(yōu)于自然對(duì)流供暖及輻射對(duì)流供暖。頂送風(fēng)暖通機(jī)供暖方式對(duì)普通高大空間來(lái)說(shuō)有較好的供暖效果。但通過(guò)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)庫(kù)尺寸大于常規(guī)高大空間，頂送風(fēng)暖風(fēng)機(jī)供暖方式效果并不理想。側(cè)送風(fēng)雙層暖風(fēng)機(jī)供暖方式不僅工作區(qū)溫度可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且垂直溫度梯度低，有較好的節(jié)能效果。在不影響機(jī)庫(kù)正常使用的情況下，本耐寒測(cè)試機(jī)庫(kù)應(yīng)優(yōu)先選用側(cè)送風(fēng)雙層暖風(fēng)機(jī)供暖的形式。但是，其使用會(huì)占用一些空間位置，且其工作區(qū)環(huán)境速度也大于頂送風(fēng)暖風(fēng)機(jī)供暖。對(duì)環(huán)境風(fēng)速要求較高的機(jī)庫(kù)，如噴漆機(jī)庫(kù)等，需對(duì)此供暖方式的風(fēng)速影響進(jìn)行考量，以免影響機(jī)庫(kù)的正常使用。

本文分析的過(guò)程中，對(duì)于機(jī)庫(kù)關(guān)閉大門(mén)升溫速度這一點(diǎn)的闡述，僅通過(guò)供暖原理對(duì)升溫速度定性分析。在今后的研究中，希望可以對(duì)不同供暖形式的升溫速度進(jìn)行量化分析，并基于此對(duì)建筑能耗進(jìn)行對(duì)比分析。

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Study on Heating Methods for an Attendant Hangar in Inner Mongolia

Pi Yingjun1Yang Jin2

( 1.Tongji Architectural Design(Group) Co., Ltd, Shanghai, 200092;2.Qingdao Hisense Hitachi Air-conditioning Marketing Co., Ltd, Shanghai, 266590 )

The attendant hangar is a kind of high space building. The heating method for a attendant hangar is the key point for a HVAC design. By summarizing common heating methods and analyzing the advantages and disadvantages of each heating system, we found that the forced-convection heating is the best heating method for this attendant hangar. By adopting the computational fluid dynamics method, the horizon warm air heating is a better way of the forced-convection heating. It also provides reference to for the design of other attendant hangars.

attendant hangars; heating methods; forced-convection heating; numerical simulation

TU832.5

A

1671-6612（2021）02-258-05

皮英?。?989.01-），男，碩士，中級(jí)工程師，E-mail：13pyj@tjad.cn

楊 晉（1994.05-），男，本科，助理工程師，E-mail：877657933@qq.com

2021-03-23