空气幕对厂房低湿环境控制效果的影响

汤羽斌，陶求华，郑健雯

(1．集美大学海洋装备与机械工程学院，福建 厦门 361021；2．福建省能源清洁利用与开发重点实验室，福建 厦门 361021)

0 引言

空气幕可以改变建筑开口附近的空气流速和流向，达到空气隔离效果。在工厂的生产过程中，为了保证成品质量，有时需要单独控制不同工序间的温湿度，通过使用空气幕可以在一定程度上有效隔绝工序间的热湿交换,以达到温湿控制效果。庞乐等[1]提出采用低速厚流空气幕对各工序进行分割，解决了半成品的运输问题，实现车间不同区域的温湿度调节；吕卫东[2]分析影响冷藏库负荷的主要因素，研究在冷藏库大门设置空气幕和PVC门帘的节能效果，实验得出，使用空气幕可以减少大门处热湿交换，达到节约能源的目的；韩志[3]研究空气幕在陈列柜的使用效果，得出，使用空气幕可使卷入陈列柜的热湿空气量以及陈列柜外溢的冷空气量减小；Tomas等[4]研究空气幕在冷藏室中的应用，得出，对于货物量较多的储存情况，使用高效空气幕隔离空气比其他常用方法更清洁、更便宜。

空气幕在温度控制方面的应用也较为广泛，最常见的就是利用空气幕进行隔热，以达到较好的保温效果。苗德俊等[5]通过分析采矿工作面降温时采空区的热交换问题，提出利用空气幕阻隔风流进入采空区的技术，得出，利用空气幕可以对漏风区域起到一定的降温作用；黎文峰等[6]研究在寒冷地区高铁站使用热风幕的保温效果，得出，在高铁站台处增加热风幕帘，可以减少站台内冷量损失；陈芳[7]研究装配厂内冷负荷占比增加问题，得出，在厂房大门上方设置热空气幕可以减少冷风入侵，达到节能降耗的目的。在严寒地区进行作业时，由于环境恶劣，工程开发难度较大，因此如何合理地使用空气幕以提高作业安全和作业效率是极端条件作业的研究重点，高焱等[8]研究寒区隧道的冻害问题，提出一种新型寒区隧道空气幕保温系统，可以满足极端情况下寒区隧道的保温需求。

有学者对空气幕安装方式及位置进行了研究。尹帅等[9]研究在隧道挖掘工作时没有空气幕和在不同位置安装空气幕的情况下粉尘扩散特性，得出，空气幕发生器到切割面距离20 m时，空气净化效果最佳，对粉尘有明显的控制效果；冯武强[10]利用空气幕阻隔纺丝机内外空气交换，分析不同射流角度和射流速度的空气幕对纺丝机内空气的包裹效果，得出，空气幕既可以保证纺丝机内温度在工艺范围之内，又可以阻断机内外空气对流。从这些研究可以看出，空气幕的安装方式及射流速度不同起到的控制效果也不相同。

本文主要分析空气幕在低湿厂房的应用，通过空气幕隔绝对流换热，进一步稳定控制室内温湿度。

1 研究方法

1.1 物理模型和计算域

某工厂厂房实际尺寸为长×宽×高=40.0 m×20.0 m×8.0 m；为保证货车日常进出货，在厂房两侧分别设有一长×宽=3.0 m×3.0 m的进、出料口；工厂顶部有36个均匀分布的送风口，简化为36个尺寸为长×宽=0.5 m×0.5 m的空气入口；同时在送风口两侧分布有6个等大的回风口，简化尺寸为长×宽=0.8 m×3.0 m的空气出口。由于进、出料口在进出料作业时为敞开状态，为避免对流换热导致温度和湿度上升，更好地维持工厂内部温湿平衡，现欲在进、出料口内外两侧加装空气幕，空气幕尺寸为长×宽×高=1.5 m×0.15 m×0.2 m，并排式加装两个，使得空气幕覆盖总长度与进、出料口宽度一致，模型如图1所示。

计算域的外流场部分参考自然对流模拟[11]，计算域大小如图2所示，其中H表示厂房高度。

1.2 网格划分

网格划分是数值模拟前处理的重要组成部分，划分的网格质量可以直接决定数值计算的精度、时间及收敛程度。由于工厂整体形状规则，本文采用质量生成较好的结构化网格对计算域进行划分。为确保数值模拟顺利进行，保证模拟结果的合理性及准确性，对划分网格的数量和质量作如下管控：1)工厂周围采用O-block网格划分；2)对送风口、回风口、两侧进、出料口和速度梯度较大的区域进行网格加密；3)工厂近壁面及地面区域进行网格加密。最终确定网格数量为1 708 008的计算模型，网格划分的情况如图3所示。

1.3 控制方程

在数值模拟中需要同时求解连续性方程、动量方程、能量守恒方程、组分输运方程、k方程和ε方程。

连续性方程:Dρ/dt+·(ρu)=0。式中：ρ为空气密度，kg/m3；t为时间，s;u为速度矢量在不同方向的速度分量，m/s；

动量方程：∂(ρu)/∂t+·(ρuu)=-p+·(τ)+ρg+F。式中：p为流体微元体的压强，Pa;T为流体温度，K；τ为作用在微元体表面上的粘性应力在不同方向的矢量，Pa；g为重力加速度，m/s2;F为其他力，N。

能量守恒方程：∂(ρT)/∂t+·(ρTu)=·[(λ+λt)T]+Sh。式中:λ是流体导热系数；λt=(Cp×μt)/Pr,Cp是比热容,J/(kg·K)，μt是湍流粘度；Pr为普朗特数；Sh是流体的内热源;T为流体温度,K。

组分质量守恒方程：∂(ρcs)/∂t+div(ρucs)=div(Dsgrad(ρcs))+Ss。式中:cs为组分S的质量分数；Ds为扩散系数；Ss为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的质量,kg。

求解模型选择三维基于压力的隐式稳态求解器，湍流模型选用具有广泛适用性的Standardk-ε模型[12]。

1.4 边界条件与热湿源项

选取宁德市房屋比较稀疏的城市郊区的新能源锂电池加工工厂，根据我国《建筑结构载荷规范》(GB 50009—2012)[13]，该地区属B类风场，其地面粗糙度指数α=0.16，梯度风高度ZG=350 m。计算域的入口来流风的湍流特性通过湍流动能k和湍流耗散率ε值给定[14]：

k=1.5(U·IrZ)2；ε=0.093/4k3/2/Lz;U=v(z/z0)α。

式中：Z0为标准参考高度,m；v是标准参考高度处的平均风速，选择宁德市11月正常天气的平均风速v=3.7 m/s；U为Z高度处平均风速，m/s。IrZ为湍流强度，Lz为湍流积分尺度。

式中:α为地面粗糙度指数；Z为地面高度；ZG为梯度风高度。因为工厂为B类风场，所以Zb=5 m，ZG=350 m。

室内送风采用低露点空气处理，其机理如图4所示，其中RH表示相对湿度。

其中：A点为室外空气入口，其温度和湿度与外流场相同；K点为室内送风口；D点为室内回风点，其温度和湿度与室内相同。其余各点参数设置如表1所示，各点对应的焓湿图如图5所示。

表1 各个空气状态点的参数

室内送风口流速Vin=3.067m/s，其湍流采用规范的湍流度和水力直径给出，湍流度设置为10%，水力直径按照回风口尺寸计算为0.5 m，其余参数按K点设置。

工厂内部人员流动会产生热量和湿度，利用D、K点计算工厂内部的散热量与散湿量，参考文献[15]的计算方法可得:散热量Qin= 43.467 W/m3，散湿量Win= 1.5×10-6kg·s/m3。

室内采用压力回风，其表压设置为P=-1.085 Pa，其湍流采用规范的湍流度和水力直径给出，湍流度设置为10%，水力直径按照回风口尺寸计算为1.263 m，其余参数按照D点设置。室外出、入口湍流选择UDF导入的k-ε公式，其余参数均按照A点进行设置。厂房内、外部其余墙面均设置为Wall，其温度按照厂房内部295 K、外部308 K进行设置。外流场的出入口边界如图2所示，外流场底部设置为Wall，外流场两侧与顶部均设置为对称边界Symmetry。

1.5 设置工况及其参数

按照工厂规划，预计在进、出料口的内外两侧装空气幕，因此设置5种工况，分析不同空气幕出流速度对温、湿度控制效果的影响。其中：工况1为无空气幕的对照组；工况2、工况3为窗口内外两侧均装空气幕的情况，工况2空气幕出流速度为6 m/s，工况3空气幕出流速度为10 m/s；为对比料口单侧设置空气幕与两侧同时设置空气幕的不同控制效果，将工况4设为工厂料口内部装空气幕；工况5为工厂料口外部装空气幕，且空气幕的出流速度均为10 m/s。本文空气幕采用上送式，不考虑空气幕对人员舒适度的影响，从节能角度出发[16]，选用贯流模式空气幕，根据空气幕国家标准[17]设置5种工况下的空气幕技术参数，其湍流采用规范的湍流度和水力直径给出，湍流度设置为10%，由空气幕尺寸得出工况2至工况5空气幕的水力直径为0.286 m，其他参数设置如表2所示。

表2 不同工况的空气幕技术参数

1.6 室内湿度与能耗分析方法

采用相对湿度评估空气幕对湿度场的影响[15]，计算公式为

RH=(d/db)×100%。

(1)

式中:d表示水蒸气的含湿量；db表示饱和含湿量。其中饱和含湿量可根据温度分布，采用经验公式[18]得出，即

db=MH2O×1000/[(A1+A2×t+A3×t2+A4×t3+A5×t4+A6×t5)×100]。

(2)

式中:温度t=T-273.15，T为绝对温度；MH2O表示水的质量；A1=3.703；A2=0.268；A3=9.164×10-3；A4=1.446×10-4；A5=1.741×10-6；A6=5.195×10-8。

制冷能耗和再生蒸汽耗量的计算方程如下所示。

焓值计算公式：

h=cp·g·t+(2500+cp·q·t)d。

(3)

制冷能耗方程：

Qc=qv·ρ·Δh。

(4)

蒸汽加热量方程：

Qh=cp·g·M·Δt。

(5)

式中:cp·g表示流体的定压比热，kJ/(kg·K);qv表示送风量，m3/s；ρ表示空气密度;Δh表示焓差;Δt表示温差;M为质量流量，kg/s。

根据锂电池实际应用经验[19]，利用表1所示的机理进行计算可以得出，每处理27.54 kg/h的水分需要制冷量为1619.4 kW，再生蒸汽耗量787.39 kg/h(锅炉单位换算[20]每消耗功率0.7 kW产生蒸汽1 kg/h)

1.7 建模与分析流程图

根据本文建模及计算过程绘制流程图如图6所示。

2 计算结果与分析

2.1 空气幕出流速度对温湿度的影响

图7是Z=10 m处温度分布云图。从图7可以看出，在工况2、工况3下，空气幕的存在明显削弱了室内外的热量交换，工况1时厂房中温度最大的区域在迎风面的进料口靠近天花板处，工况2时厂房中温度最高在迎风面和地面的夹角处，工况3时厂房中温度比工况2更加均匀，说明当空气幕的出流速度为10 m/s时，室内外气流交换造成的进、出料口附近温度波动非常小，空气幕对厂房的包裹效果最佳。

图8是Z=10 m处相对湿度的分布云图。从图8可以看出，在工况2、工况3下，空气幕的存在明显削弱了室内外的湿量交换，当空气幕的流速为10 m/s时，室内的相对湿度与其不均匀度都最小，与图7的温度分布类似，工况1下厂房中相对湿度最大的区域在迎风面的进料口靠近天花板处，工况2、工况3下，厂房中相对湿度最高在迎风面和地面的夹角处。

图9为Z=10 m处空气流速分布云图。从图9可以看出，当空气幕出流速度为6 m/s时，由于室外自然对流的存在，外流场对进、出料口附近的流速依然有明显干扰。当空气幕出流速度为10 m/s时，室内流速受外流场干扰较小。在迎风面处空气幕有效地阻挡了室内外的气流交换，而在背风面处由于气流方向是从室内流向室外，所以空气幕出流后方向的偏转对工厂内出料口附近的温度场与湿度场影响很小。

计算整个厂房内部的平均温度和平均湿度，结果如表3所示。由表3可以看出，和无空气幕的工况相比，空气幕出流速度分别为6 m/s与10 m/s时，厂房内平均温度分别降低了1.5 ℃与2.9 ℃，而平均含湿量分别减少了26.7%和51.4%。工况3的温湿度控制效果最佳，在温湿度要求严格的生产线中可以选择工况3来进行温湿度控制。

表3 不同出流速度下厂房内部平均温度和含湿量

2.2 空气幕安装位置对温湿度的影响

图10为Z=10 m处的温度分布云图。从图10可以看出，在工况4、工况5下，空气幕的存在有效削弱了室内外的热量交换，其中工况4的削弱效果较强，厂房温度比工况5更加均匀，工况4的厂房中温度最高在迎风面和地面的夹角处，说明仅在内侧装出流速度为10 m/s的空气幕时，室内外气流交换造成进、出料口附近的温度波动较小。

图11为Z=10 m处相对湿度分布云图。从图11可以看出，工况4、工况5下，空气幕的存在有效削弱了室内外的湿量交换，当仅在内侧加装出流速度为10 m/s的空气幕时，其相对湿度与不均匀度都最小，与图8的分布情况类似，工况4、工况5时厂房中相对湿度最高在迎风面和地面的夹角处。

图12表示Z=10 m处空气流速分布图。从图12可以看出，当仅装外侧空气幕时，由于室外对流的存在，外流场对进料口附近的流速依然有明显的干扰，当仅装内侧空气幕时，室内流速受流场干扰较小，有效地阻挡了室内外的气流交换，使得外部流场对工厂内部的温度场和湿度场影响很小。

计算整个厂房的平均温度和平均湿度，其结果如表4所示。由表4可知：和无空气幕的工况相比，分别仅在内或外侧的加装空气幕时，厂房内平均温度分别降低了2.4℃和1.4℃，而平均含湿量分别降低了49.5%和19.0%；工况4的控制效果最佳，如果需要考虑经济因素的影响，同时对温度和湿度控制效果不过度追求时，可以选择仅在内侧加装空气幕，可以在一定程度达到控制温、湿度的效果。

表4 空气幕安装位置不同时厂房内部平均温度和含湿量

2.3 基于热湿传递的能耗分析

在建筑能耗的计算中，外窗的热湿传递是室内热湿负荷计算的重要依据，其变化可对室内空调系统的运行与调控带来影响。为了研究加装空气幕对室内外气流交换带来的热湿传递对能耗的影响，分别计算5种工况下进、出料口处的室内外的热传递和湿传递的量，以及制冷能耗和再生蒸汽耗量。

根据式(3)～式(5)分别计算5种工况所需的制冷能耗及再生蒸汽耗量，其具体结果如表5所示。

表5 不同工况室内外热湿传递及耗能

由表5可以看出工况3和工况4对厂房热传递的控制效果较好，其热传递量相较于工况1分别减少了73.2%和62.7%；工况2和工况5对厂房热传递的控制效果较弱，其热传递量相较于工况1分别较少了31.6%和14%。说明在内外两侧加装射流速度为10 m/s的空气幕时，厂房内部温度控制较好。若仅考虑在单侧加装空气幕，可选择在厂房内侧加装射流速度较大的空气幕。

通过模拟可以看出，工况3和4对厂房的包裹效果较好，在控制湿传递上效果显著，其湿传递量相较于工况1分别减少了66%和52.1%。在5个工况模拟中，工况3的能耗相对较低，其能耗比工况1减少了66.1%，再生蒸汽耗量减少约4 237.44 kg/h。若生产非动力电池等湿度环境要求较低的产品，可选择工况4，其能耗相较于工况1减少了52.1%，再生蒸汽耗量减少约3 336.51 kg/h。

2.4 温湿度分布的不均匀度分析

选择温湿度和节能效果控制较好的工况3和工况4进行不均匀度分析，与未装空气幕的工况1进行比较。图13表示3组工况温度不均匀度小于3%的区域，可以看出工况3中温度不均匀大于0的区域主要集中在迎风面和进料口夹角下侧，其余分布较为均匀。由此可得工况3控制工厂温度较为稳定，且平均温度为296.6 K，满足实际生产要求。

图14、图15分别表示3组工况相对湿度不均匀度小于5%和10%的区域，由图14、图15可以看出，在未装空气幕的情况下，湿度分布较为均匀，但由于此时湿传递量为0.25 kg/s，其较低的湿度不均匀度是基于室内较大的含湿量，因此该工况不利于产品生产和节能控制，在工况3和工况4下相对湿度较大的区域为迎风面和背风面的料口附近，厂房中心区域相对湿度分布较为平衡，因此可以将相对湿度要求较低的工艺安排在此区域加工。

分别计算工况1，工况3，工况4的温度不均匀度小于3%、相对湿度不均匀度小于5%和小于10%的体积，其结果如表6所示。由表6可知：工况3和工况4与工况1比较，相对湿度均匀度分别提高了5.3%和7.4%；两侧装空气幕的温度均匀度比仅在内侧装空气幕提高了7.9%，可以得出工况3的温度、相对湿度不均匀度的控制效果比工况4更好。综合温湿度分布、热湿传递与不均匀度分析可知，选择工况3进行厂房温湿控制效果最佳。

表6 不同工况下室内温度和相对湿度的不均匀度体积

3 结论

本文利用空气幕提升工厂内部的温度和湿度控制效果，并对其进行评估。通过数值模拟得出厂房内外耦合的温度场、速度场和湿度场，研究了空气幕的安装位置、尺寸与出流速度对厂房内空气流场以及温湿环境的影响，分析得出以下结论与设计建议。

1)通过对空气幕的送风速度分析可知，空气幕送风速度越大，对厂房的温湿包裹效果越好，双侧安装送风速度为10 m/s的空气幕时，厂房内平均温度比未用空气幕时降低了2.9 ℃，平均含湿量降低了51.4%，同时，其湿传递量降低了66%，处理水分的能耗降低了66.1%。

2)通过对空气幕的安装位置分析可知，如果仅在单侧安装空气幕，可以选择仅在厂房内部装流速较大的空气幕，也可以起到较好的控制效果，仅给内侧装空气流速为10 m/s的空气幕时,厂房内的平均温度比无空气幕时降低了2.4 ℃，平均含湿量降低了49.5%，同时，其湿传递量降低了52%，处理水分的能耗降低了52.1%。

3)若生产环境要求湿度控制在一较低水平，可以选择双侧安装出流速度为10 m/s的空气幕，可以有效控制热湿传递，较大程度减少处理水分的能耗，达到节能效果，同时在一定程度上可以保障产品质量。若生产环境无温湿度控制要求，仅为了提高气密性、减少热湿交换，则可以选择仅在内侧装出流速度较大的空气幕，以达到一定的控制效果。