排风口设置对机械通风效果影响的模拟研究

张慧洁 王立平 赵卫平 徐世鹏

（1 国网安徽省电力有限公司经济技术研究院 安徽合肥 230009 2 合肥工业大学土木与水利工程学院 安徽合肥 230009）

0 引言

通风是控制室内环境的主要方式之一，由于系统简单、运行经济等原因，在建筑中应用广泛。在较多热量释放的建筑内进行全面通风是指对整个房间进行通风换气，用大量的室外空气带走室内散发热量，保障室内温度处于合理区间。通风效果不仅取决于通风量的大小，还与通风气流组织有关。常见的全面送风和排风包括机械和自然2 种动力。由于单纯的自然通风散热较难在夏季高温条件下满足室内设备散热的需求，机械通风与自然通风相结合的复合通风方式在较强热源场所中的应用逐渐得到重视。

黄继红等［1］分析了工业建筑空间内气体流动的规律和特点，探讨了适合工业建筑的气流组织形态及其影响因素，为设计和评价工业建筑的空间气流组织提供了理论依据。黎娇等［2］通过CFD 模拟对某设备间的4 种通风方案进行了数值模拟与分析，得出了4 种方案在水平和垂直方向上的温度分布规律，比较了4 种方案的通风效果，结果表明下送上排的气流组织形式可以降低工作区平均温度1.3 ℃。严立三等［3］以某纺织车间为例，通过降低通风口高度在改善车间温湿度、提高产品质量和节约能源等方面取得了显著效果。李鹏飞［4］以衡阳某核工业建筑为对象，运用Fluent 软件对厂房内环境气流组织进行优化模拟，对负压环境下高温厂房通风系统进行了优化。赵福云等［5］对热压通风和机械送风耦合的多元通风作用下的工业厂房室内空气环境进行了模拟，探讨不同机械送风压力和送风口位置对热源厂房通风效果的影响，结论表明在多数工况下送风口位置Hs/H=0.6 时通风效果优于Hs/H=0.3 和Hs/H=0.9。赵建勋等［6］研发了一种基于个性化送风的"凸"字形送风口，可以根据不同操作者的体型改变风口位置、送风速度，实现低速送风，保障人体处于较为舒适的环境。舒恺等［7］对变压器室在不同运行工况下的自然通风、机械通风工作情况分别进行了研究，提出了保证最佳运行效果的相关措施，为解决高温气候条件下变压器室通风降温问题提供依据。高春艳等［8］探讨了不同的送风方式、风机的使用对室内变压器散热的影响，用空气龄指标对变压器室的通风散热效果进行了评价，结果表明散热器底部风机提高了室内的换热效率，改善了室内的散热特性。吕爱华等［9］针对数据通信机房中上送风侧回风气流组织方式下的数据通信设备的冷却效果进行试验测试，摸清了现有通风冷却方式存在的主要问题，提出了改进措施。

气流组织是通过合理地布置送风口和排风口，使得工作区内形成稳定的温度、速度和洁净度。合理的气流组织不仅能够保障通风系统的运行效果还可以达到降低系统运行能耗的目的。通风系统气流组织的影响因素包括送风口位置、排风口位置、房间几何形状、送排风的气流参数等。本文以合肥地区某一设备用房为例，对自然进风+机械排风系统室内环境进行模拟，在建筑条件、进风口设置、排风量和设备散热不变的条件下，模拟分析不同排风口设置方式对室内热环境的影响。

1 物理模型

该建筑尺寸为10.0 m×7.5 m×7.5 m，室内电气设备长期稳定运行，设备尺寸为6.0 m×3.0 m×3.5 m。采用自然进风和机械排风相结合的全面通风模式，进风口位于建筑正面，采用防雨通风消音百叶（2×2.4 m2/个），设计状态下排风口位于一侧侧墙上，轴流风机标高5.5 m。夏季通风室外计算温度31.4 ℃，相对湿度69%，室内设计温度要求不高于45 ℃，设备发热量为33 kW，通风量7 500 m/h。为简化模型，对该通风过程进行以下假设：①设备简化为长方形，且设备发热量均匀分布于设备表面；②室外气象参数取最不利条件，室内设备散热量取设计值；③不同方案中通风量均取设计风量，进、排风口尺寸不变。

为考察排风口位置对通风效果的影响，在以上假设的基础上提出不同方案，详见表1。

表1 不同排风口设置方案

2 模拟结果

在建筑条件、进风口、排风量和设备散热不变的条件下，分析不同排风口位置对室内热环境的影响，结果如图1 所示。

图1 不同排风配置方案的温度模拟结果

由图1 中可以发现，虽然不同排风口设置方案均能满足最不利条件下设计要求，但通风效果存在明显不同。

（1）方案4 模拟结果中的热源表面温度最低（99.6 ℃），流场平均温度（42.3 ℃）接近最高，结果表明方案4 的排风口设置方案中室内气流能更好地带走设备表面散热量；

（2）方案2 和方案3 流场平均温度均为41.9 ℃，热源平均温度也较为接近（101.5 ℃和101.3 ℃），设备散热效果不如方案4。

（3）方案5 中热源平均温度和流场平均温度均接近其余方案的最高值，为散热效果最差的方案。

（4）方案1 中热源表面温度处于所有方案的中间位置（100.7 ℃），而流场平均温度为所有方案中最低（41.5 ℃），表明该方案在排除热空气方面效果最佳。

3 结果分析

根据模拟结果，可以发现不同排风口设计方案对热源表面温度和流场平均温度的影响各不相同。现将相近方案进行对比分析，寻找热源表面温度和流场平均温度的相关因素。

3.1 顶部排风方案对比

方案1 和方案2 均采用顶送风方案，排风口位置相同，区别在于方案2 中未采用风管排风。顶部排风方案纵向中心截面流场温度、速度和空气龄分布分别见图2、图3 和图4。由图2可以发现，2 方案中低温区域均分布在设备两侧，设备正上方区域温度略高，方案1 中低温区域覆盖面积大于方案2，高温区域覆盖面积小于方案2，说明高温气体排除效果优于方案2。由图3 可以发现2 个方案速度大小和流场分布近似相同。图4所示方案1 在建筑两侧上方存在明显的空气龄较高的区域，即有空气在该区域滞留，根据图2 可以发现滞留气体温度低于方案中相同区域气体温度，空气龄层次分明，不存在明显的空气滞留区域。

图2 顶部排风方案纵向中心截面流场温度分布图

图3 顶部排风方案纵向中心截面流场速度分布图

图4 顶部排风方案纵向中心截面流场空气龄分布图

3.2 单侧排风方案对比

方案3 和方案4 均采用单侧排风。方案3 为原始设计方案，排风口接近进风口，中心标高为5.5 m，方案4 排风口偏向建筑内部，中心标高7 m。单侧排风方案纵向中心截面流场温度、速度和空气龄分布分见见图5、图6 和图7。由图5 和图6可以发现，方案3 在z=5 m 的位置处流场温度明显低于方案4，且由于排风口靠近进风口存在一定的气流短路现象。由图7可以发现在方案4 中，无排风口的一侧高位存在明显的气体滞留现象，空气龄略高于方案3。

图5 单侧排风方案纵向中心截面流场温度分布图（z=5）

图6 单侧排风方案纵向中心截面速度分布图（z=5）

图7 单侧排风方案纵向中心空气龄分布图（z=5）

3.3 侧墙高位排风方案对比

方案4 和方案5 均采用侧墙高位排风，二者区别在于方案4 中排风口位于单侧墙壁，方案5 排风口位于建筑两侧。侧墙高位排风方案纵向中心截面流场温度、速度和空气龄分布分别见图8、图9 和图10。由图8 和图9 可以发现，方案4 与方案5 中速度大小和流场分布近似相同，流场温度分布近似相同，方案5 中设备上方高温区域面积大于方案4。由图9 可以发现2 个方案中均存在一定的气体滞留现象，方案4 中气体滞留位置为排风口对面墙体高位，而方案5 中则在离开排风口位置的两侧墙体高位出均存在一定的气体滞留现象。

图8 侧墙高位排风方案纵向中心截面流场温度分布图（z=5）

图9 侧墙高位排风方案纵向中心截面速度分布图（z=5）

图10 侧墙高位排风方案纵向中心空气龄分布图（z=5）

3.4 相关性分析

通风系统设计目标是通过低温的室外空气与室内空气混合，带走设备运行过程中散发的热量，设备表面平均温度越低则说明空气带走设备散热的能力越高，通风效果越好。在满足设计要求的基础上，室内空气平均温度越低，则说明热空气排除越顺畅。根据不同排风口设置方案中各参数（详见表2）可以发现，方案4 具有更高的流场平均温度和最低的设备表面平均温度。通过关联性分析发现，流场平均温度与室内平均风速之间存在极强的负相关性（相关系数为-0.91），设备表面温度与平均风速和平均空气龄之间均存在弱相关性，相关系数分别为0.34 和-0.35。利用设备表面温度与流场平均温度的差值可以更好地反映不同气流组织形式的散热效果（相关性为0.82）。

表2 不同排风口设置方案流场参数表

4 结论

本文在建筑条件、进风口设置、排风量和设备散热不变的条件下，对某设备用房自然进风+机械排风系统的室内环境进行模拟，研究不同排风口设计方案对通风效果的影响，得到以下3 点结论。

（1）侧墙排风（单侧-高位）获得最理想的通风散热效果。设备表面温度低于其余方案1.1 ℃～1.9 ℃，室内平均温度亦满足室内计算温度45 ℃的要求。

（2）流场平均温度与室内平均风速之间存在极强的负相关性，设备表面温度与平均风速和平均空气龄之间均存在弱相关性。

（3）在满足室内设计温度的前提下，设备表面与流场之间的温差可以更好地反映气流组织形式的散热效果，温差越小，散热效果越好。