基于節(jié)能的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物人工環(huán)境氣流組織數(shù)值模擬

鐘加晨王志毅?吳 強(qiáng)

(1.浙江理工大學(xué),杭州 310018; 2.江蘇蘇凈集團(tuán)有限公司,江蘇蘇州 215122)

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施空調(diào)系統(tǒng)對(duì)房間熱濕、潔凈環(huán)境的控制起著關(guān)鍵作用,影響實(shí)驗(yàn)動(dòng)物能否健康舒適地生長。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施作為潔凈室的一種,相比于普通空調(diào)系統(tǒng),其空調(diào)系統(tǒng)能耗高得多,如何降低能耗是一個(gè)很重要的問題。合適的換氣次數(shù)和室內(nèi)污染物分布、節(jié)能之間存在一定的耦合關(guān)系[1],且合適的氣流組織是降低換氣次數(shù)的關(guān)鍵。送風(fēng)速度、送風(fēng)口大小、形狀、位置、類型,排風(fēng)速度,排風(fēng)口數(shù)量和位置,籠具布置等因素都會(huì)影響氣流組織。

歐少華等[2]結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)得出采用上送下排輔助頂排風(fēng)的方式有助于降低室內(nèi)氨氣濃度的結(jié)論。孫照燕[3]對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)SPF 雞場(chǎng)生物潔凈室模擬研究了排風(fēng)口面積、送風(fēng)口面積、養(yǎng)殖層距地高度等因素對(duì)氣流組織的影響。解茜等[4]、王燕平等[5]以氨氣為代表,對(duì)不同氣流組織形式下實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施內(nèi)污染物的濃度和分布進(jìn)行了分析和比較。蔣新波等[6-8]人模擬分析了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施房間的內(nèi)外環(huán)境空氣壓差、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房間內(nèi)的幾種典型氣流組織以及不同迎風(fēng)面的壓強(qiáng)分布。唐飚等[9]基于CFD 模擬,通過對(duì)具體工程的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施氣流組織的模擬分析,研究實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施房間內(nèi)最佳的換氣次數(shù)。

已有的關(guān)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施的規(guī)范主要是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物環(huán)境及設(shè)施[10]和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施建筑技術(shù)規(guī)范[11]。本文擬通過一個(gè)工程實(shí)例,先計(jì)算屏障環(huán)境實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施房間的夏季空調(diào)冷負(fù)荷,分析換氣次數(shù)和冷負(fù)荷指標(biāo)的關(guān)系,然后通過數(shù)值模擬分析排風(fēng)口和籠具位置對(duì)氣流組織的影響,最后給出基于節(jié)能的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物人工環(huán)境氣流組織優(yōu)化建議。

1 負(fù)荷計(jì)算

某屏障環(huán)境實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施位于上海某大學(xué)內(nèi),面積為179 m2,層高為2.5 m,供大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)用。屏障環(huán)境包括混合走廊、行為實(shí)驗(yàn)室、小鼠飼養(yǎng)室、大鼠飼養(yǎng)室、過程實(shí)驗(yàn)室、滅菌后儲(chǔ)藏室、冰箱間、一次更衣室、二次更衣室以及氣閘室?？諝鉂崈舳葹镮SO7 級(jí),溫度范圍為 20℃ ～26℃,濕度范圍為40%～70%,最大日溫差不高于4℃,最小換氣次數(shù)不低于15 次每小時(shí),噪聲不高于60 分貝。

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施夏季空調(diào)冷負(fù)荷包括:通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷、空調(diào)新風(fēng)冷負(fù)荷以及通過室內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷,包括設(shè)備、照明、人體以及動(dòng)物散熱形成的冷負(fù)荷。室內(nèi)照明為T5 型節(jié)能燈,設(shè)備包括換籠站、動(dòng)物墊料負(fù)壓處置柜、萬向吸氣臂以及籠具等。

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷的計(jì)算采用冷負(fù)荷系數(shù)法[12],通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷最大為5901 W,出現(xiàn)在下午四點(diǎn)?；旌献呃?、行為實(shí)驗(yàn)室、小鼠飼養(yǎng)室等10 個(gè)房間的夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為23℃,設(shè)計(jì)相對(duì)濕度為60%。上海地區(qū)夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為34.6℃。如表1 所示。各冷負(fù)荷占比餅圖如圖1 所示。

由圖1 分析可得,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房夏季空調(diào)冷負(fù)荷中空調(diào)新風(fēng)冷負(fù)荷占比最高,為92.25%,其次是通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷,占比為6.01%,其余通過設(shè)備、照明以及人體散熱形成的冷負(fù)荷三者之和的占比僅為1.74%。對(duì)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng),其夏季空調(diào)新風(fēng)冷負(fù)荷占比一般在35%～50%,遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施空調(diào)系統(tǒng)。將換氣次數(shù)從每小時(shí)1 次依次增加至每小時(shí)25 次,分別計(jì)算對(duì)應(yīng)的冷負(fù)荷指標(biāo)和新風(fēng)冷負(fù)荷占比。換氣次數(shù)和冷負(fù)荷指標(biāo)的關(guān)系如圖2 所示,換氣次數(shù)和新風(fēng)冷負(fù)荷占比的關(guān)系如圖3 所示。

由圖2 分析可得,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房夏季空調(diào)新風(fēng)冷負(fù)荷指標(biāo)和換氣次數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系,擬合的直線關(guān)系式為y =42.51+33.72x。換氣次數(shù)每小時(shí)每提高一次,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房夏季空調(diào)新風(fēng)冷負(fù)荷指標(biāo)增加33.72 W/m2。當(dāng)換氣次數(shù)從每小時(shí)25 次降低至每小時(shí)15 次,節(jié)能率為38.08%;當(dāng)換氣次數(shù)從每小時(shí)15 次降低至每小時(shí)5 次,節(jié)能率為61.49%。

由圖3 分析可得,當(dāng)換氣次數(shù)為每小時(shí)1 次,新風(fēng)冷負(fù)荷占比為44.24%。當(dāng)換氣次數(shù)為每小時(shí)2次,新風(fēng)冷負(fù)荷占比為61.34%。當(dāng)換氣次數(shù)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的每小時(shí)15 次,新風(fēng)冷負(fù)荷占比為92.25%,通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、通過人體、照明、設(shè)備等散熱形成的冷負(fù)荷只占7.75%。分別計(jì)算獨(dú)立通氣籠具系統(tǒng)和開放式籠具系統(tǒng)的新風(fēng)冷負(fù)荷,獨(dú)立通氣籠具系統(tǒng)內(nèi)部新風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)置為每小時(shí)15 次,由于獨(dú)立通氣籠具將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物所處的小環(huán)境與外部大環(huán)境隔離開,有效避免了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物對(duì)外部大環(huán)境的污染,故外部大環(huán)境對(duì)新風(fēng)換氣次數(shù)的要求大大降低,設(shè)置為5 次/小時(shí),而傳統(tǒng)的開放式籠具系統(tǒng),整個(gè)房間的新風(fēng)換氣次數(shù)仍需要設(shè)置為每小時(shí)15 次。采用獨(dú)立通氣籠具系統(tǒng)的小鼠飼養(yǎng)室,新風(fēng)冷負(fù)荷指標(biāo)為189 W/m2。相對(duì)于開放式籠具系統(tǒng),新風(fēng)冷負(fù)荷指標(biāo)每平方米降低了317 W,降低率為62.6%。

表1 冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果Table 1 Cooling load calculation results

圖1 各冷負(fù)荷占比餅圖Figure 1 Pie chart of cooling load ratio

圖2 換氣次數(shù)和冷負(fù)荷指標(biāo)的關(guān)系Figure 2 Relationship between air changes and cooling load index

圖3 換氣次數(shù)和新風(fēng)冷負(fù)荷占比的關(guān)系Figure 3 Relationship between air changes and fresh air cooling load ratio

2 模型建立

2.1 物理模型

為了準(zhǔn)確的分析實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房的人工環(huán)境氣流組織,本次研究借助于商業(yè)軟件對(duì)其進(jìn)行模擬與分析,來達(dá)到全面掌握其氣流組織的目的,運(yùn)用FLUENT 公司開發(fā)的軟件Airpak 進(jìn)行數(shù)值模擬與計(jì)算。模擬的對(duì)象是屏障環(huán)境實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施中一間具有代表性的房間——小鼠飼養(yǎng)室,基本參數(shù)如表2 所示,氣流組織形式為上送側(cè)回。

2.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型進(jìn)行模擬。數(shù)學(xué)模型的偏微分方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、紊流能量傳遞方程、紊流能量耗散率方程以及污染物擴(kuò)散方程。

2.3 網(wǎng)格劃分

模型采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散。計(jì)算區(qū)域劃分步長不大于模型尺寸的1/50。其他網(wǎng)格劃分規(guī)則統(tǒng)一規(guī)定為:流體窄縫的最小網(wǎng)格數(shù)為3,固體邊的最小網(wǎng)格數(shù)為2,圓柱形與三角形的表面最小網(wǎng)格數(shù)均為4;單元的寬高比最大為2;零網(wǎng)格高度最大值為0.001。

表2 小鼠飼養(yǎng)室基本參數(shù)表Table 2 Basic parameters of mice feeding room

2.4 壓力速度耦合的處理

選用SIMPLE 算法處理壓力速度耦合問題。在動(dòng)量方程離散形式的求解過程中納入松弛因子處理,對(duì)于松弛因子的選擇如下:壓力項(xiàng)0.3,速度項(xiàng)0.1,體積力項(xiàng)0.1;其余均為1.0。

2.5 求解收斂的判斷

判斷依據(jù)為:能量方程的殘差小于10-6,連續(xù)性方程、各速度分量、k 和ε 的殘差小于10-3;并且各殘差線都趨于水平,即隨迭代次數(shù)的增加各殘差變化趨于穩(wěn)定,以保證各參數(shù)值的穩(wěn)定。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 排風(fēng)口位置和數(shù)量的影響

為研究排風(fēng)口位置對(duì)流場(chǎng)的影響,我們建立了六個(gè)不同模型,其中模型1 排風(fēng)口為墻對(duì)角布置,模型2 排風(fēng)口為墻1 同側(cè)布置,模型3 排風(fēng)口為墻2同側(cè)布置,模型4 排風(fēng)口為墻2 對(duì)側(cè)布置,模型5 排風(fēng)口為墻1 四角布置,模型6 排風(fēng)口為墻2 四角布置,六個(gè)模型如圖4 所示。

模型1～6 Y=0.35 m 平面的速度云圖如圖5 所示,不同排風(fēng)口尺寸對(duì)應(yīng)參數(shù)如表3 所示。

圖4 不同排風(fēng)口下的小鼠飼養(yǎng)室模型Figure 4 Mice feeding room model with different air exhaust outlet

表3 不同排風(fēng)口尺寸對(duì)應(yīng)參數(shù)Table 3 Corresponding parameter of air exhaust outlet sizes

3.2 排風(fēng)口尺寸的影響

進(jìn)一步,以模型6 為基準(zhǔn),將排風(fēng)口的尺寸分別調(diào)為 200×200,300×300,400×400 以及 500×500,不改變位置和數(shù)量,比較排風(fēng)口尺寸對(duì)氣流組織的影響。不同排風(fēng)口尺寸對(duì)應(yīng)風(fēng)速如表4 所示。

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物環(huán)境設(shè)施中對(duì)屏障環(huán)境的排風(fēng)口風(fēng)速的要求是不宜大于2 m/s,故對(duì)于小鼠飼養(yǎng)室的墻四角排風(fēng)口布置,排風(fēng)口尺寸設(shè)置為200×200 mm,不符合國家標(biāo)準(zhǔn)推薦指標(biāo),當(dāng)排風(fēng)口尺寸設(shè)置大于200×200 mm,能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 籠具位置的影響

(1)籠具沿房間寬度方向布置

將籠具沿房間寬度方向布置,將兩個(gè)籠具間的距離分別調(diào)整成 0.7 m、1.1 m、1.5 m、1.9 m、2.3 m、2.7 m 和3.1 m,研究籠具間不同的距離對(duì)籠具表面空氣齡的影響?；\具間不同的距離對(duì)籠具表面空氣齡的影響如表5 所示,平均空氣齡隨間距的變化如圖6 所示。

圖5 模型1～6 Y=0.35 m 平面的速度云圖Figure 5 Model 1～6 Y=0.35 m velocity nephogram

由表4 分析可得,房間排風(fēng)口的數(shù)量和位置對(duì)小鼠飼養(yǎng)室整體的平均溫度、平均風(fēng)速、平均空氣齡以及均方根偏差影響較小,主要影響局部氣流分布。排風(fēng)口的數(shù)量和位置對(duì)小鼠飼養(yǎng)室的影響體現(xiàn)在局部排風(fēng)口的平均風(fēng)速和最大風(fēng)速上,排風(fēng)口的數(shù)量從2 個(gè)增加到4 個(gè),排風(fēng)口的平均風(fēng)速從0.96 m/s 降低到0.48 m/s,排風(fēng)口的最大風(fēng)速從1.82 m/s 降低到0.89 m/s?；谂棚L(fēng)口位置和數(shù)量的研究,將模型1 優(yōu)化成模型6。

由圖6 分析可得,在7 種不同的籠間距下,間距為2.3 m 時(shí),小鼠飼養(yǎng)室兩個(gè)籠具周圍的平均空氣齡最小,為上述7 種間距中的最優(yōu)間距。此時(shí),送風(fēng)氣流能夠最快的達(dá)到籠具處,空氣最新鮮,空氣品質(zhì)最好?？諝恺g的粒子追蹤如圖7 所示。

圖6 平均空氣齡隨間距的變化Figure 6 Variation of mean air age with distance

圖7 空氣齡的粒子追蹤圖Figure 7 Particle tracking map of air age

(2)籠具沿房間長度方向布置

將籠具沿房間長度方向布置,將兩個(gè)籠具間的距離分別調(diào)整成 0.9 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m、2.1 m 和2.3 m,研究籠具間不同的距離對(duì)籠具表面空氣齡的影響?；\具間不同的距離對(duì)籠具表面空氣齡的影響如表6 所示,平均空氣齡隨間距的變化如圖8 所示。

由圖8 分析可得,對(duì)于籠具沿房間長度方向布置的8 種不同模型,籠具的間距變化對(duì)籠具周圍的平均空氣齡影響較小。當(dāng)間距從0.9 m 變化到2.3 m 時(shí),對(duì)應(yīng)的平均空氣齡從133.62 s 緩慢增加至137.89 s,空氣齡變化幅度較小,且低于籠具沿房間寬度方向布置的平均空氣齡。以籠具沿房間長度方向布置的1.5 m 間距為例,空氣齡的粒子追蹤如圖9 所示。

表4 不同排風(fēng)口尺寸對(duì)應(yīng)風(fēng)速Table 4 Corresponding air speed of air exhaust outlet sizes

表5 籠具間不同的距離對(duì)應(yīng)籠具表面空氣齡Table 5 Different distances between cages correspond to the air age

表6 籠具間不同的距離對(duì)應(yīng)籠具表面空氣齡Table 6 Different distances between cages correspond to the air age

圖8 平均空氣齡隨間距的變化圖Figure 8 Variation of mean air age with distance

圖9 空氣齡的粒子追蹤圖Figure 9 Particle tracking map of air age

4 結(jié)論

基于節(jié)能的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物人工環(huán)境氣流組織數(shù)值模擬,主要得出以下結(jié)論:

(1)對(duì)于換氣次數(shù)為15 次/小時(shí)的屏障環(huán)境實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施夏季空調(diào)冷負(fù)荷中新風(fēng)冷負(fù)荷占比最高,為92.25%;新風(fēng)冷負(fù)荷指標(biāo)和換氣次數(shù)呈線性關(guān)系,換氣次數(shù)每小時(shí)每降低一次,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房夏季空調(diào)新風(fēng)冷負(fù)荷每平方米降低33.72 W;獨(dú)立通氣籠具系統(tǒng)比開放式籠具系統(tǒng)新風(fēng)冷負(fù)荷指標(biāo)降低62.6%。

(2)排風(fēng)口的數(shù)量和位置對(duì)房間整體的平均溫度、平均風(fēng)速、平均空氣齡以及均方根偏差影響較小,適當(dāng)增加排風(fēng)口的數(shù)量和尺寸,局部氣流速度降低,氣流分布更加均勻。

(3)籠具沿寬度方向布置比籠具沿長度方向布置更加合理,是因?yàn)樗突仫L(fēng)口的位置使得室內(nèi)氣流沿著長度方向擴(kuò)散,前者籠具周圍的平均空氣齡比后者降低25 s,污染物能夠迅速被帶走;籠具沿寬度方向布置存在籠具間的最優(yōu)間距,取決于送風(fēng)口的位置。