江晶晶

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 西安 710043)

鐵路及軌道交通高大廠房及庫房(高度在10 m以上)面積占軌道交通系統(tǒng)附屬用房面積的50%以上[1]，承擔(dān)了車組維護、檢修等重要功能，是保障軌道交通系統(tǒng)正常運行的重要環(huán)節(jié)[2-3]。這類廠房為了滿足工藝需求，具有內(nèi)部空間高、面積大、大門需要經(jīng)常開啟等特征，冬季冷風(fēng)通過大門泄露進入廠房區(qū)域往往引入了顯著的新風(fēng)負荷[4-6]，在影響室內(nèi)工作人員熱舒適性的同時增大了供暖系統(tǒng)的熱負荷。據(jù)統(tǒng)計，該類型高大廠房的單位面積供熱能耗約為普通民建的兩倍以上[7-8]。因此，降低冷風(fēng)泄露引起的新風(fēng)負荷對于改善工作區(qū)域人員的熱舒適性和節(jié)能減排具有重要意義。

大門處自然對流和環(huán)境氣流導(dǎo)致的無組織串流產(chǎn)生了較大的新風(fēng)負荷。在工藝要求無法關(guān)門的條件下，工程上可以在大門處配置縱向風(fēng)幕[8]或橫向風(fēng)幕[9]，通過引入定向的氣流組織，形成一道空氣幕墻，利用風(fēng)幕的射流慣性力平衡室內(nèi)外熱壓差(溫差)導(dǎo)致的自然對流浮升力和環(huán)境定向氣流的慣性力，達到減小新風(fēng)負荷和改善室內(nèi)熱舒適性的目的。考慮到環(huán)境的風(fēng)向和室內(nèi)外溫差以及冬季廠房內(nèi)使用暖氣時的流動特性，目前，鮮有針對這類建筑的風(fēng)幕機配置指導(dǎo)。本文聚焦用于軌道交通高大廠房的風(fēng)幕機，以降低空氣泄漏量和提高熱舒適性為目標(biāo)，研究風(fēng)幕機核心參數(shù)的配置準(zhǔn)則，并分析不同環(huán)境條件下的應(yīng)用特性，為軌道交通廠房配置風(fēng)幕機的設(shè)計及風(fēng)幕機廠家研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品提供理論指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 仿真模型

本文以西北地區(qū)某車輛整備庫為例，使用計算流體力學(xué)方法研究廠房風(fēng)幕的特性。廠房的尺寸為：長140 m、寬22 m、高10 m、內(nèi)部面積3 080 m2，可容納四條軌道和車組。根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)圖紙和暖氣實際配置情況，在廠房側(cè)壁底部設(shè)置等壁溫邊界用來模擬暖氣片，溫度設(shè)置參考了高大廠房的供水實測溫度[1]。

機車維護廠房的模型構(gòu)建區(qū)域如圖1所示，廠房大門高度為5.5 m，寬度為8 m，共2個門，總面積為88 m2，大門正上方相鄰區(qū)域各設(shè)置一個向下送風(fēng)的風(fēng)幕機，風(fēng)幕機長為8 m、寬為0.6 m(風(fēng)幕厚度)。為了考慮風(fēng)幕與環(huán)境的耦合作用，廠房外部設(shè)置了長32 m、寬10 m、高16 m的環(huán)境區(qū)域，環(huán)境區(qū)域的背風(fēng)邊界采用開放邊界條件。仿真模型基于ANSYS15.0平臺，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進行仿真計算，邊界條件的設(shè)置如表1所示。

圖1 機車維護廠房的模型構(gòu)建區(qū)域Fig.1 Schematic of the service station and the modeling area

表1 仿真模型設(shè)置參數(shù)Tab.1 Setting parameters of the simulation model

1.2 風(fēng)幕結(jié)構(gòu)參數(shù)

風(fēng)幕本質(zhì)是空氣射流，存在射流收縮現(xiàn)象，對自上向下的風(fēng)幕而言，射流收縮會造成風(fēng)幕兩側(cè)空氣在豎直方向的速度減少，使該區(qū)域風(fēng)幕的密封能力降低，最終導(dǎo)致風(fēng)幕兩側(cè)的泄漏量相比其他部分更大，局部非均勻的泄露導(dǎo)致廠房內(nèi)部出現(xiàn)局部過冷和局部過熱的現(xiàn)象。為了定量描述該問題，本文提出使用無量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)描述廠房大門處風(fēng)幕泄漏區(qū)域的大小。風(fēng)幕結(jié)構(gòu)主要受環(huán)境參數(shù)和風(fēng)幕機出口參數(shù)的影響，因此，使用廠房大門區(qū)域的主要泄漏面積和總面積之比來描述泄漏區(qū)域的大小。大門所在區(qū)域的局部泄漏量如式(1)所示。根據(jù)泄漏量的分布，可以計算總泄漏量(式(2))，進一步計算嚴重泄露區(qū)域所占比例α(式(3))。

G″=ρu·n

(1)

G=?ρu·ndS

(2)

(3)

式中：G″為當(dāng)?shù)刭|(zhì)量流量密度，kg/(m2·s)；G為總泄漏量，kg/(m2·s)；ρ為空氣密度，kg/m3；u為大門處的速度矢量，m/s；n為大門法向；S為大門面積，m2。除了大門平面內(nèi)的主要泄漏區(qū)域，風(fēng)幕的整體結(jié)構(gòu)可以由最小彎曲模量Dm表征[12-13]，其主要受風(fēng)幕出口慣性力和兩側(cè)熱壓力的影響，計算式如式(4)所示。

(4)

式中：g為重力加速度，m/s2；b為風(fēng)幕厚度，m；H為風(fēng)幕高度，m；ρamb為環(huán)境空氣密度，kg/m3；ρ0為室內(nèi)空氣密度，kg/m3。

1.3 廠房內(nèi)熱環(huán)境評價指標(biāo)

選取2 m以下高度范圍內(nèi)廠房的15個點溫度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差來描述廠房內(nèi)的溫度均勻性，并用來評價風(fēng)幕機參數(shù)及其安裝方式的優(yōu)劣。好的設(shè)計應(yīng)當(dāng)保證良好的密封性，進而保證廠房內(nèi)部的溫度均勻性。溫度均勻性的定義如式(5)所示。

(5)

除了溫度均勻性，根據(jù)人體熱平衡公式，P.Fanger等[14-15]提出了PMV-PPD指標(biāo)，通常定義，PMV在-0.5～0.5之間時為舒適；PMV為±1時，為稍涼或稍暖；PMV為±2時，人體感受到?jīng)龌蚺蟮腜MV值則意味則人體覺得不舒適?？紤]到廠房為作業(yè)區(qū)域并非傳統(tǒng)的辦公或生活區(qū)域，本文將PMV不舒適區(qū)(|PMV|≥3)的區(qū)域面積占比作為描述廠房內(nèi)的環(huán)境的參數(shù)，其定義如式(6)所示。

(6)

為了方便處理數(shù)據(jù)，|PMV|>4(極不舒適的區(qū)域)區(qū)域的PMV大小全部設(shè)定為4。PMV計算時認為作業(yè)區(qū)人員代謝率為5.0 met，人體表面積取1.5 m2，服裝表面系數(shù)取1.15，基礎(chǔ)服裝熱阻取0.077 5，空氣狀態(tài)參數(shù)來自CFD模型求解結(jié)果。

1.4 風(fēng)幕機性能測試方法

熱風(fēng)幕機的性能在一個廠房內(nèi)測試，用于驗證本文的仿真模型。安裝風(fēng)幕機的門尺寸為寬4 m、高2.7 m，風(fēng)幕覆蓋區(qū)域橫截面為寬3.2 m、高2.4 m。在門外搭建了長為3 m的門斗，風(fēng)幕機測試測點的布置如圖2所示，通過測量門斗中距離風(fēng)幕1 m處9個測點的風(fēng)速數(shù)據(jù)，使用式(7)間接測量風(fēng)幕機的空氣泄漏量。手持熱線風(fēng)速儀的測試量程為0～10 m/s，測試精度為0.1 m/s。被測風(fēng)幕機最大風(fēng)速為7.2 m/s，對應(yīng)風(fēng)量為13 250 m3/h。風(fēng)幕機加熱器功率為57.7 kW，風(fēng)機功率為1.4 kW。測試時間選取冬季典型日，室外空氣溫度在-4.4～-3 ℃，室外風(fēng)速在2～4 m/s范圍內(nèi)波動。

圖2 風(fēng)幕機測試測點布置Fig.2 Layout of test points for air curtain

(7)

2 結(jié)果及討論

2.1 仿真結(jié)果有效性分析

采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格保證計算穩(wěn)定性。為了保證CFD模擬數(shù)據(jù)的有效性，以式(1)計算大門區(qū)域的總泄漏量，從而評價網(wǎng)格的可靠性。如圖3(a)所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過15萬時，計算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)，因此網(wǎng)格數(shù)量足夠保證計算精度。

使用圖2所示的測試方法對熱風(fēng)幕機在直吹和側(cè)吹條件下的泄漏量進行了測試。測試結(jié)果表明，熱風(fēng)幕機向外20°側(cè)吹泄漏量明顯小于直吹，與仿真結(jié)果趨勢一致，如圖3(b)所示。這是由于出風(fēng)角度較小時，出風(fēng)口附近的風(fēng)幕會卷吸周圍空氣進入風(fēng)幕，降低風(fēng)幕的密封性能，因此直吹(0°)的空氣泄漏量比20°側(cè)吹要差?？梢钥吹剑抡婺Ｐ皖A(yù)測的趨勢與實驗數(shù)據(jù)一致。

圖3(c)對比了風(fēng)幕機開、停(停機即為自然滲漏)條件下泄漏量的實驗與仿真結(jié)果，可知開啟熱風(fēng)幕可顯著降低冷風(fēng)泄漏量(實驗數(shù)據(jù)降低35%，仿真數(shù)據(jù)降低40%)。需要指出的是，風(fēng)幕機停機自然滲漏時的流場更復(fù)雜，與室內(nèi)外壓差等氣象參數(shù)相關(guān)，因此該工況仿真誤差比其他工況略大。

此外，還對比了風(fēng)幕機的加熱器開停對空氣泄漏量的變化。如圖3(d)所示，當(dāng)風(fēng)幕機加熱器關(guān)閉時，風(fēng)幕機吹風(fēng)溫度為回風(fēng)溫度，與室外環(huán)境溫度接近，遠低于室內(nèi)平均溫度，此時稱為“冷風(fēng)幕”?？梢钥吹?，仿真模型預(yù)測的趨勢與實驗數(shù)據(jù)一致：冷風(fēng)幕的冷風(fēng)泄漏量與熱風(fēng)幕基本持平，且與風(fēng)幕角度基本無關(guān)。這是由于根據(jù)式(4)，當(dāng)風(fēng)幕送風(fēng)溫度與回風(fēng)溫度相同時，風(fēng)幕處室內(nèi)外熱壓遠小于熱風(fēng)幕工況(分母減小)，因此冷風(fēng)幕的風(fēng)幕最小彎曲模量(剛度)更大。只要熱風(fēng)幕設(shè)計匹配合理，在熱風(fēng)幕條件下可以保證風(fēng)幕氣流穩(wěn)定，冷風(fēng)幕條件下必定可以繼續(xù)保持。在此基礎(chǔ)上，由于冷風(fēng)幕更容易保持氣流穩(wěn)定，其風(fēng)幕剛度和泄漏量即使為0°向下吹，也能做到比熱風(fēng)幕20°側(cè)吹效果更好。然而，這不意味著冷風(fēng)幕優(yōu)于熱風(fēng)幕，更全面的評估詳見2.2節(jié)送風(fēng)溫度的分析。

除了通過風(fēng)速推算風(fēng)量的測量誤差外，數(shù)值仿真簡化的湍流模型(k-ε模型)會導(dǎo)致一定的誤差，特別是風(fēng)幕機出口風(fēng)速較大，實驗工況為7.2 m/s，湍流強度高，誤差相比常規(guī)工況可能更大。根據(jù)圖3(b～d)的對比結(jié)果，除風(fēng)幕機停機時泄露風(fēng)量誤差為25%，其余點的誤差均在19%以內(nèi)，且3個變量的變化趨勢與實驗數(shù)據(jù)保持一致，因此仿真精度工程應(yīng)用可以接受。因此本文后續(xù)的仿真結(jié)果有工程借鑒意義。

圖3 模型關(guān)鍵參數(shù)驗證Fig.3 Key parameter verification of the model

下面從風(fēng)幕機的設(shè)計參數(shù)和環(huán)境參數(shù)兩個主要維度進行分析。

2.2 風(fēng)幕機設(shè)計參數(shù)

1)風(fēng)幕機送風(fēng)風(fēng)速

圖4 風(fēng)幕機風(fēng)速與泄漏量的關(guān)系Fig.4 The relationship between air supply velocity and leakage of the air curtain

可以認為，更高的風(fēng)幕機送風(fēng)速度提升了空氣動壓，導(dǎo)致射流收縮和卷吸增強[16]，從而導(dǎo)致了大門處泄露風(fēng)量的增加。這為工程中優(yōu)化大門處的冷風(fēng)入侵提供了思路。由于射流收縮的影響，空氣泄露嚴重的區(qū)域集中在大門的側(cè)邊，因此可以通過在大門單側(cè)增加門簾等措施來減少泄露風(fēng)量，達到減小廠房新風(fēng)負荷的目的。

在大門處布置風(fēng)幕機會導(dǎo)致大門附近的風(fēng)速較高，較大的風(fēng)速會降低人們的熱舒適性，并且會對廠房內(nèi)的溫度分布產(chǎn)生影響。圖5所示為環(huán)境風(fēng)速為0 m/s時，風(fēng)幕機送風(fēng)速度為5.4 m/s時，廠房內(nèi)部1 m高度平面內(nèi)速度和熱舒適度(PMV)的分布特性。圖5(a)中所示的區(qū)域速度大于0.3 m/s處被標(biāo)記出來，可以認為該區(qū)域是被風(fēng)幕機和冷風(fēng)入侵所影響的滲透區(qū)域，可以看到滲透區(qū)域可達59 m，達到廠房總進深的1/3以上。由圖5(a)可知，由于風(fēng)幕機的射流收縮及其導(dǎo)致的局部冷風(fēng)入侵，每個門兩側(cè)附近的風(fēng)速明顯偏大，導(dǎo)致了大門此處PMV值偏小，此處人體感受寒冷；此外，靠近墻壁的區(qū)域由于加熱器的影響，溫度要高于中部區(qū)域，PMV值較大。廠房內(nèi)部絕大部分區(qū)域的風(fēng)速較小，為無風(fēng)或低風(fēng)速區(qū)域，風(fēng)速對PMV貢獻較小。

圖5 風(fēng)幕機送風(fēng)速度為5.4 m/s時高度為1 m的平面風(fēng)速分布及PMV分布Fig.5 Planar velocity and PMV distribution at the height of 1 m when the air supply velocity is 5.4 m/s of the air curtain

表2所示為風(fēng)幕機送風(fēng)速度對廠房PMV和溫度均勻性的影響。由表2可知，改變風(fēng)幕機出風(fēng)速度對不舒適區(qū)域占比(PMV>3)影響較小。這是因為風(fēng)幕機風(fēng)速增加時冷風(fēng)入侵的滲透區(qū)域占比基本不變，對內(nèi)部2/3區(qū)域人體表面的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)影響有限?？梢哉J為，風(fēng)幕機出風(fēng)速度顯著影響大門附近的風(fēng)速，但并不顯著影響廠房內(nèi)部的熱舒適性。雖然提高風(fēng)幕機風(fēng)速可以改善2 m以下區(qū)域的溫度均勻性，但由于對熱舒適性并無太大影響，綜合考慮冷風(fēng)泄露和其導(dǎo)致的新風(fēng)負荷，在滿足風(fēng)幕結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性后，應(yīng)盡可能選取較小的出風(fēng)風(fēng)速的風(fēng)幕機。

表2 風(fēng)幕機送風(fēng)速度對廠房PMV和溫度均勻性的影響Tab.2 Influence of the air supply velocity of the air curtain on PMV and temperature homogeneity

2)風(fēng)幕機送風(fēng)角度

當(dāng)風(fēng)幕機送風(fēng)速度為7.2 m/s時，送風(fēng)角度(0°為垂直向下，正的角度為向外)會直接影響風(fēng)幕結(jié)構(gòu)，從而對風(fēng)幕性能產(chǎn)生影響：當(dāng)出風(fēng)角度較小時，出風(fēng)口附近的風(fēng)幕會卷吸周圍空氣進入風(fēng)幕，降低風(fēng)幕的密封性能；當(dāng)出風(fēng)角度較大時，風(fēng)幕會直接向環(huán)境吹出，不利于風(fēng)幕完整性。在這兩點競爭性因素的影響下，存在最佳送風(fēng)角度。圖6所示為送風(fēng)角度在0°～30°變化時空氣泄漏量的變化?？梢钥闯?，泄露量伴隨送風(fēng)角度呈先降低再增大的特性，在10°～20°之間存在最小空氣泄漏量，可以認為10°～20°為最佳送風(fēng)角度。

圖6 風(fēng)幕機送風(fēng)角度與泄漏量的關(guān)系Fig.6 The relationship between air supply angle and leakage of the air curtain

由圖6還可知，一定的送風(fēng)角度可以抑制環(huán)境風(fēng)速慣性力導(dǎo)致的冷風(fēng)入侵：送風(fēng)角度為10°時嚴重泄漏區(qū)域面積比垂直送風(fēng)時嚴重泄漏區(qū)域面積減小了16%。風(fēng)幕機送風(fēng)角度為10°時高度為1 m的平面風(fēng)速分布及PMV分布如圖7所示。在圖7(a)中，嚴重泄漏區(qū)域未超過51 m進深。因此，廠房內(nèi)的熱舒適性也得到了改善，如圖7(b)所示，當(dāng)風(fēng)幕角度為10°時，進深45 m以上的位置PMV>-1，熱舒適性可以接受。

圖7 風(fēng)幕機送風(fēng)角度為10°時高度為1 m的平面風(fēng)速分布及PMV分布Fig.7 Planar velocity and PMV distribution at the height of 1 m when air supply angle is 10°of the air curtain

3)風(fēng)幕機送風(fēng)溫度

風(fēng)幕機送風(fēng)溫度會影響射流的浮力與慣性力的比值，從而影響風(fēng)幕內(nèi)外側(cè)熱壓與風(fēng)幕慣性力的比值，影響風(fēng)幕的密封性。根據(jù)風(fēng)幕射流理論，只要風(fēng)幕軸線的彎曲模量不低于維持風(fēng)幕穩(wěn)定性的0.25[13]，風(fēng)幕的慣性力可以保證風(fēng)幕不會在室內(nèi)外熱壓的作用下失去穩(wěn)定性。風(fēng)幕機送風(fēng)溫度和環(huán)境溫度對風(fēng)幕最小彎曲模量的影響如表3所示。由表3可知，當(dāng)送風(fēng)速度為7.2 m/s，送風(fēng)溫度在25～60 ℃時，Dm均可滿足穩(wěn)定性的要求。

加強環(huán)保工程管理體系的構(gòu)建，從以下幾方面進行：（1）要加大國家宏觀管理力度，制定與環(huán)保相關(guān)的法律法規(guī)，給予環(huán)保工程建設(shè)一定的制度性保障，彰顯出法律效應(yīng)；（2）能源企業(yè)要加強與社會環(huán)保部門之間的聯(lián)系，尤其在生產(chǎn)和原材料等方面，要加強節(jié)能、環(huán)保手段的應(yīng)用，確保良好的節(jié)能環(huán)保效果[2]；（3）能源企業(yè)還要加強環(huán)保設(shè)備的購進，確保水資源良好的凈化效果；（4）在制定環(huán)保監(jiān)督和管理標(biāo)準(zhǔn)時，要將環(huán)保理念充分體現(xiàn)出來。而且工程監(jiān)管部門要加強監(jiān)管隊伍的構(gòu)建，嚴格監(jiān)督和管理施工全過程。

表3 風(fēng)幕機送風(fēng)溫度和環(huán)境溫度對風(fēng)幕最小彎曲模量的影響Tab.3 Influence on deflection modulus by the air supply temperature and ambient temperature

根據(jù)上述分析，風(fēng)幕機送風(fēng)溫度理論上不會影響風(fēng)幕的密封性。模擬得到的送風(fēng)溫度與空氣泄漏量的關(guān)系驗證了這一點，如圖8所示。伴隨著送風(fēng)溫度的提高，嚴重泄漏區(qū)域占比得到了一定程度的下降，表明大門處泄漏總量不變時，泄漏分布更加均勻，對廠房內(nèi)的熱舒適性是有利的。

圖8 風(fēng)幕機送風(fēng)溫度與泄漏量的關(guān)系Fig.8 The relationship between air supply temperature and leakage of the air curtain

風(fēng)幕機送風(fēng)溫度與平均溫度和熱舒適性的關(guān)系如圖9所示。伴隨著風(fēng)幕送風(fēng)溫度的上升，廠房內(nèi)2 m以下區(qū)域的平均溫度快速上升，不舒適區(qū)域占比快速下降，在25～37 ℃之間不舒適區(qū)占比低于5%，之后隨著送風(fēng)溫度的升高而增大。隨著送風(fēng)溫度從不加熱(等于環(huán)境溫度)狀態(tài)升高，廠房內(nèi)過冷的不舒適區(qū)域面積減小，但風(fēng)幕機送風(fēng)溫度過高時，反而會造成靠近風(fēng)幕的區(qū)域過熱，對熱舒適性不利。因此，推薦風(fēng)幕機送風(fēng)溫度為25～37 ℃。

圖9 風(fēng)幕機送風(fēng)溫度與平均溫度和熱舒適性的關(guān)系Fig.9 The relationship between air supply temperature and average temperature and thermal comfort index of the air curtain

2.3 環(huán)境參數(shù)

當(dāng)風(fēng)幕機按照10°送風(fēng)角度、5.4 m/s送風(fēng)速度配置時，分別研究環(huán)境風(fēng)速和環(huán)境溫度對風(fēng)幕性能和廠房內(nèi)熱舒適性的影響。

1)環(huán)境風(fēng)速

環(huán)境風(fēng)速對廠房內(nèi)1 m高度平面風(fēng)速的影響如圖10所示。由圖10可知，風(fēng)幕門處的環(huán)境來流會在一定程度上影響風(fēng)幕的形狀。在風(fēng)幕門處，環(huán)境空氣被卷吸進入風(fēng)幕中，部分環(huán)境空氣通過風(fēng)幕泄漏至廠房內(nèi)部，但此時泄漏進入廠房內(nèi)部的空氣速度、溫度已經(jīng)受到風(fēng)幕門的影響。風(fēng)幕門處及內(nèi)部滲透區(qū)域速度分布受到來流空氣的影響，由于環(huán)境來流有向左的速度分量，導(dǎo)致廠房內(nèi)左側(cè)的滲透深度(102 m)明顯高于右側(cè)(74 m)。

圖10 環(huán)境風(fēng)速對廠房內(nèi)1 m高度平面風(fēng)速的影響Fig.10 Influence of ambient air on the planar air velocity distribution inside the service plant at the height of 1 m in the workshop

環(huán)境風(fēng)速會直接影響風(fēng)幕結(jié)構(gòu)。圖11所示為環(huán)境風(fēng)速對空氣泄漏量和熱舒適性的影響。由圖11可知，不同環(huán)境速度下(環(huán)境空氣以大門法向45°夾角吹向大門，溫度為-3.4 ℃)大門處的泄漏量。隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，大門處的泄漏量增加。這是因為隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，外界主動吹入風(fēng)幕的風(fēng)量增加，風(fēng)幕的卷吸量增加，導(dǎo)致風(fēng)幕密封性能下降。此外，當(dāng)環(huán)境速度大于2.6 m/s時，大門處的泄漏量激增，這是因為在該環(huán)境速度下，過多的環(huán)境空氣進入風(fēng)幕，導(dǎo)致其無法維持完整結(jié)構(gòu)，使大門處泄漏量激增，此時需要增加風(fēng)幕機出風(fēng)速度來保證風(fēng)幕結(jié)構(gòu)。根據(jù)我國冬季室外氣象參數(shù)，京津冀地區(qū)和東北地區(qū)大部分城市冬季風(fēng)速大于2.6 m/s，此時需考慮物理屏障等措施減小風(fēng)幕處的環(huán)境來流速度，以保證大門的氣密性。

圖11 環(huán)境風(fēng)速對空氣泄漏量和熱舒適性的影響Fig.11 Influence of ambient air velocity on the leakage and thermal comfort

由圖11還可知，環(huán)境風(fēng)速的增加會導(dǎo)致舒適區(qū)域面積的下降，同時，根據(jù)表4數(shù)據(jù)，廠房內(nèi)的平均溫度和溫度均勻性也隨著環(huán)境風(fēng)速的增大而降低。這是因為越大的環(huán)境風(fēng)速意味著越多的環(huán)境空氣被卷吸進入風(fēng)幕，導(dǎo)致越多的環(huán)境空氣進入廠房內(nèi)部。低溫環(huán)境空氣進入廠房則會導(dǎo)致廠房內(nèi)溫度降低，溫度均勻性下降以及熱舒適區(qū)域面積占比下降。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速高于2.6 m/s后，舒適區(qū)域面積變化率增大，此時風(fēng)幕結(jié)構(gòu)被破壞，大量環(huán)境空氣進入廠房內(nèi)部。綜上所述，針對不同地區(qū)的冬季風(fēng)速特性，需要配置不同規(guī)格的風(fēng)幕機。

表4 環(huán)境風(fēng)速對廠房內(nèi)平均溫度和溫度均勻性的影響Tab.4 Influence on the temperature inside the service plant of ambient air velocity

前文探討的是風(fēng)速的幅值。當(dāng)風(fēng)向變化時，環(huán)境風(fēng)向?qū)諝庑孤┝亢蜔崾孢m性的影響如圖12所示，不同風(fēng)向角度對應(yīng)的泄漏量基本一致。同時，環(huán)境風(fēng)向?qū)S房內(nèi)部區(qū)域的影響也較小。這是因為當(dāng)風(fēng)幕機選型合適時，環(huán)境風(fēng)向不會顯著改變風(fēng)幕結(jié)構(gòu)，并不會顯著影響風(fēng)幕的密封性能。由于本節(jié)配置的風(fēng)幕送風(fēng)角度是傾斜的(10°)，風(fēng)幕軸線本身會進入環(huán)境，不同的環(huán)境來流方向并不會顯著影響侵入風(fēng)幕區(qū)域的環(huán)境空氣風(fēng)量。綜上所述，當(dāng)風(fēng)幕機匹配當(dāng)?shù)丨h(huán)境風(fēng)速幅值的情況下，環(huán)境風(fēng)向?qū)S房內(nèi)部和大門處泄漏量的影響基本可以忽略。

圖12 環(huán)境風(fēng)向?qū)諝庑孤┝亢蜔崾孢m性的影響(90°為門的法向)Fig.12 Influence on the leakage and thermal comfort of the ambient air orientation

2)環(huán)境溫度

環(huán)境風(fēng)速會對風(fēng)幕性能造成顯著影響，從而影響廠房內(nèi)部區(qū)域熱舒適性。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)幕機出風(fēng)參數(shù)不變時，環(huán)境溫度則可能會對廠房內(nèi)部區(qū)域的溫度分布造成影響。

環(huán)境溫度對空氣泄漏量和熱舒適性的影響如圖13所示，環(huán)境溫度對空氣泄漏量的影響較小。這是由于根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，環(huán)境溫度的變化不會導(dǎo)致風(fēng)幕彎曲模量(Dm)低于維持風(fēng)幕完整性的最小值0.25。由于風(fēng)幕軸線彎曲模量Dm表征風(fēng)幕的密封能力，因此在Dm不低于最小值0.25時，大門處的空氣泄漏量幾乎不隨環(huán)境溫度變化。另一方面，即使大門泄漏量不變，但新風(fēng)負荷與室內(nèi)外溫差呈正比，伴隨著環(huán)境溫度的降低，新風(fēng)負荷增大，導(dǎo)致廠房內(nèi)部區(qū)域的平均溫度和PMV熱舒適性的降低?？傮w上，環(huán)境溫度的綜合影響沒有風(fēng)幕機參數(shù)和環(huán)境風(fēng)速的影響顯著。

圖13 環(huán)境溫度對空氣泄漏量和熱舒適性的影響Fig.13 Influence on the leakage and thermal comfort of the ambient air temperature

3 結(jié)論

本文以西北地區(qū)某車輛整備庫廠房為例，通過數(shù)值仿真方法，針對風(fēng)幕機送風(fēng)速度、送風(fēng)角度、送風(fēng)溫度、環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境風(fēng)向、環(huán)境溫度這幾個核心參數(shù)，從冷風(fēng)泄漏量和熱舒適性兩個角度對高大廠房冬季熱風(fēng)幕機的配置提出了如下建議：

1)風(fēng)幕機的出風(fēng)速度和出風(fēng)角度不顯著影響廠房內(nèi)部溫度和熱舒適性，但會對大門處的泄漏區(qū)域和泄漏量造成顯著影響：出風(fēng)風(fēng)速從5.4 m/s增至9.3 m/s會使大門處泄漏量從40.4 kg/s增至69.4 kg/s(增加71.8%)，因此推薦采用較小的風(fēng)速(5.4 m/s)和合適的出風(fēng)角度(10°～20°)，可實現(xiàn)泄漏量降低13.4 kg/s(24.9%)。

2)風(fēng)幕機的出風(fēng)溫度不會顯著影響風(fēng)幕密封性能，但會對廠房內(nèi)部區(qū)域的熱舒適性造成顯著影響，從熱舒適性角度推薦的風(fēng)幕機送風(fēng)溫度為25～37 ℃。

3)環(huán)境參數(shù)中，風(fēng)向?qū)︼L(fēng)幕泄露量和廠房內(nèi)熱舒適性的作用可以忽略，環(huán)境溫度僅會對廠房內(nèi)部的溫度造成一定影響，環(huán)境風(fēng)速幅值對風(fēng)幕性能影響最顯著。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于2.6 m/s時，出風(fēng)風(fēng)速為7.2 m/s的風(fēng)幕機的風(fēng)幕穩(wěn)定性被破壞，泄漏量會顯著增大。在冬季室外風(fēng)速過大的地區(qū)(京津冀、東北)需考慮物理屏障等措施輔助風(fēng)幕作為車輛整備庫廠房的隔熱措施。

4)針對西安地區(qū)的氣候條件，建議使用出風(fēng)風(fēng)速為5.4 m/s、出風(fēng)角度為10°～20°、出風(fēng)溫度為25～37 ℃的風(fēng)幕機。