皮英俊 楊 晉

內(nèi)蒙古某耐寒測試機(jī)庫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)營銷股份有限公司 上海 266590）

耐寒測試機(jī)庫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)維修及測試機(jī)庫的常用供暖形式，通過分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出“強(qiáng)制對流供暖”更適合作為耐寒測試機(jī)庫的供暖形式。通過計(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)庫供暖形式的最優(yōu)解決方案，也為其它機(jī)庫的設(shè)計(jì)提供參考。

維修機(jī)庫；供暖形式；強(qiáng)制對流供暖；數(shù)值模擬

0 引言

隨著航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，為滿足民航客機(jī)停留及維修需求，機(jī)庫建設(shè)日益增多。機(jī)庫具有面積大，高度高的空間特點(diǎn)，根據(jù)等級不同，一般機(jī)庫的建筑面積從2000m2到50000m2不等[1]，空間凈高一般為25m~30m[2]。本項(xiàng)目所闡述的耐寒測試機(jī)庫除了滿足機(jī)庫的基本使用需求外，仍需滿足飛機(jī)極寒測試的需求。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)。而極寒測試機(jī)庫不僅空間尺寸遠(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）外門面積大，一般機(jī)庫外門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，大門需完全敞開，室內(nèi)溫度會在大門敞開的時間段內(nèi)迅速下降。因此，可以通過以下兩點(diǎn)來考量耐寒測試機(jī)庫供暖效果的優(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)庫大門關(guān)閉后，室內(nèi)溫度能否快速回歸設(shè)計(jì)溫度。在日常使用過程中，機(jī)庫大部分時間處于無飛機(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)庫供暖形式的重點(diǎn)。本文對工作區(qū)域室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行重點(diǎn)分析，對溫度回復(fù)速度進(jìn)行定性分析。

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

圖1 內(nèi)蒙古某機(jī)庫平面圖

1 機(jī)庫建筑常用供暖形式

高大空間的供暖方式可分為自然對流供暖方式，強(qiáng)制對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)合耐寒測試機(jī)庫的特點(diǎn)，對機(jī)庫的常用供暖方式進(jìn)行對比分析。

1.1 自然對流供暖

自然對流供暖以熱水或蒸汽為熱媒，通過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)簡單、造價低。但散熱器只能布置在墻邊，對于機(jī)庫這種大空間來說，中心區(qū)域的溫度很難把控。另外，由于熱空氣上浮，室內(nèi)垂直溫度場會出現(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)制對流供暖

強(qiáng)制對流供暖的主要方式是暖風(fēng)機(jī)供暖。常見的暖風(fēng)機(jī)供暖方式為暖風(fēng)機(jī)頂送風(fēng)供暖。通過安裝在機(jī)庫桁架位置的暖風(fēng)機(jī)向下送熱風(fēng)，強(qiáng)制循環(huán)室內(nèi)空氣。相對于散熱器供暖來說，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)是會產(chǎn)生較強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，且無法解決高度上溫度梯度的問題。

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，且由于主要通過輻射進(jìn)行供暖，相較于對流換熱，溫度梯度小。但由于輻射板溫度較低，故其用量和造價都相對較高。此外，輻射板室內(nèi)升溫較慢，飛機(jī)進(jìn)出機(jī)庫后，需要較長時間才能恢復(fù)室溫。地板輻射由于輻射面離工作區(qū)近，相較于頂板輻射來說，熱舒適更好。但地板輻射對施工工藝要求較高，施工難度大，且機(jī)庫地面相較于一般建筑來說，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)，需要開挖大范圍地面，維修時長長且代價較大。

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。對于耐寒測試機(jī)庫來說，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)制對流供暖更適合本耐寒測試機(jī)庫使用。下文將著重對強(qiáng)制對流供暖及暖風(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

本文通過建立機(jī)庫三維模型，采用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）的方法對機(jī)庫暖風(fēng)機(jī)送風(fēng)進(jìn)行研究。

機(jī)庫長寬均為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)庫桁架內(nèi)，本機(jī)庫桁架底標(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)庫南北兩側(cè)壁面上，由于機(jī)庫寬度為60m，單側(cè)送風(fēng)機(jī)覆蓋需要超過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)庫剖面如圖2所示。

圖2 機(jī)庫剖面圖

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，自然對流采用Boussinesq假設(shè)。控制方程包括連續(xù)性方程、能量方程、動量方程、紊動方程及耗散率方程。

采用PISO算法對壓力-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)庫各壁面設(shè)置為第三類邊界條件，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，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，熱空氣開始上浮。整個空間區(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1m/s。速度分布詳見圖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。對于高度超過20m的機(jī)庫來說，頂送風(fēng)效果十分有限。由于熱源設(shè)置于機(jī)庫上部，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，整個空間的溫度分度十分均勻。由于熱源設(shè)置于機(jī)庫兩側(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)庫高度過高的情況下，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)庫兩側(cè)中下部，工作區(qū)溫度可滿足設(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，會造成頂部非工作區(qū)溫度過高，造成能源的浪費(fèi)；而側(cè)送風(fēng)整個空間溫度分布均勻，相對于頂送風(fēng)方式來說，更加節(jié)能。但側(cè)送風(fēng)形式暖風(fēng)機(jī)會占用一部分的室內(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，對本文所述耐寒測試機(jī)庫項(xiàng)目來說，此兩點(diǎn)對機(jī)庫正常使用無影響。對于其他機(jī)庫來說，使用此種送風(fēng)方式前，需對環(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)庫的正常使用。

圖7 溫度分布云圖

3 結(jié)論

通過對比幾種機(jī)庫的供暖形式可以看出，對于耐寒機(jī)庫來說，從安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，強(qiáng)制對流供暖優(yōu)于自然對流供暖及輻射對流供暖。頂送風(fēng)暖通機(jī)供暖方式對普通高大空間來說有較好的供暖效果。但通過模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)庫尺寸大于常規(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)庫正常使用的情況下，本耐寒測試機(jī)庫應(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。對環(huán)境風(fēng)速要求較高的機(jī)庫，如噴漆機(jī)庫等，需對此供暖方式的風(fēng)速影響進(jìn)行考量，以免影響機(jī)庫的正常使用。

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

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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