壁面輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)的數(shù)值模擬研究

趙建會(huì)　張燕燕　張金明　王登山（西安科技大學(xué)　西安　710054）

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壁面輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)的數(shù)值模擬研究

趙建會(huì)張燕燕張金明王登山
（西安科技大學(xué)西安710054）

【摘要】為提倡厲行節(jié)約，辦公用房趨向小型化、簡(jiǎn)約化。對(duì)此類(lèi)簡(jiǎn)約的小型單人單間辦公室采用豎直壁面輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，將新風(fēng)直接送至人員工作區(qū)。使用CFD軟件fluent對(duì)其復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)下的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。經(jīng)過(guò)模擬分析，豎直壁面輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)能夠提供良好的空調(diào)環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】豎直壁面；輻射供冷；獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)；數(shù)值模擬

作者（通訊作者）簡(jiǎn)介：趙建會(huì)（1964-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail：zhaojh@xust.edu.cn

0　引言

為貫徹艱苦奮斗、勤儉節(jié)約、反對(duì)奢侈浪費(fèi)的方針，對(duì)于黨政機(jī)關(guān)辦公用房的建設(shè)，國(guó)家多次制定了《黨政機(jī)關(guān)辦公用房建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《黨政機(jī)關(guān)辦公用房建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（發(fā)改投資[2014]2674號(hào)）規(guī)定了辦公用房夏季制冷溫度不應(yīng)低于26℃，并且還規(guī)定了各級(jí)工作人員的辦公室使用面積。參照其規(guī)定的單人辦公室面積大多在20平米左右。同樣，大多非機(jī)關(guān)獨(dú)立辦公用房亦是此等規(guī)模。于是對(duì)于簡(jiǎn)約的此類(lèi)單人辦公室，采用分體式空調(diào)影響建筑美觀且有室外機(jī)墜落的安全隱患；采用傳統(tǒng)對(duì)流換熱空調(diào)系統(tǒng)（如風(fēng)機(jī)盤(pán)管）無(wú)法達(dá)到舒適的氣流分布要求。故可嘗試采用新型空調(diào)系統(tǒng)——豎直壁面輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)?，F(xiàn)利用CFD對(duì)簡(jiǎn)約化的小型單人辦公室采用豎直壁面輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1　模型

根據(jù)實(shí)際情況，將位于西安且窗戶(hù)朝南的單間單人辦公室做一些合理簡(jiǎn)化，建立房間幾何模型見(jiàn)圖1。房間尺寸5m×4m×3m（Y×X×Z）；窗戶(hù)2000mm×1700mm，窗臺(tái)居中距地板900mm；門(mén)900mm×2100mm，距邊墻200mm；2張書(shū)架900mm×450mm×2000mm（W×D×H）；1張辦公桌1600×800×750mm（L×W×H）；2把椅子550×500×450mm（W×D×H，靠背高900）；1臺(tái)計(jì)算機(jī)400×400×400mm；根據(jù)Toshiyuki Miyanaga的簡(jiǎn)化人體模型[1]，繼續(xù)簡(jiǎn)化易于建模如圖2。

圖1　辦公室三維模型Fig.1 Office 3D mode

圖2　人體簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified model of human body

2　控制方程

空氣調(diào)節(jié)是以創(chuàng)造符合人員需求的舒適空氣環(huán)境為目標(biāo)，這一空氣環(huán)境的熱舒適是基于人體的熱平衡[2]。在辦公室內(nèi)，人體與外界的熱交換形式主要以混合對(duì)流和輻射為主。輻射空調(diào)室內(nèi)的空氣流動(dòng)與傳熱屬于湍流流動(dòng)復(fù)合換熱，采用的不可壓縮流體控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流方程[3]。對(duì)于具有混合對(duì)流特征的房間，湍流方程較好的選擇就是RNG k-ε模型[4]?？刂品匠掏ㄓ眯问綖椋?/p>

式中：ρ為密度，φ為通用變量，U為速度矢量，Г為廣義擴(kuò)散系數(shù)，S為廣義源項(xiàng)。

考慮到輻射傳熱，采用適用性普遍的離散坐標(biāo)輻射（DO）模型[5]，輻射熱是作為能量源項(xiàng)加入到能量方程的，輻射方程為：

式中：r為位置向量，s為方向向量，s'為散射方向，S為沿程長(zhǎng)度，a為吸收系數(shù)，n為折射系數(shù)，σs為散射系數(shù)，σ為史蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，I為輻射強(qiáng)度，T為當(dāng)?shù)販囟?，Φ為相位函?shù)，Ω為空間立體角。

3　數(shù)值模擬設(shè)定

3.1模擬的簡(jiǎn)化和假設(shè)

在豎直壁面輻射復(fù)合空調(diào)室內(nèi)的氣流可以視為不可壓縮黏性湍流流動(dòng)[6]，但為更好的符合實(shí)際，采用Boussinesq模型考慮浮升力的影響。在輻射供冷的辦公室，Boussinesq模型基準(zhǔn)溫度T0=26℃，基準(zhǔn)密度。

模擬對(duì)象為西安市簡(jiǎn)化的三面內(nèi)墻一面外墻的單間單人辦公室，根據(jù)文獻(xiàn)[7,8]，負(fù)荷計(jì)算可得白天13:00時(shí)刻房間冷負(fù)荷最大（不含新風(fēng)）見(jiàn)表1。

表1　 13:00時(shí)刻下房間冷負(fù)荷分配（W）Table 1 13:00 Cooling load distribution(W)

3.2邊界條件

（1）外墻：根據(jù)負(fù)荷計(jì)算折合成穩(wěn)定面熱源q=4.3W/m2。

（2）窗戶(hù)：根據(jù)計(jì)算的南外窗冷負(fù)荷折合成穩(wěn)定的面熱源q=49.35W/m2。

（3）門(mén)、內(nèi)墻、頂板和地板：絕熱邊界。

（4）輻射壁面：除去書(shū)架和門(mén)所占據(jù)的墻面以及外墻，合理簡(jiǎn)化模型，3塊矩形輻射壁面如圖1所示。表面溫度為22℃，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，一般物體的低溫長(zhǎng)波輻射的發(fā)射率較高，故設(shè)定所有面的內(nèi)部發(fā)射率ε=1。

（5）熱源：室內(nèi)熱源有1名辦公人員、1臺(tái)計(jì)算機(jī)。根據(jù)計(jì)算的冷負(fù)荷將它們都折算成穩(wěn)定的面熱源來(lái)計(jì)算。計(jì)算機(jī)：q=162W/m2；人員：q=92.5W/m2。

（6）風(fēng)口：房間采取把新風(fēng)直接送到工作區(qū)。送風(fēng)口（100mm×150mm）設(shè)置在辦公區(qū)域的上方。送風(fēng)口為velocity inlet，0.6m/s，22℃；回風(fēng)口（尺寸同送風(fēng)口）為outflow。

4　模擬結(jié)果與分析

4.1室內(nèi)氣流分布

圖3　 X=3.2處速度矢量圖Fig.3 X=3.2 velocity vector distribution

圖4　 Y=3.65處速度矢量圖Fig.4 Y=3.65 velocity vector distribution

空氣流動(dòng)是直接影響人健康呼吸的因素，在單人單間辦公室，采用豎直大平壁供冷，故送風(fēng)只含獨(dú)立新風(fēng)，且新風(fēng)量較小，新風(fēng)需要直接送至人體呼吸區(qū)域而避免被稀釋。本文采取送風(fēng)口布置在辦公桌與人體之間的上方，所以截取X=3.2，Y=3.65處的速度矢量場(chǎng)。從圖3、4中可知工作區(qū)的新風(fēng)下送有一個(gè)參混的過(guò)程，且在水平方向有氣流場(chǎng)漂移的現(xiàn)象，這是因?yàn)橛袩嵩串a(chǎn)生的浮升氣流影響，同時(shí)也有桌、椅和計(jì)算機(jī)等擺放對(duì)氣流的限制。由圖3、4還可知送風(fēng)是流向人體的，即新風(fēng)是流向人體呼吸區(qū)域，則可滿(mǎn)足人員對(duì)新風(fēng)的需要。

我國(guó)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012規(guī)定：舒適型空調(diào)室內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)大于0.3m/s。本文意圖直接將新風(fēng)送至人體工作區(qū)，故采取較低模擬送風(fēng)速度0.6m/s，通過(guò)模擬可得人員在高度1.8m的活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速在0.3m/s以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足要求。采用多大送風(fēng)速度，需對(duì)氣流走向以及不會(huì)引起吹風(fēng)感等進(jìn)行綜合考慮。

4.2溫度場(chǎng)

將新風(fēng)直接送至工作區(qū)供人呼吸，故分別以人體和送風(fēng)口為中心截取X=3.2，X=3.275，Y=3.65，Y=4.2675所在截面，從圖5、6、7和8的溫度分布圖可得工作區(qū)域內(nèi)，總體而言空氣溫度在24至25℃，室內(nèi)溫度滿(mǎn)足空調(diào)供冷性要求。在送風(fēng)區(qū)域有著明顯的氣流參混，且在豎直方向有溫度分層現(xiàn)象?？諝鉁囟葓?chǎng)的分布主要受到熱源和送風(fēng)氣流的影響。

圖5　 X=3.2處溫度分布圖Fig.5 X=3.2 temperature distribution

圖6　 X=3.275處溫度分布圖Fig.6 X=3.275 temperature distribution

圖7　 Y=3.65處溫度分布圖Fig.7 Y=3.65 temperature distribution

圖8　 Y=4.2675處溫度分布圖Fig.8 Y=4.2675 temperature distribution

4.3垂直溫度梯度

垂直溫度梯度就是豎直方向空氣溫度的變化。房間采用豎直大平面輻射供冷，同時(shí)亦有豎直方向的對(duì)流換熱，室內(nèi)空氣密度采用Boussinesq假設(shè)，故在豎直方向，溫度場(chǎng)應(yīng)該有分層現(xiàn)象。從圖5、6、7和8，都可以印證分層現(xiàn)象存在。

圖9　 Z=0.1處截面溫度分布Fig.9 Z=0.1 temperature distribution

關(guān)于垂直溫度梯度的要求，在舒適范圍內(nèi)，按照ISO7730標(biāo)準(zhǔn)，在工作區(qū)的地面上方0.1m至1.1m之間的溫差不應(yīng)大于3℃；而ASHRAE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建議，豎直方向0.1m至1.8m之間的溫差不應(yīng)大于3℃。可知滿(mǎn)足ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)，則一定滿(mǎn)足ISO7730標(biāo)準(zhǔn)。圖9和圖10是豎直方向0.1m和1.8m處的水平截面溫度場(chǎng)分布圖，可以明顯看出大部分區(qū)域的垂直溫差在2℃以?xún)?nèi)，從而可以得到良好的舒適性。

圖10　 Z=1.8處截面溫度分布Fig.10 Z=1.8 temperature distribution

5　結(jié)論

對(duì)西安比較具體且符合實(shí)際布置的簡(jiǎn)化辦公室，不考慮濕負(fù)荷，采用fluent的三維數(shù)值模擬，分析了速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，得出此簡(jiǎn)化辦公室采取壁面輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)復(fù)合空調(diào)的一些結(jié)論。

（1）采取豎直壁面輻射供冷，相對(duì)于水平輻射供冷面，其與人體的直接輻射換熱面面積更大。

（2）采取獨(dú)立新風(fēng)直接送至工作區(qū)，此新風(fēng)利于流向人體以供健康呼吸。因辦公室豎直方向的墻壁面面積大于地板面，當(dāng)然也大于天花板面積，故豎直可供安裝的輻射供冷的面積大，則新風(fēng)可根據(jù)情況適當(dāng)承擔(dān)或者不承擔(dān)冷負(fù)荷。這樣就可以使得工作區(qū)的因新風(fēng)帶來(lái)的冷干擾減小。

（3）熱源和家具的分布對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響很大，故對(duì)于某個(gè)人、某個(gè)具體的辦公室，都要做具體的分析，才能得到較優(yōu)的氣流組織。

（4）在小型的簡(jiǎn)約單人單間辦公室，采用豎直壁面輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)復(fù)合空調(diào)，可以獲得較為舒適的辦公環(huán)境。

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The Numerical Simulation Research of the Vertical Wall Radiant Cooling
Air Conditioning System with in Dependent Fresh Air

Zhao Jianhui Zhang Yanyan Zhang Jinming Wang Dengshan
( Xi'an university of science and technology, Xi'an, 710054 )

【Abstract】To advocate saving, office space tends to miniaturization, simplification. For such small simple single office, the vertical wall radiant cooling air conditioning system with independent fresh air is used, fresh air is directly sent to the staff zone. The CFD software FLUENT is used to simulate the temperature field and velocity field of the compound air conditioning system. Through the simulation analysis, the vertical wall radiant cooling air conditioning system with independent fresh air could provide good air conditioning environment.

【Keywords】the vertical Wall; radiant cooling; independent fresh air system; numerical simulation

中圖分類(lèi)號(hào)TU831.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)：1671-6612（2016）01-095-04

收稿日期：2015-03-09