采用向背风侧倾斜风机风筒减小下沉空间横风下机械通风冷却塔组回流空气（Air Recirculation）的方法

《Case Studies in Thermal Engineering》：A method to reduce air recirculation of the mechanical draft cooling tower row in sunken space under crosswind by tilted fan ducts

　　

摘要：空气回流（Air Recirculation）是横风下机械通风冷却塔（Mechanical Draft Cooling Tower, MDCT）的常见问题，会导致进口空气湿球温度（Wet Bulb Temperature, WBT）升高。出于城市景观与噪声控制需求，部分冷却塔需安装于下沉空间（Sunken Space），由于冷却塔周边空间受限，即便增设竖向风机风筒（Vertical Fan Duct, VFD），仍更易在横风下发生空气回流。本研究提出一种减小空气回流的新方法——采用相对盛行风向背风侧微倾斜的风机风筒（Tilted Fan Duct, TFD）替代竖向风机风筒（VFD）。研究人员建立了三维数值模型，以捕捉下沉空间内三台一字排列冷却塔计算域内的流动及传热传质特性。数值结果表明：在夏季平均风速下，经改造后，90°与45°风向时三台塔背风侧进口空气平均湿球温度分别降低0.8°C与0.7°C；同时，平均总空气回流率（Air Recirculation Rate, ARR）于90°与45°风向时分别降低4.73%与4.28%；改造后三台塔平均冷却能力于90°与45°风向时分别提升4.6%与4%。

论文解读——《A method to reduce air recirculation of the mechanical draft cooling tower row in sunken space under crosswind by tilted fan ducts》

该论文发表于《Case Studies in Thermal Engineering》。机械通风冷却塔（Mechanical Draft Cooling Tower, MDCT）是建筑中央空调及工业冷却水系统中重要的散热设备，其冷却性能受进口空气湿球温度（Wet Bulb Temperature, WBT）和风量影响。在横风或安装空间受限情况下，排出的湿热空气被重新吸入塔体进风口，即发生空气回流（Air Recirculation），会使进口空气WBT升高从而降低冷却性能，还会加剧可见羽流（白烟）现象。近年出于城市景观与噪声控制要求，部分MDCT被安装在顶部开敞或带围板的下沉空间（Sunken Space），此类空间四周受限，排出气流易被横风卷吸回流入风口，比地面开放式布置回流更严重。传统措施是在MDCT出口加设竖向风机风筒（Vertical Fan Duct, VFD）将排风口抬高以减少回流，但在下沉空间中受景观与抗风要求限制风筒不能过高，且齐平地面的短VFD在横风下仍无法有效抑制回流。此前针对下沉空间MDCT空气回流的有效改善措施研究较少，因此Chen Xiao等人提出将VFD改为向盛行风向背风侧微倾斜的风机风筒（Tilted Fan Duct, TFD），通过三维CFD数值模拟验证其对减小横风下空气回流、改善冷却性能的效果。

主要关键技术方法

研究人员以某城市办公楼空调系统下沉空间内三台相同逆流式方形MDCT（单台4.0 m × 4.0 m × 5.0 m，风机直径3.0 m，循环水流量400 m3/h，进水温度37°C）为对象，下沉空间尺寸20 m(长)×8 m(宽)×6 m(高)，地上计算域55 m×58 m×40 m。对比方案为：顶部齐平地面的VFD（高1 m，垂直）与向背风侧倾斜15°、高1 m的TFD（斜圆柱）。采用标准k-ε湍流模型结合Boussinesq假定求解稳态RANS方程，MDCT内部填料区采用NTU-Ω（Number of Transfer Units—传热传质单元数｜冷却能力）法计算出口水温、气温及含湿量，风扇用MRF（Multiple Reference Frame）模型及Fluent风扇压力跃变曲线模拟，填料压降按经验公式给定。入口边界采用指数风剖面（参考高度10 m，夏季平均风速3.5 m/s），环境空气干球温度31.5°C、WBT 28°C，考察90°（正东风）与45°（东南风）两种横风方向。网格独立性检验选用约372万网格，并通过实地两座下沉空间MDCT现场测试数据（进风温度、出水温度、通风量）验证模型可靠性（最大偏差≤1.70%）。空气回流率（Air Recirculation Rate, ARR）采用基于焓平衡的算式ARR=(h_in?h_a)/(h_out?h_a)×100%。

研究结果

3.1. Ventilation rate（通风量）

研究人员对不同塔间距（D=1 m、2 m、2.5 m）进行模拟，发现横风下MDCT通风量随塔间距增大略有上升，故选用D=2.5 m（两端距下沉空间端墙1.5 m）。90°风向下三台塔通风量接近；45°风向下最上游#1塔通风量明显低于下游#2、#3塔（分别低约1.41 kg/s和2.5 kg/s），原因是斜向风在一定程度上抑制最上游塔从地面吸气，而下游受上游射流遮挡此抑制减弱。

3.2. External airflow characteristics（外部气流特征）

通过对穿过#2塔射流近场边缘的A-A截面速度矢量与含湿量分布分析，研究人员发现VFD排出射流近场在横风卷吸下于下沉空间顶部形成湿热涡流，部分被吸回下沉空间；改用TFD后，因风筒有15°倾角使排出湿热气流具备水平动量分量，射流偏转更显著，更少湿热空气被吸入下沉空间而更多流向地上背风区，从而削弱空气回流。研究指出若倾角＞15°，垂直动量减少导致的回吸促进作用将超过水平动量带来的抑制效果，故选定15°为优化倾角。

3.3. Air recirculation at leeward side（背风侧空气回流）

沿背风侧三台塔进风口所在B-B截面的含湿量及温湿度分析显示，TFD使下沉空间背风侧进口空气平均含湿量、干球温度、焓及WBT均显著降低——90°风向时背风侧平均进口空气WBT由28.87°C降至28.07°C（降0.80°C），45°风向时由28.82°C降至28.12°C（降0.70°C）。这是由于TFD排出湿热气流具水平速度分量，减少了被吸回下沉空间的湿热气量。

3.4. Air recirculation rate（空气回流率）

整体ARR（取四侧进风口平均焓计算）与背风侧ARR（取背风侧进风焓计算）对比表明：背风侧ARR普遍高于整体ARR，且45°风向下#1塔背风侧ARR明显低于下游#2、#3塔（受斜风携带上游湿热气影响）。VFD方案下背风侧ARR在90°风向平均达12.7%，45°风向#2、#3塔平均达15.32%，超出英国标准建议限值12%；改用TFD后，90°风向背风侧ARR均值降至1.49%（降幅约11.21%），45°风向#2、#3塔背风侧ARR均值降至3.25%（降幅约12.07%）；整体ARR于90°与45°风向分别由5.20%降至0.47%和由4.65%降至0.37%（分别降低4.73%与4.28%）。ARR与进口空气焓降低使填料内NTU增大、水蒸发增强，三台塔平均水温降于90°与45°风向分别增加0.23°C与0.20°C，对应平均冷却能力分别提升4.6%与4.0%。

讨论与结论翻译

研究表明：(1) 下沉空间内MDCT通风量随塔间距增大略增，45°风向下最上游塔通风量明显低于下游塔。(2) 相比VFD，TFD改造后塔顶更少湿热空气被吸入下沉空间。(3) TFD改造使背风侧平均进口空气WBT于90°与45°风向下分别降低0.8°C与0.7°C。(4) TFD使90°风向下背风侧平均ARR降低11.21%，45°风向下#2、#3塔背风侧平均ARR降低12.07%；整体ARR于90°与45°风向下分别降低4.73%与4.28%；平均水温降于90°与45°风向下分别增加0.23°C与0.20°C。该方法适用于盛行风向不反向的情形；盛行风向多变时需开发更灵活方案。未来可对冷却塔内部传热传质做精细化数值模拟以直观呈现内部温湿度分布。