工位送风空调系统在汽车工厂应用的探讨

刘炬炜，张 涛，王 浩

(中国汽车工业工程有限公司,天津 300113)

0 引言

对于汽车工厂采用传统通风空调方式满足大空间内数量不多的工作人员热舒适性需求,通常会带来较大的能源浪费。为了满足建筑空间内每个人对环境的不同需求,降低能耗,局部通风空调可以针对每个工作位,通过控制送风量、风速及送风温度等参数来调节工作区域的空气环境,即传统意义上的工位送风空调,此降温方式在工程中被广泛应用。一般而言,在仅保证工作区局部微环境的前提下,采用工位送风空调的负荷计算值应比车间全空调负荷要小。目前对于汽车工厂的工位空调设计一般是根据工位数、工作区设计温度、工作区温度以及室外气象参数等信息来进行工位空调负荷计算。但是,在实际设计中,工位送风口规格以及布置间距对工位降温效果也会产生较大影响,当车间工位数达到一定数量时,可能会出现工位空调系统的总冷负荷不小于采用车间全空调系统的冷负荷的情况,此时设计人员应进行分析权衡判断[1-2]。

1 设计数据统计分析

1.1 设计数据搜集

通过对近些年采用系统式局部通风的项目进行汇总整理,结合车间功能、工艺产能、地域等因素考虑,选择了夏热冬冷地区9个比较具有代表性的生产车间样本(项目名称以编号代表)进行研究,具体项目信息见表1。

表1 项目信息表

1.2 对数据搜集项目进行全空气系统空调负荷测算

根据工艺及建筑资料,取室内设计温度28 ℃,相对湿度65%,新风比15%,估算车间全空气系统空调负荷,计算参数及结果见表2。

表2 工位空调及车间空调负荷计算

1.3 数据、指标的汇总分析

通过不断调整室内设计温度值,测算车间全空调负荷,使车间全空调系统负荷接近或等于工位空调冷负荷,此时的车间室内温度可认为是采用工位送风冷量可达到的车间空调平均温度,上述9个样本因车间功能、体量、生产纲领不同,难以直观地进行数据对比分析,因此引入每万平方米工位数的指标,来分析车间工位送风可达到的车间温度变化,计算结果见表3。

表3 工位空调对应车间平均温度计算表

工位送风对应车间平均温度与每万平方米工位数分布,见散点图1。

从图1中直观发现,仅项目1折算的车间全空调平均温度低于28 ℃,说明在保证工作区温度28 ℃的条件下,采用工位空调送风反而比采用车间全空调需要更多的冷量。其他项目折算车间全空调平均温度均大于28 ℃,说明采用车间全空调比采用工位空调送风需要更多的冷量。

另外,通过散点连线发现岗位数与折算车间全空调平均温度成反相关,即当车间单位面积送风工位数越多,折算车间全空调平均温度越低,反之越高。因此,存在一个单位面积工位数或工位数区间在达到同样的车间工作区温度的情况下,使得工位空调送风负荷与采用车间全空调负荷相当。受限于项目样本数量及工艺条件的差异,无法精确统计岗位空调等效的车间全空调平均温度,但从图1可大致推断,每万平方米工位数小于80个时,采用工位送风更加节能;当每万平方米岗位数大于120个时,车间全空调系统比工位送风更加节能;当80个≤每万平方米岗位数≤120个时,采用工位送风与采用车间全空调能耗接近,此时是否采用工位送风空调还需要设计人员综合舒适度、空气品质、系统能耗、初投资等方面做进一步的权衡判断[3-4]。

2 送风口规格及布置间距对工位温度及风速的影响

全车间空调的送风口设置位置和数量是根据建筑空间平面确定的,通常采用均布的方式,而工位空调的送风口设置位置和数量是根据工位数量、工艺流水线形式来确定。实际工程中,局部通风空调系统的风口设置方式是沿生产线布置在同一高度上,送风直接通过侧送风口送到人员活动区域,将生产区域分成空调区域和非空调区域;然而,由于送风射流高度相同,送风射流会存在一定的干扰碰撞,从而使非空调送风区域的空气发生扰动,部分空调区域的冷量流向非空调送风区域,造成送入空调送风区域的冷量减少,空调能耗增加。因此本文通过利用 CFD 仿真模拟,对上述问题进行了分析,通过改变送风口尺寸及间距,对空调送风气流组织进行优化。

本文以6号项目作为研究对象,把送风口数量作为自变量,送风空调区的温度和速度作为因变量,通过CFD仿真模拟,来分析空调送风口的设置距离、风口数量对空调区域的温度场和速度场分布的影响(见表4)。

表4 模拟边界条件

该6号项目采用15台组合式空调机组集中送风,每台风量50 000 m3/h,机组安装在车间屋顶的空调机房内,车间送风干管采用镀锌钢板风管,敷设在车间网架内,工艺线区域末端送风管沿生产线工艺吊架敷设,工位采用球形喷口送风。

本文通过送风空调区域和工位的风量、温度及风速等条件进行限定,利用CFD仿真模拟软件对送风口的设置位置、间距及数量进行调整,进行了3组数据的模拟对比,分别为工况Q1,Q2,Q3,各工况送风口设置参数详见表5。三种工况下的CFD仿真模拟详见图2—图4。

表5 三种送风口设置参数

从以上仿真模拟图可以看出,局部空调送风系统的空调区域的射流送风口由于送风速度的存在,会卷入一定量的周围空气,造成周围非处理的空气与空调送风的掺混。对比三种工况的送风干扰情况,我们可以发现,工况Q1由于送风口数量少,间距大,在相同的送风速度下单个送风口风量大,相对的送风截面区域也更大,造成送风气流对周围空气的扰动明显,掺混的最为严重。而工况Q3由于送风口数量较多,间距较小,单个风口的送风量也较小,相对的送风截面区域也小,气流扰动相对工况Q1就小的多,掺混周围空气也就较少。而相对的工况Q2介于两者之间[5-7]。

对于汽车工厂生产线上的局部通风空调送风系统,为了降低能耗,仅仅对生产线局部工位区域进行风速和温度的控制。本次结合三种工况的送风状况,对空调送风口垂直送风方向的断面风速进行了模拟和统计计算,分别选取了距离地面1.5 m,2.0 m,3.0 m的三个断面的数据进行对比分析,详见表6,三种工况下不同截面的风速分布图见图5,图6。

表6 三种工况下工作区数据统计

从表5及图示中,我们能够发现三种工况下送风射流到达工作区时,送风射流的速度值各不相同,工况Q1的射流速度值最大,工况Q2次之,工况Q3的射流速度值最小。同样通过图2可以发现由于送风对周围空气的卷入,工况Q1的速度场的分布很不均匀;从图3,图4我们可以发现,随着送风口数量的增多、送风距离的减小及单个风口风量的减小,工作区送风速度场的分布相对来说也越来越均匀。从三种工况的仿真模拟图也可以发现,随着送风口数量的增多和送风口距离的减小,送风对周围空气的卷入越来越少,送风也就更加均匀,形成扁平状的“活塞流”,有效保证了空调区域的环境温度和风速控制,相对也就更加节能。

从表6,图6我们也可以发现,三种工况下,竖直方向送风断面的平均温度变化不是很大,最大的温差只有0.4 ℃左右。这说明送风口数量的变化,并不会使工作区的平均温度发生大的改变。由于送风口数量及送风量的增加,送风断面的风速影响相对较大。因此,为了保证局部岗位送风达到良好的送风空调效果,需要结合生产线的布置设置合理的风口数量、风口间距及送风量,保证一定的送风速度,才能达到最佳的局部空调降温效果。

3 结论

本文通过对汽车工厂诸多车间空调送风系统实际工程案例数据的分析,以及某项目的CFD仿真模拟,得出以下结论供设计者在以后的设计中参考:

1)对比工位送风空调系统和传统的全车间空调系统,每万平方米岗位数小于80个时,采用工位送风更加节能;当每万平方米岗位数大于120个时,车间全空调系统比工位送风更加节能。当80个≤每万平方米岗位数≤120个时,采用工位送风与采用车间全空调能耗相当,采用工位送风与采用车间全空调能耗接近,此时是否采用工位送风空调还需要设计人员综合舒适度、空气品质、系统能耗、初投资等方面做进一步的权衡判断。

2)在送风量一定的情况下,送风口的数量、距离及风口尺寸的变化对于局部空调区域的温度影响较小,温度相对较均匀。

3)在送风量一定的情况下,送风口的数量、距离及风口尺寸的变化对于局部空调区域的速度影响较大,送风速度随着送风口的数量的增加而减小,风速过小会影响工位人员的体感空调效果。因此为实现最佳的局部空调降温效果,应根据实际工位数量和位置确定风口规格及布置间距。