可调旋流送风口在高架库空调系统的应用分析

易学庆孙浩苑玲玲甘承军张艳法

1安徽中烟工业有限责任公司2中国五洲工程设计集团有限公司

3北京克兰茨技术有限公司

可调旋流送风口在高架库空调系统的应用分析

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1安徽中烟工业有限责任公司2中国五洲工程设计集团有限公司

3北京克兰茨技术有限公司

高架库逐渐成为现代物流业的重要设施。针对卷烟厂具有温湿度精度要求的高架库，由于库内空间较高，存在温度梯度等特点，本文以芜湖卷烟厂辅料高架库为例，采用一种可调旋流送风口从高架库顶部送风、四周墙体底部回风的气流组织方案，从设计方案、计算模拟和实际运行效果进行了说明、论述和分析。

卷烟厂 立体高架仓库 旋流风口 温湿度控制

0 引言

随着现代物流技术的发展，立体高架仓库的使用已成为货物储存、物流中转的趋势。高架库一般利用专用的物料搬运机械进行搬运、堆垛和存取等作业，自动控制仓库货物的入库、存取、出库等整个过程，大大地提高了效率。高架库在卷烟行业应用也较广泛，如：卷烟辅材、成品烟丝、片烟原料等。由于卷烟行业的特殊性，对仓库环境的温湿度控制有一定要求，需要配置空气调节系统。由于高架库层高较高，易产生热力分层，温湿度控制的均匀性成了空调的难点[1～2]。

目前，国内烟草行业高架库集中式空气调节系统，为达到气流组织均匀，库内常用的气流组织方式有两种：1）沿库房内柱子在高度方向均匀布置多点多层侧送风口，沿库房四壁墙布置多层回风口。2）在库顶部均匀布置多个下送喷射式风口，沿库四壁墙布置双层百叶回风口。由于高架库高度一般高于20m，内布多条货架，货架一般有十数层，货架与货架之间的距离仅为1.4m左右的机器人通道，这两种气流组织方式均存在缺陷。对于第一种气流组织方式，当货架上装满货物时，货物阻挡水平送风气流的扩散，导致内部空间气流组织不均匀。对于第二种气流组织方式，在货架之间的顶部喷射式送风口，夏季送风气流与库内空气温差为6～8℃，由于冷风自身有一定的沉降作用，叠加喷射风口的向下高速射流，使得冷空气迅速达到地面聚集，库内高度方向上存在很大的温度梯度。

1 设计方案说明

为克服上述两种高架库通风空调系统的不足，笔者在芜湖卷烟厂技改成品烟丝高架库空调系统项目中，成功地采用了一种集中式室内环控系统。成品烟丝高架库高21m，长79m，宽18m，由于烟丝仓库储存烟丝工艺要求，其室内设计参数为：温度指标24～26℃（允差±5℃）湿度指标60%（允差±6%），空调区域各点温度偏差≤2℃；湿度差距≤4%。

空调系统由两台组合式空气处理机组（70000m3/h风量，1500Pa全压；供冷量310kW；供热量120kW；加湿量160kg/h）为核心，通过送风管道和回风管道与末端风口相连。气流组织依靠顶部末端42套特殊的可调旋流送风口和四周墙壁地面处的百叶回风口完成。换气次数4.7次/h。

这种特殊的可调旋流风口有两大功能特点，第一，在夏季送冷风的状态，可以实现高诱导比的水平送风，单个风口的水平覆盖范围如空调平面图中的大圆圈，设计时风口的排布使单个风口的水平覆盖范围搭接。由于冷空气的自然沉降作用和底部回风口的吸引作用，使得库房内的空气形成从上至下的均匀气流，从而保证库房内的气流组织均匀。第二，在冬季送热风状态，可以实现超过20m的向下射流送风，同时诱导内部空气形成上下的强烈扰动，使得热风不会集聚在库房上部，不会形成热力垂直分层，再叠加底部回风口的吸引作用，从而保证库内气流的均匀性。

旋流风口在高架库的部的布置平面图，如图1所示。

图1 旋流风口在高架库顶部的平面布置图

2 气流组织模拟分析

由于夏季送风近似于传统的上送下回混合送风模式，在许多工程有应用实例，并且效果得到证实。而高大空间冬季热力分层现象是一个普遍存在不易解决的问题，所以这里主要针对冬季送风工况进行模拟计算，利用Gambit软件建立的物理模型[3～4]。

2.1 气流组织模型详细参数

取对称库房一半长度空间：长36.6m，宽18m，高21m。内部六个货架，3m一层共6层，每层存放2m高的烟丝，货架总高18m。

送风口型号为DD-VG-DN400-R-E，有效面积系数0.5，回风口尺寸为3m×3.2m，在仓库南北方向墙上分别布置。

1）划分网格。根据模型的几何尺寸，本次模拟选用的网格划分方案为计算区域采用边长为50cm的四面体体网格，送风口网格加密，尺寸取10cm。网格总数约为60万。

2）边界条件。送风口：送风速度12.72m/s，送风温度28.94℃，送风温差3.94℃；回风口：设定为压力出口；外墙：西侧外墙，传热系数1.5W/(m·K)，室内外温差30℃，热流密度-45W/m2；内墙：设定为绝热边界；屋顶：传热系数1.5W/(m·K)，室内外温差30℃，热流密度-45W/m2；地面：热流密度为-15W/m2。

图2 温度场模拟

3）数学模型：在气流组织的工程计算中，一般采用标准k-ε两方程模型，本次计算亦采用k-ε两方程湍流模型进行模拟。流动和传热过程都受最基本的3个物理规律的支配，即质量守恒、动量守恒和能量守恒，本次采用稳态计算方法。对于固体壁面附近的流动，采用标准壁面函数来处理。采用SIMPLEC压力和速度耦合的算法进行计算。

2.2 温度场模拟结果

图2为温度场模拟结果。从图中可以看出，X= 26.32m截面的平均温度为24.2℃，Y=9m截面的平均温度为24.5℃，Z=4m截面的平均温度为24.7℃。

2.3 速度场模拟结果

图3为速度场模拟结果。从图中可以看出，在该气流组织下，送风口射流距离可达到20.5m，距地0.5m，回风口风速1.24m/s。

图3 速度场模拟

2.4 模拟结果分析

房间温度和速度分布相关的气流组织评价指标目前很多，它们分别从房间的热舒适、空气品质、通风效果和能量利用等方面对气流组织进行评价。本次采用温度不平均系数、速度不平均系数以及能量利用系数三个指标对冬季稳态工况下气流组织的分布进行分析评价。

为计算温度不平均系数和速度不平均系数，选择高度为2.1m，6.2m，10.6m和14.8m的四个平面，在四个平面上分别再利用两对角线上梅花设点的方法选取17个测点，由于有些测点位于烟丝储存位置，所以最后共得到63个测点的温度值和速度值。从而计算温度不平均系数、速度不平均系数以及能量利用系数三个评价指标。计算结果如表1所示。

表1 气流组织评价指标

温度不均匀系数是表征空间温度场的均匀性的指标，不均匀系数越小，温度场越均匀，此次模拟结果显示温度不均匀系数为0.03，表明烟丝仓库的温度场分布均匀。

速度不均匀系数是表征空间速度场的均匀性的指标，1.14的速度不均匀系数值稍偏大，可能是由于少数测点处于距离风口较近位置，其风速与平均风速值相差较大的原因。但是结合上面得到的模拟结果分析速度场还是较为均匀的。

能量利用系数是评价气流组织经济型的指标，越接近于1，其经济性越好。该气流组织的能量利用系数值1.09较为接近1，表明其经济型较好。

通过模拟结果分析，证明该风口布置方案可以满足高架库对室内环境的设计要求。

3 实际运行效果分析

为实地验证上述环控系统应用效果，在高架库中，水平和高低位置均匀设置十几个温湿度监控点，通过自控系统实时监控库内温湿度的变化。夏季的运行效果很好，由于篇幅限制，这里不做过多的分析。仅摘取均匀布置的六个点数据，以冬季某一典型天气下的实际监控结果，绘制成曲线图如下图4、图5所示。

图4 高架库冬季六点监控温度数据图

图5 高架库冬季六点监控相对湿度数据图

根据监控结果，可以看出空间的温湿度是很均匀的，温度在24～26℃之间，湿度在55%～62%之间，完全满足设计的最初要求。系统于2013年6月份投入运行至今，运行效果良好。

4 结论

对于有温湿度要求的高架库，需要在大空间内维持均匀的气流分布。采用上供下回式系统设计，利用特殊的高空可变旋流风口，夏季送冷风时水平高诱导送风，冬季送热风时变成向下的深度射流，合理地布局风口位置，做好风量匹配和平衡，是可以达到气流均匀的要求的。同时减少空气循环量，达到节能运行目的。

[1]汪炎平,郑向荣.烟草行业立体高架库恒温恒湿空调系统气流组织初探[J].建筑技术,2010,(4):83-85

[2]吴锐,孙炜,季杰.空调气流组织对卷烟高大厂房内温度场的影响[J].建筑热能通风空调,2006,(6):45-49

[3]赵琴.Fluent软件的技术特点及其在暖通空调领域的应用[J].计算机应用,2003,(12):424-425

[4]许登科.高大空间分层空调气流组织的数值模拟研究[D].淮南:安徽理工大学,2006

Ana lys is of Adjus ta ble Sw irl Diffus e r Us e d in Air Conditioning Sys te m of High-Ba y Wa re hous e

YI Xue-qing1,SUN Hao2,YUAN Ling-ling2,GAN Chen-jun3,ZHANG Yan-fa3
1 China Tobacco Anhui Industrial Co.,Ltd.
2 China Wuzhou Engineering Design Group Co.,Ltd.
3 Beijing Kelanci Technologies Co.,Ltd.

High-bay warehouse has become an important facility in modern logistics system.Aiming at cigarette factory high-bay warehouse with precise temperature and humidity requirement,with some characteristics of higher warehouse space and temperature gradient,this article takes the accessory high-bay warehouse of Wuhu cigarette factory as an example,introduces an air distribution program by using an adjustable swirl diffuser to supply air from the top of high-bay warehouse and return air around the bottom of the walls.The scheme design,computational simulation and actual operating results are described,discussed and analyzed here.

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1003-0344（2015）02-100-4

2014-3-2

易学庆（1977～），男，工程师；安徽省芜湖卷烟厂技改办（241002）；E-mail:yixueqing@sohu.com