引言在高大空间的工业厂房内，受到温度分层现象的影响，工作区的温度难以得到保障，冬季采暖方式的选择至关重要。在采暖方式的选择上，主要应考虑以下几个因素：人体的舒适性、节能效果和室内空气质量等。目前不少大型工业厂房的采暖优先使用普通散热器来采暖，主要考虑普通散热器的性能稳定并且价格便宜，但也有一些关于采用高温辐射采暖的尝试，对于热源的要求要更高[1-2]。对于空间比较大的厂房，出现温度分层的现象主要是由于空气的密度差造成的，只依靠散热器或者辐射采暖是很难达到厂房的设计温度。以往的研究表明，在设计中按照计算的负荷布置足够的散热器也很难达到理想的采暖效果，采用暖风机时送风方式较为重要，高大厂房有必要考虑热风射流机组的气流组织模式[3-4]。近十年来，暖风机采暖和热水辐射板采暖在工业厂房中的应用得到了发展，其中热水辐射板采暖成本相对偏高，而暖风机主要是通过强制对流方式来加热高大厂房的室内空气来进行供暖的。由于增加了空气之前的掺混作用，室内空气温度更加均匀，能源的有效利用率明显提升 [5-6]。为找出工业厂房最为经济合适的采暖方式，本文以某橡胶厂房为研究对象，建立了散热器采暖方式、暖风机采暖方式、暖风机和散热器组合采暖方式的物理模型，对室内垂直、水平方向温度场进行数值模拟分析，找出更为合理的室内温度场，也为以后类似的工业厂房采暖的设计提供了一定的参考。1工程实例概况1.1工程实例的建筑设计概况本工程是位于辽宁省沈阳市的三橡有限公司胶管3#车间，厂房尺寸为长110 m、宽22 m、高9 m，厂房内冬季室内设计温度为18 ℃。本工程的原始供暖设计是采用普通的散热器作为供暖设备，采暖系统为单管、上供下回、同程式系统。由附近的锅炉房提供采暖，本文通过增加暖风机采暖方式、暖风机和散热器组合采暖方式与之进行对比分析。1.2热负荷计算工业厂房的热负荷主要来自其外墙外窗的基本耗热量、附加耗热量、冷风渗透的耗热量、外门开启带入冷风的耗热量[7]。沈阳地区冬季室外采暖的计算温度为-16.9 ℃ ，冬季的计算平均风速2.6 m/s，计算热负荷如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.001.T001表1胶管3#厂房的热负荷项目高度/m总面积/m2热负荷/kW新风热负荷/kW总热负荷/kW热指标/(kW/m2)数值92 42031103111291.3采暖方式及参数现对厂房分别采用散热器采暖、暖风机采暖（暖风机采暖分平行送风和吊顶下送两种模式）、暖风机和散热器组合采暖方式计算所需设备参数及数量 [8]。1.3.1散热器数量根据设计要求，本系统的散热器采用钢管柱形散热器型SQGZ609，散热器高度600 mm，标准热量 281 W/片。 厂房室内温度达到18 ℃时，需要散热器的片数为1 400 片。1.3.2边墙暖风机数量边墙暖风机参数如表2所示。单台实际散热量（Qd）可计算为：Qd=(tpj-tn)/(tpj-15)(1)10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.001.T002表2边墙暖风机参数项目热媒平均温度 tpj/℃设计条件下进风温度tn/℃额定散热量/kW单台实际散热量/kW房间热负荷/kW系数计算热负荷/kW计算台数/台选用台数/台数值82.5181817.23111.340423.5241.3.3吊顶暖风机台数吊顶暖风机参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.001.T003表3吊顶暖风机参数项目热媒平均温度tpj/℃设计条件下进风温度tn/℃额定散热量/kW单台实际散热量/kW房间热负荷/kW系数计算热负荷/kW计算台数/台选用台数/台数值82.5182422.933111.340417.6181.3.4暖风机和散热器组合采暖在暖风机+散热器联合采暖时，散热器采暖热负荷占总负荷的25%，其余负荷由吊顶式暖风机来承担，暖风机和散热器的型号同上。 厂房室内温度达到 18 ℃时，需要散热器的片数为 280 片，吊顶式暖风机为 11台。2工业厂房不同采暖方式的模型使用FLUENT软件来模拟和分析复杂工业厂房不同采暖方式的流体流动和传热现象，按照设计思路建立工业厂房与供热系统的物理模型与边界条件，利用Fluent提供的网格自适应特性，在求解过程中根据计算结果优化网格，利用其强大的前后处理功能进行数据处理[9]。2.1物理模型本文所使用的CFD物理模型按照胶管3#厂房等比例建立，并在模型中添加几种常规的采暖方式。为便于分析，减少不必要的计算量，对物理模型进行合理的简化。根据简化条件，建立了厂房采暖的二维模型。（1）模型中涉及材料比热、导热系数及密度为常数，不随温度发生改变；（2）考虑到工业橡胶厂房长宽比够大，沿纵向截面的温度场和速度场近似，可以简化为二维模型；（3）假设橡胶厂房内部空间的各表面均为漫反射表面；（4）厂房内无高大设备，不考虑内部热流密度；（5）厂房内部的空气为不可压缩流体；（6）假设厂房外围护结构表面对流换热系数恒定；（7）厂房模型的传热过程为稳态传热过程。所建立物理模型的网格划分质量对数值模拟计算结果的准确性具有重要的影响。本文建立的物理模型在网格划分采用不规则四面体网格（PAVE划分），在复杂的局部区域进行加密，网格数量共计59万个。工业厂房采暖模型的网格划分如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.001.F001图1工业厂房采暖模型的网格划分工业厂房的外围护结构参数如下：（1）外墙采用290 mm厚混凝土空心砌块，附加60 mm厚聚苯乙烯保温，外墙的计算传热系数 K=0.47 W/(m2·K)；（2）外门和外窗采用单框双玻璃的塑钢门窗，其传热系数 K=2.80 W/(m2·K)；（3）屋面的混凝土屋面采用75 mm厚聚苯乙烯挤塑保温板，钢屋面采用100 mm厚的玻纤棉毡保温，计算传热系数 K=0.365 W/(m2·K)。2.2数学模型数值模拟的控制方程如式（1）～式（4）所示：（1）连续性方程∂ρf∂t+∂(ρfu)∂x+∂(ρfv)∂y+∂(ρfw)∂z=0 (2)式中：u、v、w——分别为3个方向的速度分量，m/s；ρf——流体密度，kg/m3。（2）动量守恒方程∂(ρfv)∂t+∂(ρfv)∂y=∂∂yμ∂v∂y-∂p∂y+Sv (3)可以将空气看成不可压缩流体，对公式（2）进行简化：∂(ρfv)∂t+∂(ρfv)∂y=∂∂yμ∂v∂y-∂p∂y (4)式（4）中：p——压强，Pa。（3）能量守恒方程∂(ρfTf)∂t+∂(ρfuTf)∂x+∂(ρfvTf)∂y+∂(ρfwTf)∂z=∂∂xkcf∂Tf∂x+∂∂ykcf∂Tf∂y+∂∂zkcf∂Tf∂z+ST (5)式（5）中：Tf——流体的温度，K；k——对流换热系数，W/(m2·K)； cf——流体的定压比热容，kJ/(kg·K)。2.3边界条件和初始条件（1）工业厂房地板保温良好，向下无热损失；（2）外墙、外窗与屋顶的外部环境温度为-16.9 ℃；（3）工业厂房的初始温度为18 ℃。2.4求解过程在CFD模拟软件中启动2D求解器，读入网格信息并检查网格质。选择标准k-ε湍流模型，压力项选取Standard格式，压力速度耦合项选取Simple算法，求解能量方程选取一阶迎风差分格式，模型中的一般性参数采用默认设置，跟踪监测残差曲线，进行网格独立性检查，进行计算结果的比较分析。3模拟结果分析与讨论按照《工业企业设计卫生标准》（GBZ1—2010）的要求，本文主要从厂房内垂直方向上的温度梯度以及工作区的温度来衡量采暖形式的综合效果。3.1普通散热器采暖方式模拟得到在普通散热器采暖方式下厂房内部的温度场如图2所示。由图2可知，当厂房采用散热器对厂房进行供暖时，房间的温度分布相对均匀，垂直方向和水平方向的温度梯度较小，散热器周围的温度较高，附近温度场大体均匀，高于设计温度。但是厂房中间区域的温度约 10 ℃左右，不能满足采暖的室内设计要求温度。由此可见，散热器采暖不适合宽度方向跨度较大的厂房，但当厂房的跨度不大的时候，使用普通散热器进行采暖，所散发的热能能够大概形成合理的温度场，基本满足室内工作区的温度要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.001.F002图2普通散热器采暖方式的温度场3.2边墙暖风机平行送风与吊顶送风采暖方式模拟得到边墙暖风机平行送风方式的温度场如图3所示，吊顶送风方式的温度场如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.001.F003图3边墙暖风机平行送风方式的温度场10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.001.F004图4吊顶暖风机送风方式的温度场由图3可知，采用边墙暖风机平行送风为厂房采暖时，厂房内的垂直方向的温度梯度较小；但水平方向温度梯度较大。厂房内两边空间的温度都保持在21 ℃左右，但是中间区域温度较低，这是因为厂房中间位置处于射流的末端。总体来看，当厂房采用边墙暖风机采暖时，暖风机出口风速及其射程起着至关重要的作用。若暖风机出口风速及射程选择合理，厂房宽度方向跨度不大时，厂房内温度可达到要求，暖风机的采暖是较为合理的采暖方式。由图4可知，在使用吊顶暖风机采暖时，厂房内暖风机正下方的温度一般都在25 ℃左右，而厂房底部的平均温度为10 ℃左右，不能满足房间温度的要求。房间中间的平均温度为17 ℃，房间内垂直方向和水平方向的温度梯度均比较大，温度分布不均匀。由此可见，若厂房高度高时，吊顶暖风机由于底部温度较低，不能满足厂房温度的要求。3.3散热器+吊顶暖风机联合采暖模拟得到散热器+屋顶暖风机采暖方式的温度场如图5所示。由图5可知，采用散热器+屋顶暖风机采暖时，厂房内暖风机正下方的温度一般都在24 ℃左右，房间中间的平均温度为18 ℃，而厂房底部的平均温度在18 ℃左右。厂房在使用散热器+吊顶暖风机采暖时，垂直方向上和水平方向的温度梯度最为理想。在普通散热器+吊顶暖风机组合采暖时，不仅克服了前两种方案在水平方向上产生的温度梯度较大的问题，也克服了只有吊顶暖风机采暖时产生的垂直方向上底部温度达不到要求的缺点。所以，散热器+暖风机采暖适用于跨度大和高度较高的厂房。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.001.F005图5散热器+吊顶暖风机采暖方式的温度场4结语通过建立某工业橡胶厂房的物理模型，分别对采用散热器采暖、暖风机采暖、暖风机和散热器组合采暖进行设计计算，对3种采暖方式进行室内温度场数值模拟分析，得到如下结论；（1）采用普通散热器采暖方式和边墙暖风机平行送风采暖方式时，容易造成水平方向上温度梯度较大，厂房中部区域的温度达不到设计要求。（2）采用吊顶暖风机采暖方式时，厂房底部的温度较低，不能满足车间内温度的需要。（3）对于大跨度空间的厂房而言，使用普通散热器+吊顶暖风机联合采暖，可以克服常规方案所产生的缺点，能够获得较好的室内温度场，满足厂房内温度的设计要求。