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复合式空调系统在某高大跨度飞机装配厂房中的应用分析 中国航空规划设计研究总院有限公司 邹立成*傅建勋 张晓莉 赵雷昌 摘 要 首先介绍了高大跨度飞机装配厂房的特点与难点，再以西安某超高大跨度飞机装配厂房为研究对象，提出了以射流机组侧送风、侧下回风+全空气空调系统顶送风、侧下回风的复合式空调系统送风方式。通过对该复合式空调系统进行设计分析介绍，并利用 CFD 模拟对其室内温度场进行模拟分析。最终，对其实际运行效果进行了现场测试，结果表明，采用该复合式空调系统可满足该超高大跨度空间的工艺使用环境要求。关键词 超高大跨度；飞机装配厂房；复合式空调；CFD 模拟；分层空调 Application Analysis of Compound Air Conditioning System in a Ultra-High and Long Span Aircraft Assembly Plant Zou Licheng,Fu Jianxun,Zhang Xiaoli and Zhao Leichang Abstract This paper first introduces the characteristics and difficulties of an ultra-high and long-span aircraft assembly plant,and then takes an ultra-high and long-span aircraft assembly plant in Xi an as the research object,a composite air conditioning system with jet unit side air supply,side lower return air+full air conditioning system top air supply,side lower return air.This paper introduces the design and analysis of the compound air conditioning system,and uses CFD simulation to simulate and analyze the indoor temperature field.Finally,the actual operation effect is tested in the field,and the results show that the compound air conditioning system can meet the requirements of the process environment of the ultra-high and large span space.Keywords Ultra-high and long-span;Aircraft assembly plant;Compound air conditioning,CFD simulation,stratified air conditioning 0 引言 飞机制造业已经成为产生创新的源泉，成为带动一个国家经济发展的强大驱动力。飞机的制造技术是航空工业中最复杂、质量要求最高的技术，影响的经济效益也是最大的1。在飞机制造的过程中,飞机装配工作的劳动量要占整体装配工作的五到六成,装配周期更是占到整体生产周期的一半甚至更多2。其装配厂房的建设更是关系到飞机装配工艺合理性。由于大型飞机的尺寸越来越大，加上飞机装配工艺流程及技术的提升，装配厂房跨度要求越来越大，高度越来越高，环境控制要求越来越严格，从而给暖通空调系统的设计提出了更高的挑战。超高大跨度飞机装配厂房由于其层高高、跨度大，因此，主要具备以下特点：1）飞机装配厂房一般只需保证其工作区域高度温湿度环境，因此，为了降低初投资和节约运行能耗，常采用分层式空调系统。但由于厂房跨度太大，又不允许像航站楼、火车站等中间区域设送风柱3，否则会影响飞机装配工艺操作，送风口只能设置于墙两侧或顶上。而其两侧设置喷口因射程原因，中间较大区域气 流难以达到，中间区域环境难以满足工艺生产需求。2）装配厂房内一般工艺设备较多、体积较大，地面上无法布置地板辐射管道；若采用热水吊顶辐射板方式，可能会存在漏水影响飞机电子元器件。同时飞机装配厂房均设置于配套成熟厂区，周边均不允许有燃气接口，采用燃气红外供暖系统不可取。因此，在飞机装配厂房内采用各种辐射方式供暖供冷亦不可行。3）若采用全空气空调系统，全部采用顶送风方式，由于厂房体积大，层高高，造成总风量巨大，需要大面积空调机房。不仅业主提供不了如此大面积空调机房，还会大幅度地增加建设费用以及运行能耗、运行成本。尤其当其下弦高度高达 27m 时，按目前各类风口射程，只能采用小温差送风，冬季才有可能满足室内环境要求，这样更会加剧增大送风量，从而难以有条件满足其空调机房面积需求以及管道施工安装。为了解决上述特点与难点，针对超高大跨度飞机装配厂房的空调系统方式，本文提出了一种复合式空调系统方案，即厂房两侧采用射流机组侧送风、侧回风，中间射程满足不了区域采用全空气空调系统顶送风、侧下回风方式，通过该两种送风方式的复合，来满足其室内环境要求，同时还可降低初投资以及运行成本。下文将针对该复合式空调系统进行详细分析。2023 年 9 月 洁净与空调技术CC&AC 第 3 期*邹立成，男，1987 年 9 月生，硕士研究生，高级工程师 100120 北京市西城区德外大街 12 号（010）82336590 E-mail: 收稿日期：2023-03-01，修回日期：2023-04-02 1 工程概况 1.1 建筑概括 本文以位于西安的某飞机装配厂房为研究对象，本厂房南北方向长度 274m，东西方向厂房跨度为140.3m（中间无柱），建筑高度为 36.5m，结构网架下弦高度为 27.m，整个厂房下弦高度以下建筑体积约为 105 万 m3。该厂房的效果图如图 1 所示，厂房南北方向建筑剖面图如图 2 所示。该厂房属于超高大跨度厂房，在国内航空工业飞机装配场所均未见如此超高大跨度厂房，因此，目前国内更没有相似跨度的空调实例。从而给空调系统方案带来极大挑战。图 1 某飞机装配厂房建筑效果图 1.2 工艺要求 为了不影响飞机在装配过程中的功能性、可靠性，工艺专业要求，在飞机装配主要高度区域内，即建筑高度为 9m 以下区域室内环境处于 1828，相对湿度在二期改造建设时再考虑，目前只考虑其温度环境。该工艺性环境要求也是各类飞机装配厂房普遍要求。2 空调系统设计 2.1 空调冷热源 本工程空调系统热媒均采用 60/50热水；空调系统冷媒采用 512的冷冻水，均由厂区动力站集中供给。厂区空调水系统采用二管制，夏季提供冷水、冬季提供热水；其中空调冷水系统采用区域空调分散式多级泵变流量系统，各单体建筑结合自身负荷特性，设置独立的变频循环冷水泵，根据各单体的供回水压差独立变频运行，利于系统节能运行；空调热水系统采用集中二次泵变流量系统，设置于厂区集中动力站。本厂房单体建筑最大冷负荷为 7005kW，最大热负荷为 4675kW。本厂房单体建筑空调水系统流程示意图如图 3 所示。图 2 某飞机装配厂房南北方向建筑剖面图 图 3 空调水系统流程示意图 .10.洁净与空调技术CC&AC 第 3 期 2.2 空调末端系统方案 飞机装配厂房室内环境一般要求1828，其室内环境要求并不严格。根据国家规范GB 51245-2017工业建筑节能设计统一标准第5.4.15条：“建筑空间高度大于10m10000m3时，宜采用分层空调”以及条文说明中“与全室性空调方式相比，分层空调夏季可节省冷量左右”4-5。因此，对于高大空间的装配厂房一般均会采用分层空调系统，则在厂房两侧采用无风管远程射流空调机组侧送形式。射流空调机组采用新风型和回风型，不需要空调机房，该方式可很好地降低建设成本以及运行能耗。所以本项目空调末端形式仍采用在厂房两端的墙体上安装无风管远程射流空调机组侧送射流形式，对于风口射程满足不了区域采用顶送风形式。通过采用该空调系统方案来尽量降低空调机房面积需求以及降低初投资，该空调送风形式的示意图如图4所示。根据上面分析，为了满足该高大、大跨度厂房室内温度环境要求，提出了侧送风、侧下回风侧下回风的复合式空调系统方案。该复合式空调系统方案的具体形式为：主厂房南北两侧墙设置无风管远 图 第 3 期 要求工作区保证室内环境要求并不严格。根据国家规工业建筑节能设计统一标准中10m且体积大于时，宜采用分层空调”以及条文说明中“与全室性空调方式相比，分层空调夏季可节省冷量30%。因此，对于高大空间的装配厂房一般均会采用分层空调系统，则在厂房两侧采用无风管远程射流空调机组侧送形式。射流空调机组采用新风型和回风型，不需要空调机房，该方式可很好地降低建设成本以及运行能耗。所以本项目空调末端形式仍采用在厂房两端的墙体上安装无风管远程射流空调机组形式，对于风口射程满足不了区域采用顶送风形式。通过采用该空调系统方案来尽量降低空调机房面积需求以及降低初投资，该空调送风形式的示意根据上面分析，为了满足该高大、大跨度厂房室内温度环境要求，提出了侧送风、侧下回风+顶送风、侧下回风的复合式空调系统方案。该复合式空调系统方案的具体形式为：主厂房南北两侧墙设置无风管远 程射流空调机组，无风管远程射流空调机组自带喷口送风，其送风最大射程区域为只采用回风型，主要用于厂房射流区域内的降温或加热，气流组织采用喷口侧送风、侧下回风方式，送风喷口夏季向上调12左右，夏季送冷风；冬季送风喷口向下调12左右，冬季送热风；中间一次回风型全空气低速单风道定流量系统为45万m3/h，换气次数约1.5要求以及中间73m跨区域显热处理，气流组织采用顶送风、侧下回风方式，新、回风过滤、混合后，经冷却（加热）处理后，通过管道输送至中间跨区，顶送风口采用变旋流送风口，变旋流架下弦齐平。送风口和回风口均设有温度传感器，顶送风风口控制器根据送风温度、送回风温差自动调节送风口的导流叶片，从而调整气流流态。夏季送冷风时，导流叶片角度加大，相当于旋流风口，控制气流射程，降低风口正下方的吹风感，促进气流分布均匀；冬季送热风时，导流叶片角度减小，气流流态相当于喷口送风，加大送风射程，从而保证将热风送至工作区域。顶送风空调设备采用组合式空调机组，放置于附楼的空调机房。图 4 装配厂房空调送风形式示意图 图 5 装配厂房复合式空调系统三维效果示意图 洁净与空调技术CC&AC 程射流空调机组，无风管远程射流空调机组自带喷口送风，其送风最大射程区域为35m。该射流空调机组只采用回风型，主要用于厂房射流区域内的降温或加热，气流组织采用喷口侧送风、侧下回风方式，送风左右，夏季送冷风；冬季送风喷左右，冬季送热风；中间73m跨区采用全空气低速单风道定流量系统，总送风量1.5次/h，承担厂房所有新风跨区域显热处理，气流组织采用顶送风、侧下回风方式，新、回风过滤、混合后，经冷却（加热）处理后，通过管道输送至中间跨区，顶送风口，变旋流送风口安装高度与网口和回风口均设有温度传感器，顶送风风口控制器根据送风温度、送回风温差自动调节送风口的导流叶片，从而调整气流流态。夏季送冷风时，导流叶片角度加大，相当于旋流风口，控制气流射程，降低风口正下方的吹风感，促进气流分布均匀；冬季送热风时，导流叶片角度减小，气流流态相当于喷口送风，加大送风射程，从而保证将热风送至工作区域。顶送风空调设备采用组合式空调机组，放置于 .11.通过对空气处理过程计算，结合建筑中间图与工艺条件，南北两端共布置123台回风型无风管远程射流空调机组，每台射流空调机组的风量为8000m3/h，射流机组安装高度为9m，回风口下拉至距地面0.3m高度；一次回风全空气空调系统的总送风量为450000m3/h，新风比为30%，以保证全厂的新风量需求，送风口均匀布置于中间区域，且送风口安装高度与网架下弦齐平，各送风口风量为4200m3/h，回风口安装于南侧距地面0.3m高处，该复合式空调系统三维效果示意图如图5所示。为了验证以上复合式空调系统送风方案的合理性，特别对于该高大空间，冬季送热风是否能到达工作区域，室内环境是否可得到控制保证，设计阶段采用了 CFD 模拟技术对该空调系统方案进行优化模拟分析。3 CFD 模拟计算分析 3.1 CFD建模 利用Gambit软件对其进行几何建模与网格划分，采用非结构网格进行网格划分，各风口处进行局部加密，网格数量约750万。采用ANSYS FLUENT 软件进行计算分析，湍流模型采用常用的SST k-两方程模型，近壁面采用标准壁面函数，考虑浮力的影响开启重力选项。为简化计算，忽略对结果影响不大的因素，空气采用Bounessiq气体模型，仅考虑温度对密度的影响。夏季工况仿真采用DO辐射模型进行计算，同时为了达到快速收敛的目的，压力-速度耦合求解器 采 用 couple 算 法，压 力 差分 采用 Body Force Weighted，其余均采用二阶迎风差分格式。夏季工况各壁面采用热流密度边界条件；冬季工况不考虑太阳辐射的有益得热，壁面采用温度边界条件。空调夏季工况侧送风和顶送风的送风温度均为16.2；冬季工况，射流空调机组侧送风温度为30，组合式空调机组顶送风温度为22。3.2 CFD模拟结果分析 为了分析室内温度场的分布情况，选取几个典型断面进行展示分析，各断面位置分别为（Y=0 对应西向）Y=17m、Y=126m、Y=177m、Y=189m，X=-62m（南北向，+X 为南向，-X 为北向）、X=62m、X=-4.5m以及高度方向 Z=1.5 等。3.2.1 夏季工况室内温度场结果分析 从图6与图7和图8可以看出，各断面的温度场受气流速度分布影响较大，存在明显的垂直温度分层现象，分层的高度受侧送射流和顶送射流的影响。侧送风口安装位置以下区域温度分布较低，该区域受侧送风射流的影响为主，同时由于热辐射热浮力“托举”作用，造成两侧侧送射流向前，断面扩大气流形成了一段较明显的沿地面帖附；且侧送风口由于安装位置影响，侧送风口不能两端完全对称安装，整个气流也存在一定差异。侧送风口安装位置至顶送风口高度为温度分布第二层，顶送风以上为温度分布第三层，该垂直温度分层现象的主要原因是下方侧送风口射流影响区域有限，且热辐射作用吸热后的热气流上升形成自然温度分层。两侧的侧送射流和顶部射流在断面上相互交错碰撞，并形成了一些局部漩涡，涡的位置主要受南北两侧不对称射流机组布局的影响，但水平断面的整体温度场分布较为均匀。从夏季整个温度场分布来看，通过该复合式送风方式，整个顶送风口以下区域均能满足室内温度不高于28使用要求，温度场分布也较为均匀，工作区域内温差不高于2.5。（a）Y=17m 方向温度场分布云图 （b）Y=126m 方向温度场分布云图 （c）Y=177m 方向温度场分布云图 图 6 Y 轴方向截面室内温度场分布云图 .12.洁净与空调技术CC&AC 第 3 期 （a）X=-62m 方向温度场分布云图 （b）X=62m 方向温度场分布云图 （c）X=-4.5m 方向温度场分布云图 图 7 X 轴方向截面室内温度场分布云图 图 8 Z=1.5m 方向截面室内温度场分布云图 3.4.2 冬季室内温度场结果分析 从图9、图10和图11可以看出，侧送口角度向下，侧送风射流很快能到达地面，并形成较好地沿地面帖附射流，侧送风射流可较好地控制下部区域的温度场；加之顶送风气流进一步深入影响下部分区域，抑制了下部热气流向上漂移，使得室内整体温度场分布较为均匀，高度方向温度分层不明显，只在靠近外门和外墙处有较小的温度梯度。从冬季整个温度场分布来看，通过该复合式送风方式，整个高大空间工作区内各点温度均能达到20以上，各点温度偏差不超过2，温度分布较均匀，室内舒适性较高。（a）Y=17m 方向温度场分布云图 （b）Y=126m 方向温度场分布云图 （c）Y=177m 方向温度场分布云图 图 9 Y 轴方向截面室内温度场分布云图 （a）X=-62m 方向温度场分布云图 （b）X=62m 方向温度场分布云图 （c）X=-4.5m 方向温度场分布云图 图 10 X 轴方向截面室内温度场分布云图 图 11 Z=1.5m 方向截面室内温度场分布云图 第 3 期 洁净与空调技术CC&AC .13.4 现场实际效果测试 本厂房复合式空调系统最大的难点则是冬季工况室内温度环境的保证，为了验证该系统的可靠性。我们于2022年2月21至22日对厂房大厅进行了测试，该天室外较寒冷，与室外计算温度相同，因此，当天测试效果更加具有可靠意义。现场测试时，空调系统送风量和新风量均调试至设计工况，由于白天厂房需要工作不可进行测试，只能在21:00至凌晨该段时间进行测试。室内温度场测试结果如图12所示。测试结果表明，室内各测点的温度基本均能满足不低于18，白天工作时人员散热和设备散热更有利于室内温度分布，可以形成较好的舒适场所。由于厂房后期已交付，夏季工况使用单位已明确空调效果满足工艺使用要求。因此，采用该复合式空调系统，可以很好地解决超高大跨度厂房的空调系统设计难点，形成较理想室内环境，满足工艺生产制造。5 结语 5.1 该工程结合超高大跨度厂房特点，提出了射流机组侧送风、侧下回风+全空气空调系统顶送风、侧下回风的复合式空调系统方式，该复合式空调系统方式不仅初投资低，还可很好满足厂房使用环境要求，为后期类似高大场所提供相应参考。5.2 在建筑条件允许情况下，两侧的射流空调机组尽量对称布置，否则两侧侧送射流与顶部射流在断面上相互交错碰撞，容易形成局部漩涡，处理不好容易造成室内速度场与温度场分布不均匀。5.3 对于超高大厂房，需注意顶部送风口风口类型选择，冬季工况需注意控制其送风与室内温度的温差，保证其送风射程可达到工作区域。5.4 复合式空调系统的气流组织受多因素影响，主要侧送风口的射程、安装位置、高度、射流角度、射流送风温度和顶送风口的位置和送风温度等，同时需注意内热源以及夏季太阳辐射产生的热浮力均会影响室内的气流分布，因此，复合式空调系统设计时，最好需借助 CFD 模拟技术进行系统方案优化。参考文献 1 马小丽.飞机装配生产线优化设计研究D.浙江大学，2017 2 高学松.基于某型飞机机身装配的技术研究D.沈阳航空 航天大学，2017 3 贾昭凯，韩佳宝，刘建华，等.国家会展中心（上海）超 高大展厅空调通风设计J.暖通空调，2017，47(3)4 邹月琴，王师白，彭荣，等.分层空调热转移负荷计算方 法的研究J.暖通空调，1983,13(3)5 中国建筑科学研究院GB50189-2015公共建筑节能设计 标准S.北京：中国建筑工业出版社，2015 18.60 18.80 19.00 19.20 19.40 19.60 19.80 20.00 室室内内温温度度分分布布（）时间时间/分分图12 现场实测室内平均温度随时间变化图 .14.洁净与空调技术CC&AC 第 3 期