冰箱能效恒温恒湿实验室送风系统

孔繁海 杜启行 杨雷 刘汉阳 邓林涓 刘媛/.山东省计量检测中心；.山东省计量科学研究院

0 引言

冰箱能效恒温恒湿实验室送风系统多采用不等开孔率孔板、等截面风道送风，这种方式施工简单，不同位置单位面积出风量相同、风速不同，可以满足面积不大、环境温湿度要求不高的实验室要求。本文着重介绍了等开孔率孔板、非等截面风道的送风原理，并通过数学公式推导，给出实例数据，为面积较大或环境温湿度控制准确度要求较高的实验室建设提供了更为理想的解决方案。

1 实验室对均匀送风的技术要求

为实现对环境温湿度的控制，冰箱能效恒温恒湿实验室会在几何中心位置放置一组干湿球式温控器，根据几何中心点的干湿球温度反馈运行相应的制冷、制热和加湿程序，通过预先设计建造好的送风系统实现实验室内空气冷热交换，达到恒温恒湿的目的。

参考GB/T 8059-2016《家用和类似用途制冷器具》和GB/T 21001.2-2015《制冷陈列柜 第2部分：分类、要求和试验条件》的要求，针对不同类型产品的耗电量进行试验，归纳出实验室对环境温湿度和环境风速技术要求，见表1。

冰箱能效恒温恒湿实验室面积小的为20 m2，大的为60 m2，使环境温湿度和环境风速稳定、均匀绝非易事，从表1可以看出，商用冷柜产品在环境相对湿度方面的要求很高。通过与企业接触了解到，在家用电冰箱凝露试验中，很多家电企业的企业标准对环境相对湿度的要求甚至提升到MPE：±2.5%RH，这就对实验室送风系统设计提出了更高的要求。

表1 各项目技术要求

2 均匀送风的原理

想要实现均匀送风，需要实现实验室送风孔板等开孔率及侧孔各处静压相等，这是最为理想的状态。

以等开孔率孔板、等截面风道送风为例，根据流体力学原理分析可得，随着空气从侧孔不断送出，沿水平气流方向，风道内风量不断减少，水平方向的风速和动压不断降低，相应的复得静压也随之增大。水平方向上，处于风道首端侧孔的气流方向几乎平行于风道水平轴线，随着气流向末端移动而逐渐改变方向，接近风道末端侧孔时，气流方向与风道水平轴线接近垂直（见图1），即沿送风方向，侧孔气流的出流角α会不断增大，送风量也会逐渐增大。

图1 等开孔率、等截面风道侧视图

由此可见侧孔各处静压不相等，要解决这一问题，可以考虑用以下方法实现：

1）使用非等截面风道

对于内表面较光滑的风道而言，因流速下降而产生的复得静压往往大于风道内的压力损失。这就需要沿送风方向逐渐减小风道高度，使多余的静压转化为动压，以实现风道所有位置静压保持一致。

2）每个侧孔的流量系数μ（或局部阻力系数ξo）相等

侧孔的流量系数取决于孔口形状、出流角α，以及孔口送风量与孔口前风管内风量之比。在一定范围内，为了简化计算，工程上可以认为侧孔的流量系数μ不变。

3）增大气流出流角α

通常要求侧孔出风时的流速大于首端风道内的流速，保证第一个侧孔的出流角α≥60°，即

式中：vj——静压速度，m/s；

vd——动压速度，m/s；

pj——静压，Pa；

pd——动压，Pa

为使气流方向尽可能垂直于风道水平轴线，也可在孔口处设置导向叶片、送风格栅，或把侧孔改为短管。

要实现均匀送风，可将风道首端水平方向的风速尽可能减少，使第一个侧孔垂直方向的风速尽可能增大，风速大对应着阻力大，对应的静压也就大，风道内静压与动压的比值变大，说明出流角变大，有利于均匀送风。风道内水平方向风速越小，沿程摩擦压力损失和通路局部压力损失越小，侧孔间的静压差值也就越小，有利于均匀送风。

3 实际应用中的问题

考虑到建设成本，目前实验室多使用等截面风道，即出风孔板与外围保温板之间形成了一个内表面光滑的长方体静压箱，这个静压箱各处高度相同。通过前面介绍的原理可知，这种静压箱沿送风方向动压会逐渐减小，相应的静压会逐渐增大（全压=动压+静压+沿程压力损失+局部压力损失）。出风孔板开孔率相同的情况下，静压大的位置出风量就更大，这将不利于实验室温湿度场的稳定。为减小这一影响，可以通过沿送风方向逐渐减小孔板开孔率来实现不同位置的出风量相同。这是一种沿出风方向等风量、不等风速的送风方式，不是均匀送风。

实验室建设中，由于结构和面积存在差异，不同实验室在计算所需孔板开孔率时，结果不完全相同，这就使得定制孔板的成本大大提高。因此，为了降低成本，建设公司会批量定制开孔率相同的通用孔板，通过各种方式（比如用胶带）堵住孔洞来改变某块孔板的开孔率，这样孔板上的孔洞很难做到均匀分布，无形中又为均匀送风引入新的不稳定因素。对于面积较小和环境温湿度控制准确度要求不高的实验室，这种送风系统可以满足要求，但是对于有高准确度控制需求的实验室需使用等开孔率、非等截面风道送风方式。

4 等开孔率、非等截面风道数学模型推导

图2 矩形等开孔率孔板、非等截面风道侧视图

设通过孔口目标速度v0=0.25 m/s，锐边孔口的流量系数近似取μ=0.6，用式（1）求得静压速度。

用式（2）求得孔口处应具有的静压。

1）截面0处

风道出风口处（即截面0）尺寸已知，经实际测量得出宽W：6 m；高H0：0.5 m。

用式（3）求得截面0处水平方向风量

用式（4）求得截面0处应具有的动压

2）0～1段的总压力损失计算

用式（5）求得截面0处单位长度沿程压力损失

用式（6）求得0～1段通路局部压力损失

用式（7）求得0～1段的总压力损失

3）截面1处

用式（8）求得截面1处应具有的动压

用式（9）求得截面1处应具有的动压速度

用式（10）求得截面1处水平方向风量

用式（11）求得截面1的面积：

用式（12）求得截面1的高H1：

4）1～2段的总压力损失计算

用式（13）求得单位长度沿程压力损失

用式（14）求得通路局部压力损失

用式（15）求得1～2段的总压力损失

5）按上述步骤循环计算，可得到各截面高度，所得结果见表2。

由表2数据可以直观地看出，各项参数的变化趋势，实现了等开孔率、等静压送风，符合等开孔率、非等截面风道均匀送风原理。

表2 实例结果汇总

5 结语

想要实现较好的送风效果，最基本的实现条件为等风速、等静压。如果使用等截面风道送风，也可以通过其他手段实现相同效果，例如：通过复杂的数学计算设计复杂的送风支管，分别控制每个支管的送风量，实现各部位风速和静压的一致。但是相较于等开孔率、非等截面风道方案，无论设计还是施工方面，都明显复杂得多，不利于实验室建设的成本控制。因此，建议在实验室面积较小或技术指标要求不高时可以考虑使用变开孔率、等截面风道送风方案，施工简单，成本较低；而在实验室面积较大或技术指标要求较高时，建议使用等开孔率、非等截面风道送风方案，在有限提升成本的前提下，可满足高准确度控制环境温湿度的要求。