恒温恒湿库房空调送风参数优化研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（上）-86-工 业 技 术恒温恒湿库房是一种特殊的存储设施，主要用于存放对温度和湿度有严格要求的物品。为了保证这些物品的质量和安全，恒温恒湿库房需要维持稳定的温度和湿度条件。国外学者从恒温恒湿空调设备方面入手，对室内温湿度的控制进行了深入研究。例如，Fabrizio Ascione（2009）利用动态模拟方法对文物馆空调系统的运行能耗进行了研究，并提出了空调除湿、回风能量回收的具体优化措施1。G.M.Ge（2011）则针对液体除湿空调系统在不同新风模式下的运行状况进行了研究。测试结果显示，在空调新风比高于 60%的情况下，液体除湿空调系统的性能出现了大幅度下降2。国内方面，随着科学技术的不断发展和国内生产工艺的进步，我国在恒温恒湿空调系统研究方面也取得了重大进步。李兆坚（2013）对空调系统的新风换气次数进行了研究，并提出在确保满足室内微正压的前提下，降低新风换气的次数是降低空调能耗的一个主要措施3。曾笑尘（2014）针对空调系统送风温度和送风含湿量进行了研究，并针对空调系统运行不稳定的问题提出了一种 PID 控制模式，即利用 PID控制器对库房内的温湿度进行解耦控制4。1 恒温恒湿库房模型选定恒温恒湿空调系统能够实现对环境温度的精准控制，其主要由冷热源、风系统、水系统、空气净化系统以及其他配套系统等部分内容构成。从整体上看，一个良好的恒温恒湿库房空调系统应达到的标准如下。首先，维持稳定的温度和湿度条件。根据存储物品的要求，恒温恒湿库房内的温度一般控制在20 25，湿度一般控制在 45%65%。其次，保证良好的空气品质。由于恒温恒湿库房内存放的物品大多对空气品质有较高要求，因此空调系统需要保证送入室内的空气新鲜、清洁，避免灰尘、细菌等污染物侵入5。再次，控制噪声和振动。空调系统运行时产生的噪声和振动可能会对库房内的物品造成影响，因此需要采取措施进行控制。最后，节能环保。空调系统作为能耗大户，需要考虑其节能减排的问题。在满足库房要求的前提下，尽可能降低能耗，减少对环境的影响。本文以某单位装备存储库房为例，对其恒温恒湿空调送风系统进行了研究。该库房空调区面积占库房总建筑面积的 65%，库房内部结构多样，功能区划分清晰，主要用于存放各种高精密度的仪器设备和试验器材等。该库房尺寸为8.25m6m2.9m（长 宽 高），气流组织采用上送、下回的送风方式，库房中共计安装 4 个送风口，均位于天花板上，送风口的尺寸为 0.4m 共计 0.4m6。回风口 2 个，位于距离地面 0.15m 的内墙上，回风口尺寸为 1.0m0.3m，库房回风口和送风口均采用了百叶风口设计。考虑本文对恒温恒湿库房空调送风参数的优化设计采用的是模拟方式，因此数值模型的可靠性将会直接影响研究结果。为了更好地分析模拟结果，本文选取库房内水平方向界面来对库房温湿度分布特征进行研究，设定 3 种不同工况下的室外参数，具体见表 1。表 1 测试工况下的室外参数工况室外环境温度/室外相对湿度/%工况一25.264.1工况二26.870.2工况三29.774.51.1 温度场分布特征通过模拟 3 种工况下截面温度的分布可以看出，被吹送至库房中的冷空气经过送风口进入室内后，在消除室内余热的过程中温度逐渐上升，库房中同一高度截面的温度分布较均匀，平均温度为 20左右，能够满足装备保存的要求。温度场分布如图 1 所示。1.2 湿度场分布特征通过模拟 3 种工况下截面湿度的分布可以看出，送风口下方的湿度相对较高。主要原因是在测试工况下，库房内不存在散湿源，因此只能通过输送湿空气来维持库房内的湿度要求。从具体的模拟情况来看，库房内的湿度波动范围较小，分布较均匀，能够满足装备保存的湿度要求。湿度场分布如图 2 所示。2 建立标准 k-计算模型本文在对空调送风参数对恒温恒湿库房影响进行研究的过程中利用 Fluent6.3 对库房流场进行了模拟，考虑室内空气为不可压缩流动气体，选择基于压力的求解器和隐式方案。在运行条件中选择 3D，在运行过程中选择基于单元的格林-高斯方法。在运行环境中，考虑温度场的存在，设置重力场的影响，设定重力方向为-z，重力值为 9.8m/s2，环境温度为 207。由于计算模型的选择会直接影响模拟试验结果，因此必须结合模拟的实际问题进行模型设置。经过综合考虑，本文选择使用能量方程，并在此基础上建立标准k。考虑湿度场的影响，还需要向室内送入一定含湿量的空气，因此本文在试验过程中还加入了组分输运模型，并定义向室内输送的组分为空气和水蒸气。恒温恒湿库房空调送风参数优化研究张锋赵亚军曾祥顺李泽文定正（中国人民解放军 91515 部队，海南 三亚 572000）摘 要：为控制可能破坏设备的因素，需要对库房恒温恒湿系统进行深入研究，这将直接关系设备的保养状态。因此本文以某装备存储库房为例，采用试验验证的方法，构建标准 k-计算模型，针对恒温恒湿库房的空调送风参数进行模拟分析，通过分析空调送风速度和送风含湿量对恒温恒湿库房温湿度的影响，得出最优参数设置方案。本文的研究结果能够为相关单位恒温恒湿库房空调的优化改造提供借鉴和参考。关键词：恒温恒湿库房；空调送风；参数优化中图分类号：TU83文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.3（上）-87-工 业 技 术2.1 入口边界条件由于计算模型参数设置将会对最终的研究结果产生直接影响，因此需要结合库房的实际运行情况来进行设定。因此本文选择使用能量方程，建立标准k 模型。在该模型中，湍流动能的计算过程如公式（1）所示。kuIucavgavg?321222%（1）式中：k 为湍流动能；uavg为平均速度；c%为出流湍流动能；I 为湍流强度。2.2 出口边界条件回风口处流动为完全发展，对上游流动没有造成影响，因此在本文中将回风口设置为出流边界，其他则保持不变。2.3 人体边界条件由于本文设定试验库房的温度为 20，工作人员在库房内的劳动为轻度劳动，通过综合计算和分析，本文设定人体在库房内的单位散热量为 185W，散湿量为 140g/h，与此同时开启热辐射模型。3 空调送风参数对库房内温湿度的影响在恒温恒湿库房的应用过程中会出现气流组织设计不合理、加湿不当以及结构气密性不符合设计要求等问题，而这些问题的出现均会引起恒温恒湿库房环境和送风参数变化8。因此，从空调系统送风参数优化的角度出发对恒温恒湿库房干扰因素进行分析，进而对送风参数进行优化是一种切实可行的研究思路。为了更全面、准确地研究空调送风参数的不同对库房内温、湿度的影响，本文设定了 5 个空调送风参数，即 0.13m/s、0.23m/s、0.33m/s、0.43m/s 和 0.55m/s。3.1 空调送风速度对库房温度的影响不同送风速度在库房 1.2m平面高度的截面温度分布均匀性见表 2。从表 2 数据可以看出，在 0.13m/s0.33m/s 的送风范围内，随着风速不断增大，送风和库房内的空气混合越来越充分，库房内的平均温度也更接近于空调设定温度，并且截面温度的均匀性越来越好。而在空调送风速度由 0.33m/s 进一步升至 0.55m/s 的过程中，随着库房内的气流流动性不断增加，库房紊流区域面积不断扩大，温度也不断上升，并出现截面温度系数不均匀的情况。由此可以看出，该库房的最佳送风速度为 0.33m/s，当空调送风速度为 0.23m/s0.33m/s 时，均能满足库房对温度的控制要求。3.2 送风速度对库房内湿度的影响不同送风速度在库房 1.2m 平面高度处的截面湿度分布均匀性见表 3。由表 3 数据可以看出，截面平均相对湿度的变化趋势、截面相对湿度均匀性的变化规律与温度的变化趋势一致。具体来看，空调送风速度为 0.13m/s 时，截面的平均相对湿度为 57.7%，为 5 种不同送风速度下的最大值。而图 1 温度场分布图 2 湿度场分布3.067e+002 3.061e+002 3.055e+002 3.049e+002 3.0442+002 3.038e+002 3.032e+002 3.026e+002 3.021e+002 3.015e+002 3.009e+0023.057e+002 3.049e+002 3.041e+002 3.034e+002 3.026e+002 3.018e+002 3.011e+002 3.003e+002 2.995e+002 2.988e+002 2.980e+002 湿度（RH）温度（）中国新技术新产品2024 NO.3（上）-88-工 业 技 术随着送风速度不断增大，截面平均相对湿度均能保持在 55%左右，满足库房对湿度的要求。从空调送风速度对截面相对不均匀系数的影响来看，随着空调送风速度不断增大，截面相对湿度不均匀系数整体却呈现出逐渐变小的趋势，并且风速为 0.33m/s 时，不均匀系数值最小，这就说明空调送风速度为 0.33m/s 时，库房的相对湿度均匀性最佳。4 空调送风含湿量对库房温湿度的影响考虑恒温恒湿库房具有良好的气密性，并且大部分时间都是密闭运行，虽然外界空气中水分含量较高，但对库房内湿度的影响十分有限。而恒温恒湿库房内部的湿度损失也较小，主要依靠空调送风的湿度来对库房内的湿度进行调节9。为了研究不同空调送风含湿量对库房温湿度的影响，本文设定了 7.6g/kg、7.8g/kg、8.0g/kg 和 8.2g/kg 共 4 种不同的空调送风含湿量条件，同样在库房 1.2m 平面高度的截面处对库房温湿度的变化进行研究。4.1 空调送风含湿量对库房温度的影响通过对不同空调送风含湿量在库房 1.2m 平面高度的截面温度进行分析可以看出，随着空调送风含湿量不断增加，库房内的温度并未呈现明显的变化趋势，维持在 19左右，并且温度的变化范围在 0.1。究其原因，虽然空调送风的含湿量在不断增加，但湿空气的焓值却没有明显增加，因此库房内的温度变化并不十分明显。4.2 空调送风含湿量对库房内相对湿度的影响不同送风含湿量在库房 1.2m 平面高度处的截面湿度分布均匀性见表 4。由表 4 数据可以看出，随着空调送风含湿量不断增加，截面的平均相对湿度也呈现出逐渐上升的趋势，空调送风含湿量为 8.0g/kg 时，截面的相对湿度不均匀系数最小，湿度分布均匀性最好。而空调送风含湿量进一步由 8.0g/kg 升至 8.2g/kg 时，截面平均相对湿度的不均匀系数增加，这表明其偏离了库房所设定的相对湿度数据值。因此空调送风含湿量为 8.0g/kg 时，库房的相对湿度均匀性最佳。5 结论本文利用数值计算模型，采用模拟的方法，分析了恒温恒湿库房在不同送风速度、送风含湿量参数下对库房温湿度的影响，并设计出最优参数设置方案，所得结论如下。随着空调送风速度不断增加，恒温恒湿库房的温湿度均匀性越来越好。随着空调送风温度持续增加，库房的回风口处出现了紊流现象。模拟试验表明，空调送风速度为 0.33m/s时为恒温恒湿库房的最佳风速。空调送风速度为0.23m/s0.43m/s时，可以满足恒温恒湿库房对温、湿度的要求。模拟试验表明，随着空调送风含湿量不断增加，恒温恒湿库房内的温度变化不明显。究其原因，湿空气的焓值并没有明显增加，而库房内的湿度出现明显变化。当空调送风含湿量为 8.0g/kg 时，截面的相对湿度不均匀系数最小，湿度分布均匀性最好。参考文献1FABRIZIO ASCIONE，LAURA BELLIA，ALFONSO CAPOZZOLI，et al.Energy saving strategies in air-conditioning for museumsJ.Applied Thermal Engineering，2009，29（4）：676686.2Ge G M，Xiao F，Niu X F.Control strategies for a liquid desiccant air conditioning SystemJ.Energy and Buildings，2011，43（6）：14991507.3 李兆坚，刘建华，张晓航，等.高大洁净厂房新风换气次数与室内正压的关系测试研究 J.暖通空调，2013（增刊1）：80-81.4 曾笑尘.多变量内模 PID 在中央空调末端温湿度控制中的应用 D.北京：北京工业大学，2014.5 王子涵，齐特.一种新型直接膨胀式温湿度独立控制恒温恒湿空调系统 J.暖通空调，2022，52（1）：165-172，80.6 杜芳莉，马杰，解臣臣，等.基于冷凝热回收的恒温恒湿空调系统方案设计 J.制冷与空调（四川），2021，35（3）：432-434.7 严卫东，杜垲，王小宝.二次回风在小型恒温恒湿空调系统中应用的实验研究 J.暖通空调，2018，48（7）：121-125.8 张喜清，孙世成，王亚龙.基于 RBF 神经网络代理模型的装载机空调送风参数优化 J.中国工程机械学报，2023，21（1）：16-21.9 杨世忠，逄铄.基于改进自适应萤火虫群算法的空调送风温度优化控制 J.低温与超导，2022，50（1）：48-56.表 2 不同送风速度下截面温度分布均匀性分析送风速度（ms-1）截面平均温度（）最大温度点偏差最小温度点偏差温度不均匀系数0.1319.00.0750.0280.0240.2319.60.0660.0400.0210.3319.70.0440.0530.0170.4320.00.0600.0590.0190.5520.30.0570.0660.022表 3 不同送风速度下截面相对湿度分布均匀性分析送风速度（ms-1）截面平均湿度（%）最大湿度点偏差最小湿度点偏差湿度不均匀系数0.1357.70.0490.0910.0380.2355.90.0590.0690.0320.3355.20.0810.0400.0280.4355.00.0880.0590.0330.5554.80.0900.0480.030表 4 不同送风含湿量下截面相对湿度分布均匀性送风含湿量（gkg-1）截面平均湿度（%）最大湿度点偏差最小湿度点偏差湿度不均匀系数7.652.10.0900.0350.0357.854.00.0760.0470.0378.054.80.0830.0390.0288.256.60.0560.0770.032