恒溫恒濕庫房空調(diào)送風(fēng)參數(shù)優(yōu)化研究

摘 要：為控制可能破壞設(shè)備的因素，需要對(duì)庫房恒溫恒濕系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，這將直接關(guān)系設(shè)備的保養(yǎng)狀態(tài)。因此本文以某裝備存儲(chǔ)庫房為例，采用試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)k-ε計(jì)算模型，針對(duì)恒溫恒濕庫房的空調(diào)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行模擬分析，通過分析空調(diào)送風(fēng)速度和送風(fēng)含濕量對(duì)恒溫恒濕庫房溫濕度的影響，得出最優(yōu)參數(shù)設(shè)置方案。本文的研究結(jié)果能夠?yàn)橄嚓P(guān)單位恒溫恒濕庫房空調(diào)的優(yōu)化改造提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：恒溫恒濕庫房；空調(diào)送風(fēng)；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU 83" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

恒溫恒濕庫房是一種特殊的存儲(chǔ)設(shè)施，主要用于存放對(duì)溫度和濕度有嚴(yán)格要求的物品。為了保證這些物品的質(zhì)量和安全，恒溫恒濕庫房需要維持穩(wěn)定的溫度和濕度條件。國外學(xué)者從恒溫恒濕空調(diào)設(shè)備方面入手，對(duì)室內(nèi)溫濕度的控制進(jìn)行了深入研究。例如，F(xiàn)abrizio Ascione（2009）利用動(dòng)態(tài)模擬方法對(duì)文物館空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗進(jìn)行了研究，并提出了空調(diào)除濕、回風(fēng)能量回收的具體優(yōu)化措施[1]。G.M.Ge（2011）則針對(duì)液體除濕空調(diào)系統(tǒng)在不同新風(fēng)模式下的運(yùn)行狀況進(jìn)行了研究。測(cè)試結(jié)果顯示，在空調(diào)新風(fēng)比高于60%的情況下，液體除濕空調(diào)系統(tǒng)的性能出現(xiàn)了大幅度下降[2]。

國內(nèi)方面，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和國內(nèi)生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，我國在恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)研究方面也取得了重大進(jìn)步。李兆堅(jiān)（2013）對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)換氣次數(shù)進(jìn)行了研究，并提出在確保滿足室內(nèi)微正壓的前提下，降低新風(fēng)換氣的次數(shù)是降低空調(diào)能耗的一個(gè)主要措施[3]。曾笑塵（2014）針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度和送風(fēng)含濕量進(jìn)行了研究，并針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的問題提出了一種PID控制模式，即利用PID控制器對(duì)庫房?jī)?nèi)的溫濕度進(jìn)行解耦控制[4]。

1 恒溫恒濕庫房模型選定

恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的精準(zhǔn)控制，其主要由冷熱源、風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)以及其他配套系統(tǒng)等部分內(nèi)容構(gòu)成。從整體上看，一個(gè)良好的恒溫恒濕庫房空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)如下。首先，維持穩(wěn)定的溫度和濕度條件。根據(jù)存儲(chǔ)物品的要求，恒溫恒濕庫房?jī)?nèi)的溫度一般控制在20℃～25℃，濕度一般控制在45%℃～65%。其次，保證良好的空氣品質(zhì)。由于恒溫恒濕庫房?jī)?nèi)存放的物品大多對(duì)空氣品質(zhì)有較高要求，因此空調(diào)系統(tǒng)需要保證送入室內(nèi)的空氣新鮮、清潔，避免灰塵、細(xì)菌等污染物侵入[5]。再次，控制噪聲和振動(dòng)?？照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)可能會(huì)對(duì)庫房?jī)?nèi)的物品造成影響，因此需要采取措施進(jìn)行控制。最后，節(jié)能環(huán)保。空調(diào)系統(tǒng)作為能耗大戶，需要考慮其節(jié)能減排的問題。在滿足庫房要求的前提下，盡可能降低能耗，減少對(duì)環(huán)境的影響。

本文以某單位裝備存儲(chǔ)庫房為例，對(duì)其恒溫恒濕空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。該庫房空調(diào)區(qū)面積占庫房總建筑面積的65%，庫房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)多樣，功能區(qū)劃分清晰，主要用于存放各種高精密度的儀器設(shè)備和試驗(yàn)器材等。該庫房尺寸為8.25m×6m×2.9m（長(zhǎng)×寬×高），氣流組織采用上送、下回的送風(fēng)方式，庫房中共計(jì)安裝4個(gè)送風(fēng)口，均位于天花板上，送風(fēng)口的尺寸為0.4m共計(jì)0.4m[6]。回風(fēng)口2個(gè)，位于距離地面0.15m的內(nèi)墻上，回風(fēng)口尺寸為1.0m×0.3m，庫房回風(fēng)口和送風(fēng)口均采用了百葉風(fēng)口設(shè)計(jì)。

考慮本文對(duì)恒溫恒濕庫房空調(diào)送風(fēng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的是模擬方式，因此數(shù)值模型的可靠性將會(huì)直接影響研究結(jié)果。為了更好地分析模擬結(jié)果，本文選取庫房?jī)?nèi)水平方向界面來對(duì)庫房溫濕度分布特征進(jìn)行研究，設(shè)定3種不同工況下的室外參數(shù)，具體見表1。

1.1 溫度場(chǎng)分布特征

通過模擬3種工況下截面溫度的分布可以看出，被吹送至庫房中的冷空氣經(jīng)過送風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)后，在消除室內(nèi)余熱的過程中溫度逐漸上升，庫房中同一高度截面的溫度分布較均勻，平均溫度為20℃左右，能夠滿足裝備保存的要求。溫度場(chǎng)分布如圖1所示。

1.2 濕度場(chǎng)分布特征

通過模擬3種工況下截面濕度的分布可以看出，送風(fēng)口下方的濕度相對(duì)較高。主要原因是在測(cè)試工況下，庫房?jī)?nèi)不存在散濕源，因此只能通過輸送濕空氣來維持庫房?jī)?nèi)的濕度要求。從具體的模擬情況來看，庫房?jī)?nèi)的濕度波動(dòng)范圍較小，分布較均勻，能夠滿足裝備保存的濕度要求。濕度場(chǎng)分布如圖2所示。

2 建立標(biāo)準(zhǔn)k-ε計(jì)算模型

本文在對(duì)空調(diào)送風(fēng)參數(shù)對(duì)恒溫恒濕庫房影響進(jìn)行研究的過程中利用Fluent6.3對(duì)庫房流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，考慮室內(nèi)空氣為不可壓縮流動(dòng)氣體，選擇基于壓力的求解器和隱式方案。在運(yùn)行條件中選擇3D，在運(yùn)行過程中選擇基于單元的格林-高斯方法。在運(yùn)行環(huán)境中，考慮溫度場(chǎng)的存在，設(shè)置重力場(chǎng)的影響，設(shè)定重力方向?yàn)?z，重力值為9.8m/s2，環(huán)境溫度為20℃[7]。

由于計(jì)算模型的選擇會(huì)直接影響模擬試驗(yàn)結(jié)果，因此必須結(jié)合模擬的實(shí)際問題進(jìn)行模型設(shè)置。經(jīng)過綜合考慮，本文選擇使用能量方程，并在此基礎(chǔ)上建立標(biāo)準(zhǔn)?？紤]濕度場(chǎng)的影響，還需要向室內(nèi)送入一定含濕量的空氣，因此本文在試驗(yàn)過程中還加入了組分輸運(yùn)模型，并定義向室內(nèi)輸送的組分為空氣和水蒸氣。

2.1 入口邊界條件

由于計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置將會(huì)對(duì)最終的研究結(jié)果產(chǎn)生直接影響，因此需要結(jié)合庫房的實(shí)際運(yùn)行情況來進(jìn)行設(shè)定。因此本文選擇使用能量方程，建立標(biāo)準(zhǔn)模型。在該模型中，湍流動(dòng)能的計(jì)算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：k為湍流動(dòng)能；uavg為平均速度；c%為出流湍流動(dòng)能；I為湍流強(qiáng)度。

2.2 出口邊界條件

回風(fēng)口處流動(dòng)為完全發(fā)展，對(duì)上游流動(dòng)沒有造成影響，因此在本文中將回風(fēng)口設(shè)置為出流邊界，其他則保持不變。

2.3 人體邊界條件

由于本文設(shè)定試驗(yàn)庫房的溫度為20℃，工作人員在庫房?jī)?nèi)的勞動(dòng)為輕度勞動(dòng)，通過綜合計(jì)算和分析，本文設(shè)定人體在庫房?jī)?nèi)的單位散熱量為185W，散濕量為140g/h，與此同時(shí)開啟熱輻射模型。

3 空調(diào)送風(fēng)參數(shù)對(duì)庫房?jī)?nèi)溫濕度的影響

在恒溫恒濕庫房的應(yīng)用過程中會(huì)出現(xiàn)氣流組織設(shè)計(jì)不合理、加濕不當(dāng)以及結(jié)構(gòu)氣密性不符合設(shè)計(jì)要求等問題，而這些問題的出現(xiàn)均會(huì)引起恒溫恒濕庫房環(huán)境和送風(fēng)參數(shù)變化[8]。因此，從空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)參數(shù)優(yōu)化的角度出發(fā)對(duì)恒溫恒濕庫房干擾因素進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是一種切實(shí)可行的研究思路。為了更全面、準(zhǔn)確地研究空調(diào)送風(fēng)參數(shù)的不同對(duì)庫房?jī)?nèi)溫、濕度的影響，本文設(shè)定了5個(gè)空調(diào)送風(fēng)參數(shù)，即0.13m/s、0.23m/s、0.33m/s、0.43m/s和0.55m/s。

3.1 空調(diào)送風(fēng)速度對(duì)庫房溫度的影響

不同送風(fēng)速度在庫房1.2m平面高度的截面溫度分布均勻性見表2。從表2數(shù)據(jù)可以看出，在0.13m/s～0.33m/s的送風(fēng)范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速不斷增大，送風(fēng)和庫房?jī)?nèi)的空氣混合越來越充分，庫房?jī)?nèi)的平均溫度也更接近于空調(diào)設(shè)定溫度，并且截面溫度的均勻性越來越好。而在空調(diào)送風(fēng)速度由0.33m/s進(jìn)一步升至0.55m/s的過程中，隨著庫房?jī)?nèi)的氣流流動(dòng)性不斷增加，庫房紊流區(qū)域面積不斷擴(kuò)大，溫度也不斷上升，并出現(xiàn)截面溫度系數(shù)不均勻的情況。由此可以看出，該庫房的最佳送風(fēng)速度為0.33m/s，當(dāng)空調(diào)送風(fēng)速度為0.23m/s～0.33m/s時(shí)，均能滿足庫房對(duì)溫度的控制要求。

3.2 送風(fēng)速度對(duì)庫房?jī)?nèi)濕度的影響

不同送風(fēng)速度在庫房1.2m平面高度處的截面濕度分布均勻性見表3。由表3數(shù)據(jù)可以看出，截面平均相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)、截面相對(duì)濕度均勻性的變化規(guī)律與溫度的變化趨勢(shì)一致。具體來看，空調(diào)送風(fēng)速度為0.13m/s時(shí)，截面的平均相對(duì)濕度為57.7%，為5種不同送風(fēng)速度下的最大值。而隨著送風(fēng)速度不斷增大，截面平均相對(duì)濕度均能保持在55%左右，滿足庫房對(duì)濕度的要求。從空調(diào)送風(fēng)速度對(duì)截面相對(duì)不均勻系數(shù)的影響來看，隨著空調(diào)送風(fēng)速度不斷增大，截面相對(duì)濕度不均勻系數(shù)整體卻呈現(xiàn)出逐漸變小的趨勢(shì)，并且風(fēng)速為0.33m/s時(shí)，不均勻系數(shù)值最小，這就說明空調(diào)送風(fēng)速度為0.33m/s時(shí)，庫房的相對(duì)濕度均勻性最佳。

4 空調(diào)送風(fēng)含濕量對(duì)庫房溫濕度的影響

考慮恒溫恒濕庫房具有良好的氣密性，并且大部分時(shí)間都是密閉運(yùn)行，雖然外界空氣中水分含量較高，但對(duì)庫房?jī)?nèi)濕度的影響十分有限。而恒溫恒濕庫房?jī)?nèi)部的濕度損失也較小，主要依靠空調(diào)送風(fēng)的濕度來對(duì)庫房?jī)?nèi)的濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)[9]。為了研究不同空調(diào)送風(fēng)含濕量對(duì)庫房溫濕度的影響，本文設(shè)定了7.6g/kg、7.8g/kg、8.0g/kg和8.2g/kg共4種不同的空調(diào)送風(fēng)含濕量條件，同樣在庫房1.2m平面高度的截面處對(duì)庫房溫濕度的變化進(jìn)行研究。

4.1 空調(diào)送風(fēng)含濕量對(duì)庫房溫度的影響

通過對(duì)不同空調(diào)送風(fēng)含濕量在庫房1.2m平面高度的截面溫度進(jìn)行分析可以看出，隨著空調(diào)送風(fēng)含濕量不斷增加，庫房?jī)?nèi)的溫度并未呈現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)，維持在19℃左右，并且溫度的變化范圍在±0.1℃。究其原因，雖然空調(diào)送風(fēng)的含濕量在不斷增加，但濕空氣的焓值卻沒有明顯增加，因此庫房?jī)?nèi)的溫度變化并不十分明顯。

4.2 空調(diào)送風(fēng)含濕量對(duì)庫房?jī)?nèi)相對(duì)濕度的影響

不同送風(fēng)含濕量在庫房1.2m平面高度處的截面濕度分布均勻性見表4。由表4數(shù)據(jù)可以看出，隨著空調(diào)送風(fēng)含濕量不斷增加，截面的平均相對(duì)濕度也呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，空調(diào)送風(fēng)含濕量為8.0g/kg時(shí)，截面的相對(duì)濕度不均勻系數(shù)最小，濕度分布均勻性最好。而空調(diào)送風(fēng)含濕量進(jìn)一步由8.0g/kg升至8.2g/kg時(shí)，截面平均相對(duì)濕度的不均勻系數(shù)增加，這表明其偏離了庫房所設(shè)定的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)值。因此空調(diào)送風(fēng)含濕量為8.0g/kg時(shí)，庫房的相對(duì)濕度均勻性最佳。

5 結(jié)論

本文利用數(shù)值計(jì)算模型，采用模擬的方法，分析了恒溫恒濕庫房在不同送風(fēng)速度、送風(fēng)含濕量參數(shù)下對(duì)庫房溫濕度的影響，并設(shè)計(jì)出最優(yōu)參數(shù)設(shè)置方案，所得結(jié)論如下。

隨著空調(diào)送風(fēng)速度不斷增加，恒溫恒濕庫房的溫濕度均勻性越來越好。隨著空調(diào)送風(fēng)溫度持續(xù)增加，庫房的回風(fēng)口處出現(xiàn)了紊流現(xiàn)象。模擬試驗(yàn)表明，空調(diào)送風(fēng)速度為0.33m/s

時(shí)為恒溫恒濕庫房的最佳風(fēng)速。空調(diào)送風(fēng)速度為0.23m/s～0.43m/s

時(shí)，可以滿足恒溫恒濕庫房對(duì)溫、濕度的要求。

模擬試驗(yàn)表明，隨著空調(diào)送風(fēng)含濕量不斷增加，恒溫恒濕庫房?jī)?nèi)的溫度變化不明顯。究其原因，濕空氣的焓值并沒有明顯增加，而庫房?jī)?nèi)的濕度出現(xiàn)明顯變化。當(dāng)空調(diào)送風(fēng)含濕量為8.0g/kg時(shí)，截面的相對(duì)濕度不均勻系數(shù)最小，濕度分布均勻性最好。

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