密閉養(yǎng)殖舍開孔風(fēng)道新風(fēng)及散熱器供暖系統(tǒng)的模擬研究

肖湘靈，馬召民

（1.上海建科工程咨詢有限公司，上海 200030；2.鄭州熱力集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

為了降低采暖能耗，北方寒冷地區(qū)冬季畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中通常采用封閉門窗的做法，由新風(fēng)系統(tǒng)向室內(nèi)供入新風(fēng)，使建筑內(nèi)的氣溫、風(fēng)速和有害氣體濃度滿足畜禽生長性能的需求。我國中南部地區(qū)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖建筑中，冬季采用開孔風(fēng)道向建筑供入新風(fēng)的方式取得了良好的應(yīng)用效果。這一模式如能推廣應(yīng)用到北方寒冷地區(qū)，替代目前規(guī)?；B(yǎng)殖舍冬季采用開放式檐口進(jìn)風(fēng)、吊頂上送風(fēng)的新風(fēng)模式，則可降低建筑的層高、增加建筑的氣密性和保溫效果，從而減少初投資和采暖能耗。但是，北方寒冷地區(qū)冬季氣溫低，為避免冷氣流直接送入畜禽活動區(qū)域，影響畜禽生長性能，需要研究新風(fēng)系統(tǒng)與供暖設(shè)施的合理配置方式，使大型畜禽養(yǎng)殖建筑獲得均勻、穩(wěn)定的室內(nèi)溫度場。計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析[1-2]，可以不受具體條件限制，給出工程需要的數(shù)值解，該方法已被成功地用于畜禽建筑環(huán)境的模擬分析中[3-14]。

在養(yǎng)殖舍通風(fēng)和供暖應(yīng)用方面，Tomas Norton 等[15]采用CFD 對開放式檐口條件下采用自然通風(fēng)的養(yǎng)殖舍建筑進(jìn)行了研究，得出在風(fēng)壓驅(qū)動條件下，帶百葉的凸肋式通風(fēng)結(jié)構(gòu)在通風(fēng)效率和室內(nèi)熱舒適性方面均優(yōu)于板條式通風(fēng)縫隙結(jié)構(gòu)。Tomas Norton 等[16]還就不同類型農(nóng)業(yè)建筑中CFD 的應(yīng)用進(jìn)行了比較，指出在用戶自定義程序中建立以具體環(huán)境參數(shù)為變量的生物反應(yīng)函數(shù)可以提高農(nóng)業(yè)建筑熱環(huán)境數(shù)值模擬的物理真實性。Olivera EcimDuric 和 Goran Topisirovic[17]對建筑一體化養(yǎng)殖舍通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了能效優(yōu)化研究，得出數(shù)值模擬不僅可為自然通風(fēng)養(yǎng)殖舍建筑的初期設(shè)計提供準(zhǔn)確的開孔面積，其流場數(shù)據(jù)也可用于機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化。I.H.Seo等[18]采用CFD 對寒冷季節(jié)雞舍的自然通風(fēng)進(jìn)行了研究，提出了能改善室內(nèi)熱均勻性和畜禽活動區(qū)能耗的新型雞舍，實測數(shù)據(jù)表明，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)的雞舍可以節(jié)約30%的能源投資。對于室內(nèi)溫度不均勻的養(yǎng)殖舍建筑，Tomas Norton 等[19]根據(jù)畜禽所在位置的環(huán)境溫度，在畜禽點傳熱模型中計入其體溫調(diào)節(jié)對對流換熱的影響，提高了畜禽對流換熱計算精度。Bjarne Bjerg等[20]采用CFD 建立了養(yǎng)殖舍的氨氮排放量模型，討論了將CFD 用于自然通風(fēng)養(yǎng)殖舍設(shè)計來降低氨氮排放量時需要深入研究的相關(guān)內(nèi)容。Il Swen Seo 等[21]對包含畜只和通風(fēng)設(shè)備的養(yǎng)殖舍建立全尺寸模型進(jìn)行了模擬和實驗驗證，結(jié)果表明CFD 可以用來改善通風(fēng)設(shè)計，通過減少進(jìn)風(fēng)口面積可以獲得更好的室內(nèi)熱均勻性。Tomas Norton 等[22]根據(jù)建筑和通風(fēng)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，采用反應(yīng)曲面法和CFD 建立了預(yù)測模型，對愛爾蘭地區(qū)自然通風(fēng)的養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境均勻性進(jìn)行研究，提出在給定的檐口條件下，改變建筑幾何參數(shù)可以影響舍內(nèi)環(huán)境的均勻性，并為設(shè)計人員提供了參數(shù)關(guān)聯(lián)式來獲得較好的舍內(nèi)環(huán)境均勻性。王小超等[23]采用CFD 對空載養(yǎng)殖舍的溫度場和氣流場進(jìn)行了模擬，研究了在采用熱回收系統(tǒng)的養(yǎng)殖舍中送風(fēng)角度對供暖效果的影響，得出有利于實現(xiàn)均勻溫度分布的送風(fēng)角度為45o。李文良等[24]基于k-ε 湍流模型，采用FLUENT 軟件對密閉平養(yǎng)雞舍的進(jìn)風(fēng)口位置、開啟角度和風(fēng)速進(jìn)行了研究，獲得了有利于冷、熱空氣混合的參數(shù)組合。本文利用CFD 技術(shù)對低層高規(guī)?；B(yǎng)殖舍的冬季新風(fēng)采暖系統(tǒng)進(jìn)行研究，探討有利于形成均勻穩(wěn)定溫度場的新風(fēng)道和散熱器的配置方式。

1 模型的建立

1.1 養(yǎng)殖舍及新風(fēng)采暖系統(tǒng)的幾何模型

本文研究的規(guī)?；B(yǎng)殖舍及新風(fēng)采暖系統(tǒng)主要由養(yǎng)殖舍外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)新風(fēng)管道、風(fēng)機(jī)、散熱器和若干豬只構(gòu)成。為便于進(jìn)行實驗對比，模擬參數(shù)中養(yǎng)殖舍建筑及主要設(shè)備的幾何尺寸、安裝位置與實際工程一致。養(yǎng)殖舍長50m，寬15m，脊高3m，檐高1.8m；風(fēng)道截面為0.5m×0.4m 的矩形，長50m，架設(shè)于山墻上，兩端進(jìn)風(fēng)；風(fēng)道兩側(cè)沿側(cè)面中心線向上0.1m 處開設(shè)0.3m×0.05m的條縫送風(fēng)口，每側(cè)29 個，間距1.7m；風(fēng)機(jī)設(shè)于兩側(cè)檐墻上，每側(cè)兩臺，距地面0.45m 高，與檐墻端部相距12.5m。為簡化計算，養(yǎng)殖舍實際采用圓柱形串片管散熱器進(jìn)行供暖，模擬中以同面積圓柱散熱器來代替；養(yǎng)殖舍漏縫地板以等面積原則減少了開孔數(shù)量。養(yǎng)殖舍結(jié)構(gòu)及風(fēng)道、散熱器等位置示意圖如圖1 所示。

1.2 控制方程

基于以上幾何條件和簡化假設(shè)，養(yǎng)殖舍內(nèi)的傳熱過程為三穩(wěn)非穩(wěn)態(tài)傳熱，對應(yīng)直角坐標(biāo)下的控制方程為[25-26]：

連續(xù)性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中，ρ為空氣密度，kg/m3；t為時間，s；為速度矢量，m/s；xi為直角坐標(biāo)系第i個坐標(biāo)坐標(biāo)，i=1，2，3；ui為三個坐標(biāo)軸方向的速度，m/s；μ 為空氣的動力粘度，N·s/m2；p為空氣流微元體上壓力，Pa；Fi為第i個坐標(biāo)軸方向上的體積力，N；T為溫度，℃；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·oC)；cp為空氣的定壓比熱，J/(kg·oC)；ST為熱源項，W。

1.3 邊界條件和相關(guān)參數(shù)

養(yǎng)殖舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻由24 磚磚墻和保溫聚苯板組成，漏縫地板下的地溝地面為水泥板，屋頂主要材料為外覆PVC 涂層的玻璃絲棉保溫板。根據(jù)實際測量手段和運行工況，外墻及屋頂設(shè)置為第二類邊界條件，在給定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計條件下，外墻和屋面的自然對流換熱系數(shù)為23W/(m2·oC)[27]，室外溫度由實測確定。水泥地面設(shè)置為第一類邊界條件，取同一時間對應(yīng)的典型氣象年地表溫度。散熱器材質(zhì)為低碳鋼，入口水溫75oC。模擬涉及的相關(guān)材料熱工性能如表1所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成材料的熱物性參數(shù)

2 模型的求解與驗證

2.1 網(wǎng)格劃分與求解

基于GAMBIT軟件進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，為簡化計算，豬只以長、短半軸分別為0.60m×0.25m 的橢球形發(fā)熱體代替。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型進(jìn)行計算，山墻風(fēng)道進(jìn)風(fēng)孔為進(jìn)氣口邊界。檐墻風(fēng)扇排風(fēng)口和散熱器入口均為速度入口邊界，實際存欄豬只1000 頭，設(shè)計條件下冬季育肥舍最小通風(fēng)量為10m3/（h·只）[28]，據(jù)此設(shè)置湍動能和湍動耗散率分別為k=0.0115、ε=0.0052 和k=0.007、ε=0.011，豬只散熱量取188W/只[29-30]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面設(shè)置為固體壁面邊界（wall），根據(jù)冬季實際氣候特點，忽略養(yǎng)殖舍外表面輻射傳熱。模擬時長與實驗測試持續(xù)時間相同，設(shè)置為1h，時間步長為1m。利用FLUENT 軟件SIMPLE算法對流場和溫度場進(jìn)行求解。

2.2 模擬結(jié)果驗證

為檢驗?zāi)Ｐ偷恼_性和有效性，將散熱器上置式運行工況下的模擬結(jié)果與同期實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。實驗所用溫度采集儀器為Angilent34970A 型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用直徑0.1mm 的銅-鏮銅(T 型)熱電偶測量溫度?？諝饬魉俨捎肙megaHHF-SD1 型熱線風(fēng)速儀進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)采集記錄時間間隔為1m。室內(nèi)共設(shè)置11 個觀測點，根據(jù)新風(fēng)對室內(nèi)空氣擾動程度的不同，取養(yǎng)殖舍中心和進(jìn)、排風(fēng)口的溫度，速度實驗數(shù)據(jù)與模擬值進(jìn)行了對比。其中，溫度最大相對誤差為15.3%，平均誤差7.6%，速度最大誤差為37.7%，平均誤差12.4%。最大誤差均出現(xiàn)在觀測點B，即靠近檐墻排氣扇處。與實測數(shù)據(jù)相比，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性整體在可接受范圍內(nèi)，說明模型的簡化假設(shè)基本合理，可為工程應(yīng)用提供一定的參考。

3 結(jié)果分析

3.1 散熱器位置對進(jìn)、排風(fēng)口及養(yǎng)殖舍中心溫度的影響

對畜只活動區(qū)不同位置的溫度變化進(jìn)行了模擬研究。散熱器采取兩種布置方式：①下置式，距地面0.7m 高，分別靠近檐墻和養(yǎng)殖舍中部，如圖1（c）所示；②上置式，與風(fēng)道送風(fēng)孔同高，與送風(fēng)孔水平相距0.6m，如圖1（d）所示，中心、排風(fēng)和進(jìn)風(fēng)觀測點均距地面0.5m 高，中心觀測點位于養(yǎng)殖舍平面中心，排風(fēng)觀測點位于室內(nèi)距檐墻排氣扇0.5m 處，進(jìn)風(fēng)觀測點位于室內(nèi)距山墻進(jìn)氣口0.5m處，分別如圖1（b）中A、B、C點所示。

模擬結(jié)果表明，從送風(fēng)開始到觀察點溫度趨于穩(wěn)定，散熱器下置方式所需時間為20m，較上置時減少約5～10m，如圖2 所示。這是由于散熱器下置時靠近畜只活動區(qū)，直接對該區(qū)域內(nèi)空氣進(jìn)行對流換熱，之后熱空氣在上升過程中再與送風(fēng)孔吹出的冷空氣混合，養(yǎng)殖舍下方始終處于相對高溫狀態(tài)，與自然對流換熱的熱流方向一致，因而整舍溫度可以較快的達(dá)到穩(wěn)態(tài)；上置時室外新風(fēng)通過送風(fēng)孔吹向散熱器，經(jīng)散熱器加熱后，與下方畜只活動區(qū)溫差減小，自然對流換熱勢差較小，因而達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間稍長。穩(wěn)定后，散熱器下置時三個觀測點的溫度范圍為11～19oC，上置時為16～19oC，較下置時養(yǎng)殖舍整體范圍內(nèi)的溫度梯度要小，而靠近排風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口等冷氣流擾動大的區(qū)域溫度也均在17oC 以上，較下置式提高約3～4oC，如圖2（b）、2（c）所示。但在中心點處，下置式可以獲得更為有利的溫度條件，如圖2（a）所示，其穩(wěn)定后的溫度較上置式提高約3oC。

圖2 不同冷氣流擾動程度下觀測點溫度變化對比

3.2 散熱器位置對畜只活動區(qū)溫度場的影響

圖3 表明散熱器在兩種不同布置方式下，養(yǎng)殖舍下方的豬只活動區(qū)整體上均能達(dá)到合適的溫度。散熱器下置時，畜只活動區(qū)溫度分布更為均勻，上置時畜只活動區(qū)溫度呈現(xiàn)兩端高中心低的趨勢。這與散熱器上置時，養(yǎng)殖舍上方對冷氣流形成“預(yù)熱層”，而下方依靠畜只自身產(chǎn)熱可以使活動區(qū)溫度維持在較高水平上，因而養(yǎng)殖舍內(nèi)縱向溫度梯度較小，與下方畜只活動區(qū)空氣循環(huán)不良有關(guān)。

圖3 不同散熱器位置畜只活動區(qū)溫度場對比

3.3 不同散熱器位置對養(yǎng)殖舍內(nèi)部豎向溫度分布的影響

在兩種不同的散熱器安裝位置下，養(yǎng)殖舍中心沿高度方向整體溫度分布如圖4 所示。散熱器下置時，養(yǎng)殖舍內(nèi)尤其是下方畜只活動區(qū)形成了良好的溫度分層，冷、熱空氣分別位于養(yǎng)殖舍下方和上方，類似于理想氣流組織“活塞流”所形成的溫度場，熱空氣有效覆蓋了畜只活動區(qū)。散熱器上置時，畜只活動區(qū)未出現(xiàn)這種有利于自然循環(huán)的溫度分布，下層水平方向溫度梯度較大，易發(fā)生畜只冷熱不均的情況。

圖4 不同散熱器位置養(yǎng)殖舍豎向溫度分布

4 結(jié)論與建議

與實驗數(shù)據(jù)相比，模擬得到的溫度值的最大誤差為15.3%，平均誤差為7.6%，表明本文提出的養(yǎng)殖舍模型及其簡化假設(shè)較為合理，可為工程應(yīng)用提供一定的參考。

達(dá)到穩(wěn)定后，散熱器上置時，靠近排風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)口等冷氣流擾動大的養(yǎng)殖舍上部區(qū)域，空氣溫度均在17oC 以上，較下置式提高約3～4oC。

散熱器下置時，養(yǎng)殖舍內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定值所需時間較上置時減少5～10m；養(yǎng)殖舍內(nèi)的空氣呈現(xiàn)上冷下熱的縱向熱分層，畜只活動中心區(qū)域的溫度較上置式提高約3oC，且畜只活動區(qū)水平溫度梯度較小，具有更好的熱均勻性。

④采用開孔風(fēng)道的養(yǎng)殖舍送新風(fēng)方式，在相同的新風(fēng)量和熱負(fù)荷條件下，下置式散熱器可以獲得更好的熱舒適條件和更為有效的能量利用。