上海市安装工程集团有限公司-

某高精度恒温实验室改造前

温度仿真模拟研究

冯强  汤毅  曹晓程  朱杰克  刘潇晗

（上海市安装工程集团有限公司，上海，200080）

摘要：在高精度恒温实验室建设过程中，应采用有效的数字化手段来预测建设后的温度场分布，从而在施工前提高发现设计缺陷，避免不必要的返工。本文就某大学高精度恒温实验室在建设后发现的温度偏差问题，运用数值仿真的方式揭示了温度的偏差，通过与实测对比，为改造提供了基础支撑。

关键词：仿真，数字化，温度        

中图分类号：TU831

1.工程概况

某大学某地下实验室按照其功能要求，应达到温度精度为±0.3℃，而根据原始设计方案，在校方自主招标的施工单位建设后，其温度测试达不到设计要求（测试结果最高温/最低温为23.6℃/22.8℃，接近±0.4℃，见表1），因此在设计的前期应该通过数字化仿真的方法进行模拟，对可能存在的弊端进行及时修改，以避免施工后发生的改造，从而发生的工期和成本浪费。本案在改造前，由于校方的要求，需要改造方在改造前通过数值模拟预测原方案的不足之处，以观察改造单位的设计和施工能力。

由于恒温的要求，根据规范要求该实验室处于地下一层^[1-2]，本案所及的实验室东侧为走廊，南侧为楼梯间，西侧墙与土壤连接，北侧为空调机房。实验室分为南北2间，中间有一道可连通的门，共用1个空调机组（位于北侧空调机房内）。气流组织参考同类工程采用上侧送风，下侧回风的形式^[3]，送风口尺寸为1050mm*750mm，回风口尺寸为600mm*500mm，回风口底部距离地面120mm。北侧房间和南侧房间的吊顶上分别安装8个和16个分布不均匀的送风口，见图1（a），北侧房间的西墙和南墙布置10个回风口，其余2面墙上无回风口，见图1（b）。南侧房间的西墙、南墙和东墙共布置21个回风口，北墙无回风口。

图1  风口的布置形式

2.暖通参数选定（边界条件）

为了验证当前的空调设计方案是否能满足高精度温度控制要求，使用数值模拟软件对实验室的室内环境进行冬季工况下的模拟。根据房间功能，室内空调温度设置为20℃。空调机组所能提供的最大风量为33600 m³/h（设计说明），在进行数值模拟时，假定机组送入室内的风量恒定不变，始终为33600 m³/h，且所有送风口的风量均一致（24风口，每个风口建模时考虑孔板均匀送风），为1400 m³/h，可推算出单个风口的送风速度恒定为0.49m/s。由于设计未给出空调箱的具体送风温度，按照室外温度（包括空调机房温度、走廊温度、楼梯间温度等）计算得到实验室的室内热负荷为21386.4W，推算得出保持室内温度20℃（参考设计说明）需要的送风温度为21.9℃，边界条件设置根据工程实测结果，见表2所示。实验室的数值模型如图2所示，数值模型中高出屋面的矩形导风管设计是为了使送入室内的风先经过吊顶的孔板后再进入室内，如此设计的数值模型更符合实际情况。模拟中送风温度可能因空调机组的水温波动而产生细微的波动，本案中忽略此影响。
 

图2   实验室数值模型示意图（中间橙色部位为连通的门）

3 数值模拟分析

3.1北侧房间温度仿真分析

首先分析北侧房间操作台附近的温度分布情况。北侧房间中心位置操作台的X方向中心截面、Y方向中心截面和Z方向1m高度处、1.5m高度处的温度云图如图3所示。可发现北侧房间中心位置操作台的X方向中心截面（图3（a）温度云图）的温度差异较小，而Y方向中心截面的温度差异较为明显。提取数值模拟结果，得到X方向中心截面上的操作台上方0.5m高度内（即从操作台桌面高度1m处开始，向上0.5m的空间）的2根垂直温度测线的平均温度，测线位置如图3（a）所示，2根测线之间的距离为1.8m，测线1上各点空气温度的平均值为21.02℃，测线2上各点空气温度的平均值为21.60℃，温差为0.58℃，勉强满足高精度温度控制要求（±0.3℃）。以上数值模拟采用的是最优工况，现场需要考虑围护结构绝热质量、送风的温度波动、送风均匀性波动、外环境极端温度更低等要素，最终可能使得实际的室内温度分布均匀性劣于数值仿真结果，因此测线1和测线2之间的温差可能大于0.3℃，初步判定可能难以满足高精度温度控制要求。

取操作台Y方向中心截面上2根温度测线，2根测线之间的距离为5.3m，桌面上方0.5m高度内的测线3上各点空气温度的平均值为21.75℃，测线4上各点空气温度的平均值为20.96℃，2根测线之间的温差为0.79℃，明显不满足要求。这种现象是由较差的围护结构保温性能（围护结构采取普通的隔墙，未做保温绝热，且室外环境未采用空调维持与室内的恒定小温差）和不合理的送风口和回风口设计（送风口和回风口布置不均匀对称，导致送风和回风的不均匀）共同导致。

图4为北侧房间部分位置的速度矢量图，从图中可发现北侧房间靠近东北角的送风口送入室内的气流主要流向房间的西侧和南侧，这是由于这两面墙上存在回风口，而北侧房间的北墙和东墙上无回风口，且北墙和东墙与室外低温环境相连，墙面的温度较低，最终导致房间东北角处的温度明显低于该房间内其余位置的温度。依据上述分析，操作台东北角的温度较低，因此，统计操作台东北角处测线NE-1（如图3（c）所示）上各点空气温度的平均值，该测线上从桌面开始向上0.5m高度内各点的空气平均温度为20.92℃，另外，操作台西南角的温度较高，该位置的垂直温度测线SW-1各点的空气平均温度为21.62℃，由此可知，北侧房间的操作台上0.5m高度空间内的最大温差超过0.7℃（即±0.35℃），与设计要求±0.3℃有差距。

图4  北侧房间速度矢量图

3.2 南侧房间温度仿真分析

其次分析南侧房间2个操作台附近的温度分布情况。操作台X方向中心截面、Y方向中心截面和Z方向1m高度处的温度云图如图5所示。南侧房间的温度均匀性优于北侧房间，这是因为南侧房间的3面墙壁上均布置回风口，室内气流较为均匀，送风口送入室内的气流能均匀地送到房间各处。其余一面未布置回风口的北墙与北侧房间相连，由于南北两个房间之间的温差较小，因此，通过该墙面传递的热量基本上可以忽略不计，最终使得室内温度较为均匀。

靠近西墙的操作台的X方向中心截面温度云图如图5（a）所示，该截面上桌面上方0.5m高度空间内的垂直温度测线5上各点空气温度的平均值为21.88℃，测线6上各点空气温度的平均值为21.36℃，温度差为0.52℃，基本满足要求，但和上述房间分析一样尚未考虑送风波动温差。靠近东墙的操作台的X方向中心截面温度云图如图5（b）所示，垂直温度测线7的平均温度为21.75℃，温度测线8的平均温度为21.33℃，温度差为0.42℃，满足温度控制要求。

如图5（c）所示，2个操作台Y方向中心截面的垂直温度测线9、测线10、测线11和测线12的平均温度分别为21.78℃、21.71℃、21.62℃和21.48℃，2个操作台在该方向上的最大温差为0.3℃，满足设计要求。另外，南侧墙壁与温度较低的楼梯间（0℃）相连，东侧墙壁与走廊相连，导致南侧房间东南墙处存在明显的低温区域，因此，如图5（d）所示，提取靠近东墙操作台的东南角的测线SE-2上各点空气温度的平均值，为21.15℃，另外，靠近西墙操作台的西北角的测线NW-2上各点空气温度的平均值为21.83℃，由此可知，南侧房间操作台上的最大温差为0.68℃，小于北侧房间的最大温差（0.7℃），但也与高精度温度控制要求有差距。

图5 南侧房间操作台温度云图

4 结语

本文揭示因围护结构导致的实验室温度最大偏差在±0.35℃（偏离设计要求±0.3℃），而实测温度偏差为±0.4℃，这是由于仿真中未加入送风口的微小温度波动导致的。在后续的改造中通过吊顶满布高效过滤口，同时加设回风口来实现送回气流组织的均匀；同时靠楼梯间侧墙体加设保温层以增加建筑热惰性；采用空调水系统电动温控阀门以精准控制水温等方案，最终实验室改造结果经过校方委托的第三方测试，精度达到±0.2℃，满足交付要求。

参 考 文 献

[1]  T_CECS 644《恒温恒湿实验室工程技术规程》[S],2019,北京.

[2] 曹国庆,汪洪军,袁艺荣,等．T_CECS 644-2019《恒温恒湿实验室工程技术规程》解读[J]．暖通空调,2022,52(7):26~30.

[3] 俞丽华，汪洪军. 恒温恒湿科学实验室的空调系统设计[J]．制冷与空调，2018，10（5）：511~514.