设备机房大温差送风系统仿真研究

李冬冬，李栋，孟昭男，张鹏∗，陈红超

(1-中船重工第七〇一研究所，上海 201108；2-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240)

0 引言

大温差送风是一种不同于常规温差送风的新型送风方式，近年来得到了迅速发展。常规温差送风的送风温度一般在13 ℃～16 ℃，而大温差送风的送风温度一般在4 ℃～10 ℃[1]。大温差送风可以在满足室内温度要求的条件下减小送风量，从而减少空调系统送风设备的能耗[2]。同时，大温差送风系统的供水温度更低，供回水温差更大，可以通过减少冷冻水流量有效降低水泵的能耗[3]。对于有人员工作生活的房间，大温差送风可以减小吹风感，提升房间的舒适性。因此，大温差送风技术已经在工厂厂房、实验室、公共交通、舰船等方面得到了应用[4-9]。

但是，大温差送风也存在一些缺点和不足。最主要的缺点就是由于大温差送风的送风量较小，容易导致房间内温度分布不均匀。对于冷负荷较大的房间，如果不能合理安排送风方式，使用大温差送风会导致房间内的温度不均匀性更加明显。此外，大温差送风方式的送风温度过低，送风口附近的空气会被迅速冷却，极易产生凝露现象。凝露现象不仅影响电子设备的正常工作，还会滋生细菌，影响人的身体健康。为避免凝露现象，大温差送风空调通常采用新回风混合送风的方式，即让来自制冷机的新风先进入混合箱，在混合箱内与来自房间的回风混合后送入室内。这种送风方式可以使送入室内的混合风具有较大的送风速度和较高的送风温度，避免房间内空气局部温度迅速降低，杜绝凝露现象的产生。

目前，已有很多国内外研究者对大温差送风技术进行了研究。有研究者实验研究了大温差送风空调系统在使用不同类型送风末端时的特性[10-12]。结果发现，合理设计送风末端可以使温度较低的新风和室内空气迅速混合，取得较好的室内温度均匀性。此外，还有研究者采用CFD计算方法对大温差送风系统的性能进行数值模拟[13-17]：对在大温差送风空调系统条件下的室内温度分布和空气流场进行数值模拟，并对不同送风参数下的结果进行对比分析，为室内大温差送风空调系统的设计和优化提供了依据。有研究以实际建筑为研究对象，对大温差送风空调系统的能耗和成本进行了分析[18]。分析结果显示，相比于常规空调送风系统，使用大温差送风空调系统，设备投资可以减少约20%，系统工作能耗可以减少40%。

随着电子集成技术的发展，设备机房内设备的发热量越来越大，如变电站、通信机房、数据中心等。大功率发热设备布置在房间内，形成了一个高热流密度空间，空间内的散热就成为一个重要问题。高热流密度空间的空调系统，往往需要更大的送风量，采用大温差送风方式可以充分发挥其小送风量的优势，有效降低空调系统的能耗。此外，在设备机房内设置大温差送风空调系统，还能减少制冷机组、风机、水泵、风管等设备的体积，有效节约建筑空间。

为了研究大温差送风的散热效果和适用范围，本文设计了两种不同结构的设备机房，以这两个房间为研究对象，对常规温差送风和大温差送风两种送风方式进行数值模拟，分析不同送风方式下房间的温度分布和空气流动情况，对比两种送风方式在两个设备机房内的散热效果。

1 数值计算模型

1.1 设备机房和空调系统布置

如前文所述，相比于常规温差送风，大温差送风的送风量较小。为研究送风量小是否会对设备机房的散热效果产生影响，本文设计了两种不同结构的房间。第一种房间的结构和设备布置方式较为简单，称为“简单房间”；第二种房间的的结构和设备布置方式较为复杂，称为“复杂房间”。

简单房间的形状和设备布置如图1所示。房间的形状近似为长方形，长11.8 m，宽4.2 m，高2.6 m，房间的总发热量为36 kW。房间内有3个设备，高度均为2 m，其中2个为发热设备。两个发热设备的尺寸相同，长 9.3 m，宽 1.3 m，发热功率均为18 kW，平行排布于房间内。房间内有两个制冷功率为20 kW的空调柜机，分别放置在房间的两端(在图中用AC表示)。同时，为保证房间内部温度分布均匀，送风方式采用风管送风，每个空调柜机均设置了6个送风口，送风口尺寸均为300×200 mm，送风方向均为斜向下，与竖直方向成 30°。回风口位于空调柜机的下部，尺寸为 400×425 mm。考虑到房间内热负荷的不均匀性，每个送风口的送风量并不相同，位于房间中间风口的送风量较大，位于舱室边缘风口的送风量较小。

复杂房间的形状和设备布置如图2所示。复杂房间整体近似为梯形，长边长 11.5 m，宽 6.2 m，高2.6 m，房间的总发热量为18.84 kW。房间内共有11个设备，所有设备高度均为2 m，其中6个为发热设备。房间内设备布置较为复杂，其中发热量最大的设备为L形设备，两条边的长分别为4.5 m和4.2 m，宽为1 m，发热功率为10 kW。在房间的角落处放置了两个制冷功率为 10 kW 的空调柜机(在图中用AC表示)。与简单房间的送风方式相同，每个空调柜机设置了 4个送风口，送风口尺寸为300 mm×200 mm，送风方向均为斜向下，与竖直方向成 30°，每个风口的送风量并不相同。回风口位于空调柜机的下部，尺寸为300 mm×400 mm。

图1 简单房间数值计算模型示意图

图2 复杂房间数值计算模型示意图

1.2 送风参数和边界条件

对两个设备机房，分别设计了常规温差送风和大温差送风两种送风方式。两种送风方式保证空调系统的总制冷量相同，具体送风参数如表1和表2所示。设备机房内所有设备和空调柜机均放置于地面。发热设备的发热方式考虑为体内热源，热量通过除底面外所有的外表面传递到房间内。由于设备机房少有人员进入，房间的门窗为常闭状态，因此两房间的门窗在数值模型中均被忽略。由于设备机房的墙壁较厚，并具有保温功能，因此忽略机房与外界的热量交换，设备机房的墙壁、天花板和地板的边界条件均设置为绝热。

表1 简单房间送风参数

表2 复杂房间送风参数

1.3 网格划分和计算参数设置

本文根据计算流体力学和数值传热学的相关原理，采用标准k-ε湍流模型作为物理模型，对两个设备机房的空调送风情况进行数值模拟计算。对两个设备机房的空气区域和发热设备区域划分了网格，网格为四面体网格，3个方向的最大网格尺寸为0.1 m。简单房间的网格数为1,875,008，复杂房间的网格数为2,186,958。计算方式为稳态计算，当连续性方程、动量方程的残差小于10-4，能量方程的残差小于10-8且房间内空气温度不随迭代步数而变化时，可视为计算收敛，计算过程结束。

2 数值仿真结果分析

在计算中，将发热设备视为实心均匀体热源，忽略发热设备的内部结构，也不考虑设备发热不均和内部散热器对设备温度的影响，设备内部的温度分布与实际情况差距较大。因此，只对房间内空气的温度分布和空气流动情况进行对比和分析。为保证设备能正常工作，设备机房内空气的平均温度应该保持在30 ℃左右，且房间内温度的分布应尽量均匀。

2.1 简单房间的温度分布和空气流动情况

在常规温差送风工况下，房间空气平均温度为30.43 ℃；在大温差送风工况下，房间的空气平均温度为32.70 ℃，约有2 ℃的差距。简单房间在高度为1 m截面处的温度分布如图3所示。由于采用风管送风，房间内的温度水平方向分布比较均匀，两发热设备之间的过道处于送风口的直吹区域，大部分区域的空气温度在 30 ℃以下；设备两端的区域距离送风口较远，空气温度也能控制在35 ℃以下。

图3 简单房间高度1 m截面处温度场分布图

为了更直观地对比常规温差送风和大温差送风的空气温度，需要对简单房间某些位置的温度进行监测，监测点的位置如图 4(a)所示。其中，a-d监测点位于房间的过道区域，e监测点位于发热设备与墙壁间隙处，每个监测点的高度均为1 m。两种送风方式下不同监测点的空气温度如图4(b)所示，对于房间过道区域，不论采用哪种送风方式，过道中心处（b、c监测点）的温度都要略低于过道两端（a、d监测点），但两者差异不大，说明房间的温度均匀性较好。使用大温差送风后，a-d监测点的温度要略高于常规温差送风，不过仍能满足散热要求。考察发热设备与墙壁间隙处的高温区域，在两种送风方式下，e监测点的温度都明显高于其他位置，其中大温差送风的温度更高，达到了 40 ℃以上。这主要是因为间隙处空气流动不畅，具体原因将在后面进行分析。综上所述，对于简单房间，在保证房间内空气温度达到要求的情况下，可以使用大温差送风的方式，通过降低送风温度，减小空调机柜的送风量，有效减小送风系统的体积，并节省送风功率。

简单房间在两个送风工况下的空气流线如图 5所示，空气流线的疏密可以代表空气流动性的好坏。从图中可以看出，房间内过道处和发热设备上方的空气流动性很好，这两个区域的空气温度较低；而发热设备与墙壁间隙处的空气流动性较差，形成了局部高温区域。当采用大温差送风时，发热设备与墙壁间隙处的空气流动情况更加恶化，因此该区域的空气温度明显高于常规温差送风，这也是大温差送风情况下室内平均温度较高的原因。总体而言，两种送风方式下房间内的空气温度分布基本相同，只要对间隙处的局部高温区域采取特殊处理措施，就能保证设备在适宜的环境温度下工作。

图4 简单房间不同位置的监测点温度

图5 简单房间空气流线图

2.2 复杂房间的温度分布和空气流动情况

在常规温差送风工况下，房间的空气平均温度为28.02 ℃；在大温差送风工况下，房间的空气平均温度为29.18 ℃，约有1 ℃的差距。复杂房间在高度为1 m截面处的温度分布如图 6所示。从图中可以看出，与简单房间的情况不同，虽然复杂房间也采用风管送风，但房间内空气温度在水平方向的分布并不均匀。以 L形发热设备为界，分为内外两个温度区域。L形设备外侧区域的温度较低，空气温度基本在25 ℃以下；L形设备内侧区域的温度较高，温度基本在 30 ℃以上。复杂房间的局部高温区域也都出现在L形设备内侧区域，一个是L设备的内侧拐角处附近，另一个是房间右下角发热设备附近。这两个地方的空气流动性很差，发热设备产生的热量很难被带走，空气的最高温度可以达到50 ℃～60 ℃。

与简单房间一样，在复杂房间内也选取五个监测点，监测点的位置如图 7(a)所示。其中，a、b监测点位于 L形设备的外侧，c、d、e监测点位于 L形设备的内侧，每个监测点的高度均为1 m。两种送风方式下不同监测点的空气温度如图 7(b)所示，不论采用哪种送风方式，L形设备内侧的空气温度（c、d、e监测点）都明显高于外侧（a、b监测点），说明房间内温度均匀性不好。使用大温差送风后，L形设备的内外侧温差更大，房间的温度均匀性也更差。考察复杂房间的两个局部高温区域，常规温差送风条件下，L形设备拐角处（c监测点）和房间右下角发热设备附近（e监测点）的空气温度均为36 ℃左右；大温差送风条件下，两个高温区域的空气温度分别升高至 40 ℃和 42 ℃。综上所述，大温差送风条件下，由于送风量和送风速度较小，会导致室内空气温度的不均匀性变得更加明显，局部高温区域的空气温度更高。高温环境将对设备的正常工作产生严重影响，因此对于复杂房间，大温差送风的散热效果明显不如常规温差送风。

复杂房间在两个送风工况下的空气流线如图 8所示，空气流线的疏密可以代表空气流动性的好坏。可以看出，L形设备内侧的空气流动明显弱于外侧。而且在内侧流动的的空气中，大部分都是在设备上方流动，真正起到散热作用、在发热设备之间流动的空气很少。这种情况在大温差送风的情况下体现得更为明显。从图 8(b)可以看出，大温差送风情况下，L形发热设备内侧拐角处几乎没有空气流动，造成了该区域的局部高温。复杂房间内的设备较多且放置杂乱，房间内的空气流动受到设备的阻碍较大，容易形成散热死角和局部高温区域。在这种情况下使用大温差送风会使局部高温区域的情况恶化，其散热效果明显不如常规温差送风的情况。

图6 复杂房间高度1 m截面处温度场分布图

图7 复杂房间不同位置的监测点温度

图8 复杂房间空气流线图

2.3 数值仿真结果总结

根据数值仿真得到两个房间的温度分布和空气流动情况，可以发现大温差送风系统在两个房间的散热效果完全不同，如表3所示。

表3 设备机房散热情况

使用大温差送风后，设备机房的温度都略有上升。但如果考察房间的温度均匀性，使用大温差送风后，简单房间的温度均匀性仍然较好，大部分区域的温度能保持在 30 ℃以下；复杂房间的温度均匀性明显变差，L形设备内部区域可达到 40 ℃～50 ℃，这显然不能满足设备的工作要求。这说明，在设备布置较为简单、空气流动性较好的房间，大温差送风方式可以满足设备散热的需求，发挥其节能、节省空间的优势；但对于设备布置较为复杂，空气流动性较差的房间，大温差送风风速较小的缺点就凸现出来，造成房间内温度分布不均匀。大温差送风温度不均匀的问题可以采用一些措施进行缓解，比如更加合理地设置风管和风口的位置，加强房间内不同位置的空气循环流动；还可以采用一些局部高温处理方法，在温度较高的区域专门设置散热或制冷设备，降低该区域的温度。

3 设备机房局部高温区域处理方法

由于舱室空间和设备布置的限制，仅用空调送风的方式，设备机房内很容易形成局部高温区域。因此在空调送风的基础上，还需要采取一些措施对局部高温区域进行处理。简单房间的局部高温区域出现在两个设备与墙壁的间隙处，该处空间过于狭窄，从送风口送出的空气很难到达，导致空气流动不畅。针对这种情况，可以在间隙处的一端设置风机或风扇，加强设备与墙壁之间的空气流动。复杂房间的局部高温区域出现在两处，一处是L形设备的拐角内侧，另一处是位于房间右下角发热设备的周围。这两个区域位于设备或房间的角落处，不容易形成空气流动的通路，易形成散热死角，使用风机或风扇很难达到良好的散热效果。在这种情况下，可以在该区域安装换热器（如热管换热器），将局部高温区域的热量通过换热器传递到室外或室内的开阔区域。此外，针对复杂房间空气温度分布均匀性较差的情况，可以采用新回风混合的方式进行送风，通过增大送风量的方法使室内的温度分布更加均匀。

4 结论

本文以两个不同结构的设备机房作为研究对象，依照实际尺寸建立三维几何数值模型。应用标准湍流模型作为物理模型，分别采用常规温差送风和大温差送风两种送风方式，对房间内的温度分布和空气流动进行数值模拟计算，得到以下结论。

1）在相同的空调柜机制冷量下，相比于常规温差送风，大温差送风情况下房间顶部的空气温度稍低，房间底部的空气温度稍高，空气温度分布纵向的均匀性稍差。

2）对于设备较少且布置方式比较整齐的房间，房间内的空气流动性较好，使用大温差送风可以达到与常规温差送风相同的效果；但对于设备较多且布置杂乱的房间，房间内的空气流动受到极大阻碍，容易形成散热死角和局部高温区域，在这种情况下使用大温差送风会使局部高温区域的情况恶化，散热效果明显不如常规温差送风的情况。

3）对于房间内出现的散热死角和局部高温区域，可以采用增加送风口、设置换热器等措施进行处理。对于采用大温差送风后房间温度均匀性较差的情况，可以使用新回风混合的方式，通过增大送风量的方法使室内温度分布变得均匀。