輻射供冷方式室內(nèi)舒適性數(shù)值模擬

康麗艷，張智文，張啟林

（上海海事大學(xué)，上海201306）

輻射供冷方式室內(nèi)舒適性數(shù)值模擬

康麗艷，張智文，張啟林

（上海海事大學(xué)，上海201306）

輻射供冷系統(tǒng)中輻射板的布置位置對人體舒適性有較大的影響。本文以輻射板-置換通風(fēng)空調(diào)房間為例，采用計(jì)算流體力學(xué) （CFD）軟件，運(yùn)用兩方程湍流模型進(jìn)行模擬，比較6種組合方式下的室內(nèi)熱濕環(huán)境。研究結(jié)果表明，輻射板布置在頂板或者墻面與置換通風(fēng)組合的供冷方式均能滿足人體舒適度要求，地板輻射供冷與置換通風(fēng)結(jié)合供冷方式舒適性較差，單獨(dú)頂面輻射+置換通風(fēng)這一組合方式是6種組合方式中最舒適的方式。

輻射供冷；置換通風(fēng)；溫度分布；速度分布

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人們對室內(nèi)熱濕環(huán)境的要求也越來越高，并且大量數(shù)據(jù)表明，人們在室內(nèi)的時(shí)間不斷增加，使得暖通空調(diào)系統(tǒng)提供良好的室內(nèi)熱濕環(huán)境變得很重要。輻射板-置換通風(fēng)系統(tǒng)在提高室內(nèi)品質(zhì)和提高熱舒適性方面具有一定的優(yōu)勢，從而得到業(yè)界人士的關(guān)注。但是輻射供冷系統(tǒng)的結(jié)露問題限制了冷輻射技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用［1］，研究人員［2］主要針對輻射板布置在頂板的方式進(jìn)行研究，對地板以及墻面輻射板供冷的研究很少。本文將對地板式、墻面式以及頂板式的情況進(jìn)行研究，采用FLUENT軟件對該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對6種組合方式下的熱濕環(huán)境進(jìn)行比較，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 模擬房間幾何模型

某建筑位于上海地區(qū)，進(jìn)行模擬計(jì)算的空調(diào)房間，四面為內(nèi)墻，見圖1；房間大小為5000mm× 4000mm×3600mm，兩個(gè)回風(fēng)口在后墻的上部，左右對稱布置，風(fēng)口上邊距頂棚100mm，回風(fēng)口的大小為1000mm×1000mm。兩個(gè)送風(fēng)口在前墻的下部，風(fēng)口大小為1000mm×1000mm，左右對稱布置，內(nèi)熱源包括人體散熱和照明散熱。

2 模擬計(jì)算條件

（1）房間內(nèi)的氣體流態(tài)為穩(wěn)態(tài)湍流；

（2）房間內(nèi)空氣為不可壓縮氣體，符合Boussinesq假設(shè)考慮重力作用；

（3）墻體：由于內(nèi)墻的傳熱量很小，與室內(nèi)的熱負(fù)荷相比可以忽略，故模擬時(shí)不考內(nèi)墻的傳熱；所有壁面絕熱；

（4）內(nèi)熱源采用固定熱流密度的方法；

（5）其他邊界條件見表1。

圖1 模擬房間幾何模型

表1 邊界條件的設(shè)置

3 數(shù)學(xué)模型

室內(nèi)空氣的控制方程［3］

式中各通量的意義見表2，每一行對應(yīng)一個(gè)方程。其中t是時(shí)間，ρ是密度，μ是速度矢量。

表2 各符號的意義

在表2中，μeff=μ1+u1，μ1為層流粘滯系數(shù)；

各常數(shù)分別為C1=1.44，C2=1.92，CD= 0.09，σk=1.0，σε=1.3；μj代表三個(gè)不同的坐標(biāo)下的速度分量，i=1，2，3即動(dòng)量方程為三個(gè)方程。

4 模擬結(jié)果分析

根據(jù)所設(shè)定的邊界條件及計(jì)算參數(shù)，對不同組合方式下的復(fù)合供冷模型進(jìn)行模擬分析。取房間內(nèi)豎直截面x=2.5m和水平截面z=1m作為分析面，通過分析6種組合下的豎直溫度分布、速度分布和水平下的溫度分布、速度分布情況，比較其舒適性，找出最佳組合方式。

圖2 頂面輻射板+置換通風(fēng)組合的溫度速度分布圖

通過模擬計(jì)算，6種不同組合情況下x= 2.5m截面處的溫度、速度分布情況如圖2～圖7所示。

對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到：

（1）頂面輻射板+置換通風(fēng)組合 （見圖2），在豎直方向上，溫度分布上沒有明顯的分層現(xiàn)象，除了局部區(qū)域有影響，室內(nèi)溫度分布都很均勻。在該組合下豎向溫度梯度和橫向溫度梯度都小于1K，在BSEN ISO 7730 1995［4］中規(guī)定，在人體活動(dòng)區(qū)域，豎向溫度梯度在3K左右，橫向溫度梯度在1K左右，基于滿足舒適度要求。從速度分布圖上，可以看出室內(nèi)主導(dǎo)氣流是熱源產(chǎn)生的熱羽流，熱源附近的空氣流速較大，但速度在0.2m/s左右，其余部分的區(qū)域的氣流速度都在0.1m/s以下，同時(shí)由于送風(fēng)溫度高，因此不會(huì)使人體有吹風(fēng)感。

（2）地面輻射板+置換通風(fēng)組合 （見圖3）在豎直方向上，溫度分布上有明顯的分層現(xiàn)象，豎直方向上有較大的溫度梯度，靠近地板處的溫度最低，呈倒溫度梯度分布，該組合在人體活動(dòng)區(qū)域豎向溫度梯度小于3K，橫向溫度梯度小于1K，基本滿足舒適度要求。但是由于地板溫度過低，給人以“頭暖腳涼”的不舒適感。并且結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)也比較大。從速度分布圖上，可以看出室內(nèi)主導(dǎo)氣流是熱源產(chǎn)生的熱羽流，熱源附近的空氣流速較大，速度高于0.25m/s，其余部分的區(qū)域的氣流速度都在0.1m/s以下，送風(fēng)溫度高，因此不會(huì)使人體有吹風(fēng)感。

（3）左側(cè)墻輻射板+置換通風(fēng)組合 （見圖4）在豎直方向上，溫度分布上有明顯的分層現(xiàn)象，室內(nèi)溫度分布相對于地面輻射板較均勻。在該組合下豎向溫度梯度和橫向溫度梯度都小于1K，基本滿足舒適度要求。從速度分布圖上，可以看出室內(nèi)主導(dǎo)氣流是熱源產(chǎn)生的熱羽流，熱源附近的空氣流速較大，速度在0.25m/s左右，其余部分的區(qū)域的氣流速度都在0.1m/s以下，送風(fēng)溫度高，因此不會(huì)使人體有吹風(fēng)感。

圖3 地面輻射板+置換通風(fēng)組合的溫度速度分布圖

圖4 左側(cè)墻輻射板+置換通風(fēng)組合的溫度速度分布圖

圖5 左側(cè)墻面輻射板+頂面輻射板+置換通風(fēng)組合的溫度速度分布圖

圖6 左側(cè)墻面輻射板+地面輻射板+置換通風(fēng)組合的溫度速度分布圖

圖7 左側(cè)墻面輻射板+右側(cè)墻面輻射板+置換通風(fēng)組合的溫度速度分布圖

（4）將其兩兩組合后，分析室內(nèi)的溫度分布和速度分布，可以發(fā)現(xiàn)，采用左側(cè)墻輻射板+頂面輻射板+置換通風(fēng)組合 （見圖5）的房間無論豎直還是水平方向上溫度分布沒有明顯的分層現(xiàn)象。但是它在熱源整個(gè)右側(cè)區(qū)域的速度分布超過了0.2m/s。沒有單獨(dú)頂部輻射+置換通風(fēng)組合和單獨(dú)墻面輻射+置換通風(fēng)組合舒適度高。采用左側(cè)墻輻射板+地面輻射板+置換通風(fēng)組合 （見圖6）的房間與單獨(dú)地面輻射+置換通風(fēng)組合一樣存在下冷上熱的溫度分布，在豎直方向上的溫度梯度不符合人體舒適度要求，并且地板溫度較低，相對濕度較大，存在地板結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。而對于左側(cè)墻輻射板+右側(cè)墻輻射板+置換通風(fēng)組合 （見圖7）這種組合的熱源附近人體活動(dòng)區(qū)域內(nèi)速度大于0.25m/s，不滿足人體舒適度要求。

5 結(jié)論

綜合前面的分析結(jié)果可以得到，在6種不同組合下，采用單獨(dú)頂板輻射+置換通風(fēng)這一組供冷方式時(shí)，房間豎直方向上沒有出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象，整個(gè)房間的溫度分布和速度分布非常均勻，人體舒適性最高，是最佳的組合方式。

［1］蘇奪，陸瓊文.輻射空調(diào)方式及其發(fā)展方向 ［J］.制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2003，（5）：26-30

［2］馬景駿，孫麗穎.冷卻吊頂系統(tǒng)的熱舒適性分析［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，22（5）：27-30

［3］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué) ［M］.第二版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2005

［4］BSEN ISO 7730.Modeate thermal environments-determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort［S］

Numerical Simulation of Radiation Cooling M ode Indoor Com fort

KANG Liyan，ZHANG Zhiwen，ZHANG Qilin
（ShanghaiMaritime University，Shanghai201306）

Radiant panel layout position have a greater impact on human com fort radiant cooling system.In this paper，Examples to the use of radiant panel and displacement ventilation systems，air-conditioned room，using computational fluid dynamics（CFD）software，and two-equation turbulence model to simulate，Comparison of six kinds of combinations of indoor thermal environment.The results show，Radiant panels arranged in a roof orwall displacement ventilation and coolingmode combinations can meet the requirements for human comfort.Radiant floor cooling combined with displacement ventilation is poor com fort coolingmode.Roof radiation and displacement ventilation system in this combination are six combinations of themost com fortable way.

Radiant cooling；Displacement ventilation；Temperature distribution；Velocity distribution

TU831［文獻(xiàn)標(biāo)示碼］A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.012

ISSN1005-9180（2015）03-065-00

2015-3-14；

2015-4-5

康麗艷（1993-），女，碩士研究生。研究方向：輻射板和置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)的應(yīng)用研究。E-mail：18201793080@163.com