空氣幕對廠房低濕環(huán)境控制效果的影響

湯羽斌，陶求華，鄭健雯

(1．集美大學(xué)海洋裝備與機械工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2．福建省能源清潔利用與開發(fā)重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引言

空氣幕可以改變建筑開口附近的空氣流速和流向，達到空氣隔離效果。在工廠的生產(chǎn)過程中，為了保證成品質(zhì)量，有時需要單獨控制不同工序間的溫濕度，通過使用空氣幕可以在一定程度上有效隔絕工序間的熱濕交換,以達到溫濕控制效果。龐樂等[1]提出采用低速厚流空氣幕對各工序進行分割，解決了半成品的運輸問題，實現(xiàn)車間不同區(qū)域的溫濕度調(diào)節(jié)；呂衛(wèi)東[2]分析影響冷藏庫負荷的主要因素，研究在冷藏庫大門設(shè)置空氣幕和PVC門簾的節(jié)能效果，實驗得出，使用空氣幕可以減少大門處熱濕交換，達到節(jié)約能源的目的；韓志[3]研究空氣幕在陳列柜的使用效果，得出，使用空氣幕可使卷入陳列柜的熱濕空氣量以及陳列柜外溢的冷空氣量減??；Tomas等[4]研究空氣幕在冷藏室中的應(yīng)用，得出，對于貨物量較多的儲存情況，使用高效空氣幕隔離空氣比其他常用方法更清潔、更便宜。

空氣幕在溫度控制方面的應(yīng)用也較為廣泛，最常見的就是利用空氣幕進行隔熱，以達到較好的保溫效果。苗德俊等[5]通過分析采礦工作面降溫時采空區(qū)的熱交換問題，提出利用空氣幕阻隔風(fēng)流進入采空區(qū)的技術(shù)，得出，利用空氣幕可以對漏風(fēng)區(qū)域起到一定的降溫作用；黎文峰等[6]研究在寒冷地區(qū)高鐵站使用熱風(fēng)幕的保溫效果，得出，在高鐵站臺處增加熱風(fēng)幕簾，可以減少站臺內(nèi)冷量損失；陳芳[7]研究裝配廠內(nèi)冷負荷占比增加問題，得出，在廠房大門上方設(shè)置熱空氣幕可以減少冷風(fēng)入侵，達到節(jié)能降耗的目的。在嚴寒地區(qū)進行作業(yè)時，由于環(huán)境惡劣，工程開發(fā)難度較大，因此如何合理地使用空氣幕以提高作業(yè)安全和作業(yè)效率是極端條件作業(yè)的研究重點，高焱等[8]研究寒區(qū)隧道的凍害問題，提出一種新型寒區(qū)隧道空氣幕保溫系統(tǒng)，可以滿足極端情況下寒區(qū)隧道的保溫需求。

有學(xué)者對空氣幕安裝方式及位置進行了研究。尹帥等[9]研究在隧道挖掘工作時沒有空氣幕和在不同位置安裝空氣幕的情況下粉塵擴散特性，得出，空氣幕發(fā)生器到切割面距離20 m時，空氣凈化效果最佳，對粉塵有明顯的控制效果；馮武強[10]利用空氣幕阻隔紡絲機內(nèi)外空氣交換，分析不同射流角度和射流速度的空氣幕對紡絲機內(nèi)空氣的包裹效果，得出，空氣幕既可以保證紡絲機內(nèi)溫度在工藝范圍之內(nèi)，又可以阻斷機內(nèi)外空氣對流。從這些研究可以看出，空氣幕的安裝方式及射流速度不同起到的控制效果也不相同。

本文主要分析空氣幕在低濕廠房的應(yīng)用，通過空氣幕隔絕對流換熱，進一步穩(wěn)定控制室內(nèi)溫濕度。

1 研究方法

1.1 物理模型和計算域

某工廠廠房實際尺寸為長×寬×高=40.0 m×20.0 m×8.0 m；為保證貨車日常進出貨，在廠房兩側(cè)分別設(shè)有一長×寬=3.0 m×3.0 m的進、出料口；工廠頂部有36個均勻分布的送風(fēng)口，簡化為36個尺寸為長×寬=0.5 m×0.5 m的空氣入口；同時在送風(fēng)口兩側(cè)分布有6個等大的回風(fēng)口，簡化尺寸為長×寬=0.8 m×3.0 m的空氣出口。由于進、出料口在進出料作業(yè)時為敞開狀態(tài)，為避免對流換熱導(dǎo)致溫度和濕度上升，更好地維持工廠內(nèi)部溫濕平衡，現(xiàn)欲在進、出料口內(nèi)外兩側(cè)加裝空氣幕，空氣幕尺寸為長×寬×高=1.5 m×0.15 m×0.2 m，并排式加裝兩個，使得空氣幕覆蓋總長度與進、出料口寬度一致，模型如圖1所示。

計算域的外流場部分參考自然對流模擬[11]，計算域大小如圖2所示，其中H表示廠房高度。

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬前處理的重要組成部分，劃分的網(wǎng)格質(zhì)量可以直接決定數(shù)值計算的精度、時間及收斂程度。由于工廠整體形狀規(guī)則，本文采用質(zhì)量生成較好的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算域進行劃分。為確保數(shù)值模擬順利進行，保證模擬結(jié)果的合理性及準確性，對劃分網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量作如下管控：1)工廠周圍采用O-block網(wǎng)格劃分；2)對送風(fēng)口、回風(fēng)口、兩側(cè)進、出料口和速度梯度較大的區(qū)域進行網(wǎng)格加密；3)工廠近壁面及地面區(qū)域進行網(wǎng)格加密。最終確定網(wǎng)格數(shù)量為1 708 008的計算模型，網(wǎng)格劃分的情況如圖3所示。

1.3 控制方程

在數(shù)值模擬中需要同時求解連續(xù)性方程、動量方程、能量守恒方程、組分輸運方程、k方程和ε方程。

連續(xù)性方程:Dρ/dt+·(ρu)=0。式中：ρ為空氣密度，kg/m3；t為時間，s;u為速度矢量在不同方向的速度分量，m/s；

動量方程：?(ρu)/?t+·(ρuu)=-p+·(τ)+ρg+F。式中：p為流體微元體的壓強，Pa;T為流體溫度，K；τ為作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力在不同方向的矢量，Pa；g為重力加速度，m/s2;F為其他力，N。

能量守恒方程：?(ρT)/?t+·(ρTu)=·[(λ+λt)T]+Sh。式中:λ是流體導(dǎo)熱系數(shù)；λt=(Cp×μt)/Pr,Cp是比熱容,J/(kg·K)，μt是湍流粘度；Pr為普朗特數(shù)；Sh是流體的內(nèi)熱源;T為流體溫度,K。

組分質(zhì)量守恒方程：?(ρcs)/?t+div(ρucs)=div(Dsgrad(ρcs))+Ss。式中:cs為組分S的質(zhì)量分數(shù)；Ds為擴散系數(shù)；Ss為系統(tǒng)內(nèi)部單位時間內(nèi)單位體積通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)量,kg。

求解模型選擇三維基于壓力的隱式穩(wěn)態(tài)求解器，湍流模型選用具有廣泛適用性的Standardk-ε模型[12]。

1.4 邊界條件與熱濕源項

選取寧德市房屋比較稀疏的城市郊區(qū)的新能源鋰電池加工工廠，根據(jù)我國《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》(GB 50009—2012)[13]，該地區(qū)屬B類風(fēng)場，其地面粗糙度指數(shù)α=0.16，梯度風(fēng)高度ZG=350 m。計算域的入口來流風(fēng)的湍流特性通過湍流動能k和湍流耗散率ε值給定[14]：

k=1.5(U·IrZ)2；ε=0.093/4k3/2/Lz;U=v(z/z0)α。

式中：Z0為標準參考高度,m；v是標準參考高度處的平均風(fēng)速，選擇寧德市11月正常天氣的平均風(fēng)速v=3.7 m/s；U為Z高度處平均風(fēng)速，m/s。IrZ為湍流強度，Lz為湍流積分尺度。

式中:α為地面粗糙度指數(shù)；Z為地面高度；ZG為梯度風(fēng)高度。因為工廠為B類風(fēng)場，所以Zb=5 m，ZG=350 m。

室內(nèi)送風(fēng)采用低露點空氣處理，其機理如圖4所示，其中RH表示相對濕度。

其中：A點為室外空氣入口，其溫度和濕度與外流場相同；K點為室內(nèi)送風(fēng)口；D點為室內(nèi)回風(fēng)點，其溫度和濕度與室內(nèi)相同。其余各點參數(shù)設(shè)置如表1所示，各點對應(yīng)的焓濕圖如圖5所示。

表1 各個空氣狀態(tài)點的參數(shù)

室內(nèi)送風(fēng)口流速Vin=3.067m/s，其湍流采用規(guī)范的湍流度和水力直徑給出，湍流度設(shè)置為10%，水力直徑按照回風(fēng)口尺寸計算為0.5 m，其余參數(shù)按K點設(shè)置。

工廠內(nèi)部人員流動會產(chǎn)生熱量和濕度，利用D、K點計算工廠內(nèi)部的散熱量與散濕量，參考文獻[15]的計算方法可得:散熱量Qin= 43.467 W/m3，散濕量Win= 1.5×10-6kg·s/m3。

室內(nèi)采用壓力回風(fēng)，其表壓設(shè)置為P=-1.085 Pa，其湍流采用規(guī)范的湍流度和水力直徑給出，湍流度設(shè)置為10%，水力直徑按照回風(fēng)口尺寸計算為1.263 m，其余參數(shù)按照D點設(shè)置。室外出、入口湍流選擇UDF導(dǎo)入的k-ε公式，其余參數(shù)均按照A點進行設(shè)置。廠房內(nèi)、外部其余墻面均設(shè)置為Wall，其溫度按照廠房內(nèi)部295 K、外部308 K進行設(shè)置。外流場的出入口邊界如圖2所示，外流場底部設(shè)置為Wall，外流場兩側(cè)與頂部均設(shè)置為對稱邊界Symmetry。

1.5 設(shè)置工況及其參數(shù)

按照工廠規(guī)劃，預(yù)計在進、出料口的內(nèi)外兩側(cè)裝空氣幕，因此設(shè)置5種工況，分析不同空氣幕出流速度對溫、濕度控制效果的影響。其中：工況1為無空氣幕的對照組；工況2、工況3為窗口內(nèi)外兩側(cè)均裝空氣幕的情況，工況2空氣幕出流速度為6 m/s，工況3空氣幕出流速度為10 m/s；為對比料口單側(cè)設(shè)置空氣幕與兩側(cè)同時設(shè)置空氣幕的不同控制效果，將工況4設(shè)為工廠料口內(nèi)部裝空氣幕；工況5為工廠料口外部裝空氣幕，且空氣幕的出流速度均為10 m/s。本文空氣幕采用上送式，不考慮空氣幕對人員舒適度的影響，從節(jié)能角度出發(fā)[16]，選用貫流模式空氣幕，根據(jù)空氣幕國家標準[17]設(shè)置5種工況下的空氣幕技術(shù)參數(shù)，其湍流采用規(guī)范的湍流度和水力直徑給出，湍流度設(shè)置為10%，由空氣幕尺寸得出工況2至工況5空氣幕的水力直徑為0.286 m，其他參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 不同工況的空氣幕技術(shù)參數(shù)

1.6 室內(nèi)濕度與能耗分析方法

采用相對濕度評估空氣幕對濕度場的影響[15]，計算公式為

RH=(d/db)×100%。

(1)

式中:d表示水蒸氣的含濕量；db表示飽和含濕量。其中飽和含濕量可根據(jù)溫度分布，采用經(jīng)驗公式[18]得出，即

db=MH2O×1000/[(A1+A2×t+A3×t2+A4×t3+A5×t4+A6×t5)×100]。

(2)

式中:溫度t=T-273.15，T為絕對溫度；MH2O表示水的質(zhì)量；A1=3.703；A2=0.268；A3=9.164×10-3；A4=1.446×10-4；A5=1.741×10-6；A6=5.195×10-8。

制冷能耗和再生蒸汽耗量的計算方程如下所示。

焓值計算公式：

h=cp·g·t+(2500+cp·q·t)d。

(3)

制冷能耗方程：

Qc=qv·ρ·Δh。

(4)

蒸汽加熱量方程：

Qh=cp·g·M·Δt。

(5)

式中:cp·g表示流體的定壓比熱，kJ/(kg·K);qv表示送風(fēng)量，m3/s；ρ表示空氣密度;Δh表示焓差;Δt表示溫差;M為質(zhì)量流量，kg/s。

根據(jù)鋰電池實際應(yīng)用經(jīng)驗[19]，利用表1所示的機理進行計算可以得出，每處理27.54 kg/h的水分需要制冷量為1619.4 kW，再生蒸汽耗量787.39 kg/h(鍋爐單位換算[20]每消耗功率0.7 kW產(chǎn)生蒸汽1 kg/h)

1.7 建模與分析流程圖

根據(jù)本文建模及計算過程繪制流程圖如圖6所示。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 空氣幕出流速度對溫濕度的影響

圖7是Z=10 m處溫度分布云圖。從圖7可以看出，在工況2、工況3下，空氣幕的存在明顯削弱了室內(nèi)外的熱量交換，工況1時廠房中溫度最大的區(qū)域在迎風(fēng)面的進料口靠近天花板處，工況2時廠房中溫度最高在迎風(fēng)面和地面的夾角處，工況3時廠房中溫度比工況2更加均勻，說明當空氣幕的出流速度為10 m/s時，室內(nèi)外氣流交換造成的進、出料口附近溫度波動非常小，空氣幕對廠房的包裹效果最佳。

圖8是Z=10 m處相對濕度的分布云圖。從圖8可以看出，在工況2、工況3下，空氣幕的存在明顯削弱了室內(nèi)外的濕量交換，當空氣幕的流速為10 m/s時，室內(nèi)的相對濕度與其不均勻度都最小，與圖7的溫度分布類似，工況1下廠房中相對濕度最大的區(qū)域在迎風(fēng)面的進料口靠近天花板處，工況2、工況3下，廠房中相對濕度最高在迎風(fēng)面和地面的夾角處。

圖9為Z=10 m處空氣流速分布云圖。從圖9可以看出，當空氣幕出流速度為6 m/s時，由于室外自然對流的存在，外流場對進、出料口附近的流速依然有明顯干擾。當空氣幕出流速度為10 m/s時，室內(nèi)流速受外流場干擾較小。在迎風(fēng)面處空氣幕有效地阻擋了室內(nèi)外的氣流交換，而在背風(fēng)面處由于氣流方向是從室內(nèi)流向室外，所以空氣幕出流后方向的偏轉(zhuǎn)對工廠內(nèi)出料口附近的溫度場與濕度場影響很小。

計算整個廠房內(nèi)部的平均溫度和平均濕度，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，和無空氣幕的工況相比，空氣幕出流速度分別為6 m/s與10 m/s時，廠房內(nèi)平均溫度分別降低了1.5 ℃與2.9 ℃，而平均含濕量分別減少了26.7%和51.4%。工況3的溫濕度控制效果最佳，在溫濕度要求嚴格的生產(chǎn)線中可以選擇工況3來進行溫濕度控制。

表3 不同出流速度下廠房內(nèi)部平均溫度和含濕量

2.2 空氣幕安裝位置對溫濕度的影響

圖10為Z=10 m處的溫度分布云圖。從圖10可以看出，在工況4、工況5下，空氣幕的存在有效削弱了室內(nèi)外的熱量交換，其中工況4的削弱效果較強，廠房溫度比工況5更加均勻，工況4的廠房中溫度最高在迎風(fēng)面和地面的夾角處，說明僅在內(nèi)側(cè)裝出流速度為10 m/s的空氣幕時，室內(nèi)外氣流交換造成進、出料口附近的溫度波動較小。

圖11為Z=10 m處相對濕度分布云圖。從圖11可以看出，工況4、工況5下，空氣幕的存在有效削弱了室內(nèi)外的濕量交換，當僅在內(nèi)側(cè)加裝出流速度為10 m/s的空氣幕時，其相對濕度與不均勻度都最小，與圖8的分布情況類似，工況4、工況5時廠房中相對濕度最高在迎風(fēng)面和地面的夾角處。

圖12表示Z=10 m處空氣流速分布圖。從圖12可以看出，當僅裝外側(cè)空氣幕時，由于室外對流的存在，外流場對進料口附近的流速依然有明顯的干擾，當僅裝內(nèi)側(cè)空氣幕時，室內(nèi)流速受流場干擾較小，有效地阻擋了室內(nèi)外的氣流交換，使得外部流場對工廠內(nèi)部的溫度場和濕度場影響很小。

計算整個廠房的平均溫度和平均濕度，其結(jié)果如表4所示。由表4可知：和無空氣幕的工況相比，分別僅在內(nèi)或外側(cè)的加裝空氣幕時，廠房內(nèi)平均溫度分別降低了2.4℃和1.4℃，而平均含濕量分別降低了49.5%和19.0%；工況4的控制效果最佳，如果需要考慮經(jīng)濟因素的影響，同時對溫度和濕度控制效果不過度追求時，可以選擇僅在內(nèi)側(cè)加裝空氣幕，可以在一定程度達到控制溫、濕度的效果。

表4 空氣幕安裝位置不同時廠房內(nèi)部平均溫度和含濕量

2.3 基于熱濕傳遞的能耗分析

在建筑能耗的計算中，外窗的熱濕傳遞是室內(nèi)熱濕負荷計算的重要依據(jù)，其變化可對室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的運行與調(diào)控帶來影響。為了研究加裝空氣幕對室內(nèi)外氣流交換帶來的熱濕傳遞對能耗的影響，分別計算5種工況下進、出料口處的室內(nèi)外的熱傳遞和濕傳遞的量，以及制冷能耗和再生蒸汽耗量。

根據(jù)式(3)～式(5)分別計算5種工況所需的制冷能耗及再生蒸汽耗量，其具體結(jié)果如表5所示。

表5 不同工況室內(nèi)外熱濕傳遞及耗能

由表5可以看出工況3和工況4對廠房熱傳遞的控制效果較好，其熱傳遞量相較于工況1分別減少了73.2%和62.7%；工況2和工況5對廠房熱傳遞的控制效果較弱，其熱傳遞量相較于工況1分別較少了31.6%和14%。說明在內(nèi)外兩側(cè)加裝射流速度為10 m/s的空氣幕時，廠房內(nèi)部溫度控制較好。若僅考慮在單側(cè)加裝空氣幕，可選擇在廠房內(nèi)側(cè)加裝射流速度較大的空氣幕。

通過模擬可以看出，工況3和4對廠房的包裹效果較好，在控制濕傳遞上效果顯著，其濕傳遞量相較于工況1分別減少了66%和52.1%。在5個工況模擬中，工況3的能耗相對較低，其能耗比工況1減少了66.1%，再生蒸汽耗量減少約4 237.44 kg/h。若生產(chǎn)非動力電池等濕度環(huán)境要求較低的產(chǎn)品，可選擇工況4，其能耗相較于工況1減少了52.1%，再生蒸汽耗量減少約3 336.51 kg/h。

2.4 溫濕度分布的不均勻度分析

選擇溫濕度和節(jié)能效果控制較好的工況3和工況4進行不均勻度分析，與未裝空氣幕的工況1進行比較。圖13表示3組工況溫度不均勻度小于3%的區(qū)域，可以看出工況3中溫度不均勻大于0的區(qū)域主要集中在迎風(fēng)面和進料口夾角下側(cè)，其余分布較為均勻。由此可得工況3控制工廠溫度較為穩(wěn)定，且平均溫度為296.6 K，滿足實際生產(chǎn)要求。

圖14、圖15分別表示3組工況相對濕度不均勻度小于5%和10%的區(qū)域，由圖14、圖15可以看出，在未裝空氣幕的情況下，濕度分布較為均勻，但由于此時濕傳遞量為0.25 kg/s，其較低的濕度不均勻度是基于室內(nèi)較大的含濕量，因此該工況不利于產(chǎn)品生產(chǎn)和節(jié)能控制，在工況3和工況4下相對濕度較大的區(qū)域為迎風(fēng)面和背風(fēng)面的料口附近，廠房中心區(qū)域相對濕度分布較為平衡，因此可以將相對濕度要求較低的工藝安排在此區(qū)域加工。

分別計算工況1，工況3，工況4的溫度不均勻度小于3%、相對濕度不均勻度小于5%和小于10%的體積，其結(jié)果如表6所示。由表6可知：工況3和工況4與工況1比較，相對濕度均勻度分別提高了5.3%和7.4%；兩側(cè)裝空氣幕的溫度均勻度比僅在內(nèi)側(cè)裝空氣幕提高了7.9%，可以得出工況3的溫度、相對濕度不均勻度的控制效果比工況4更好。綜合溫濕度分布、熱濕傳遞與不均勻度分析可知，選擇工況3進行廠房溫濕控制效果最佳。

表6 不同工況下室內(nèi)溫度和相對濕度的不均勻度體積

3 結(jié)論

本文利用空氣幕提升工廠內(nèi)部的溫度和濕度控制效果，并對其進行評估。通過數(shù)值模擬得出廠房內(nèi)外耦合的溫度場、速度場和濕度場，研究了空氣幕的安裝位置、尺寸與出流速度對廠房內(nèi)空氣流場以及溫濕環(huán)境的影響，分析得出以下結(jié)論與設(shè)計建議。

1)通過對空氣幕的送風(fēng)速度分析可知，空氣幕送風(fēng)速度越大，對廠房的溫濕包裹效果越好，雙側(cè)安裝送風(fēng)速度為10 m/s的空氣幕時，廠房內(nèi)平均溫度比未用空氣幕時降低了2.9 ℃，平均含濕量降低了51.4%，同時，其濕傳遞量降低了66%，處理水分的能耗降低了66.1%。

2)通過對空氣幕的安裝位置分析可知，如果僅在單側(cè)安裝空氣幕，可以選擇僅在廠房內(nèi)部裝流速較大的空氣幕，也可以起到較好的控制效果，僅給內(nèi)側(cè)裝空氣流速為10 m/s的空氣幕時,廠房內(nèi)的平均溫度比無空氣幕時降低了2.4 ℃，平均含濕量降低了49.5%，同時，其濕傳遞量降低了52%，處理水分的能耗降低了52.1%。

3)若生產(chǎn)環(huán)境要求濕度控制在一較低水平，可以選擇雙側(cè)安裝出流速度為10 m/s的空氣幕，可以有效控制熱濕傳遞，較大程度減少處理水分的能耗，達到節(jié)能效果，同時在一定程度上可以保障產(chǎn)品質(zhì)量。若生產(chǎn)環(huán)境無溫濕度控制要求，僅為了提高氣密性、減少熱濕交換，則可以選擇僅在內(nèi)側(cè)裝出流速度較大的空氣幕，以達到一定的控制效果。