墻體輻射換熱空調系統(tǒng)的設計與模擬分析

蔣達華，許 艷，張鑫林

(江西理工大學 建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，環(huán)境污染、能源短缺問題也相繼顯露出來，越來越多的人開始追求健康、舒適、經(jīng)濟的人居環(huán)境。因此，發(fā)展綠色建筑，提倡建筑節(jié)能成為順應建筑行業(yè)發(fā)展的主流。

由于建筑能耗占我國全社會總能耗的 1/3左右，其中空調與采暖能耗約占建筑總能耗的65%[1]。且隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，這一數(shù)值還將呈繼續(xù)上升的趨勢，所以有必要建設綠色建筑和發(fā)展暖通空調節(jié)能。傳統(tǒng)空調容易產(chǎn)生不適的吹風感、室內(nèi)空氣溫度分布不均勻、濕度調節(jié)效果不佳等情況，不滿足人們對舒適環(huán)境的需求。而現(xiàn)今涌現(xiàn)出了許多利用墻體實現(xiàn)通風空調功能的建筑：龔光彩等人提出了一種空氣載能輻射空調末端系統(tǒng)，以空氣作為能量載體，孔板作為輻射末端對室內(nèi)進行溫度調節(jié)[2]；陶紅霞等人提出了一種毛細管輻射空調系統(tǒng)，通過將圍護結構的表面設置在一定溫度形成冷熱輻射面，以輻射換熱的方式進行供暖制冷[3]；輻射空調系統(tǒng)通過加熱(冷卻)輻射末端，使其表面溫度升高(降低)以輻射、對流方式調節(jié)室內(nèi)空氣[4]。一方面，墻體通風空調經(jīng)濟節(jié)能；另一方面，輻射換熱系統(tǒng)高效穩(wěn)定。因此，本文提出墻體輻射換熱空調系統(tǒng)。

1 模型介紹

1.1 幾何模型

墻體輻射換熱空調系統(tǒng)作為一種新型的空氣調節(jié)形式，不同于傳統(tǒng)空氣調節(jié)方法，其工作原理為在建筑墻體內(nèi)設置有通風夾層I、通風夾層Ⅱ、輻射換熱夾層和保溫隔墻。當系統(tǒng)開始運行時，首先經(jīng)濕度獨立控制空調機組處理后所形成的新風，由進風口I送入通風夾層I內(nèi)；其中部分新風直接由底層送風口送入室內(nèi)，對室內(nèi)進行濕度調節(jié)；而剩余新風，則由各個樓層的送風口送入各個樓層室內(nèi)進行濕度調節(jié)，送風量分別由各層相對應的濕度調節(jié)閥進行控制。同時，經(jīng)溫度獨立控制空調機組處理后所形成的冷或熱空氣由進風口Ⅱ送入通風夾層Ⅱ內(nèi)；其中部分冷或熱空氣直接由底層補風口進入到輻射換熱夾層內(nèi)，進入輻射換熱夾層內(nèi)的冷或熱空氣以對流換熱方式將能量傳遞給輻射板，承擔室內(nèi)冷或熱負荷；對流換熱后的冷或熱空氣與該層頂部回風口的回風混合，經(jīng)通風口送入上方的樓層輻射換熱夾層內(nèi)，實現(xiàn)對各個樓層房間的溫度調節(jié)；若上方的樓層輻射換熱夾層內(nèi)的冷或熱空氣不足時，可從通風夾層Ⅱ內(nèi)進行補充，補充風量由該層補風口所設的風量調節(jié)閥進行控制，實現(xiàn)能量的梯級利用，圖1為該系統(tǒng)運行原理圖。

圖1系統(tǒng)運行原理圖圖2空間模型示意圖

2 案例計算與輻射板表面溫度選取

2.1 案例模型

設空間模型的尺寸為長l、寬b、高h。輻射板位于外墻三分之一處，如圖2所示。

模型說明：

(1)輻射板表面的溫度為t0；

(2)內(nèi)墻壁、地板和天花板表面溫度相同均為t1；

(3)輻射板所靠外墻內(nèi)表面溫度為t2；

(4)輻射板所在外墻為換熱面，熱量通過輻射板與室內(nèi)及外界進行交換，定義為穩(wěn)態(tài)傳熱，其余墻均設為絕熱表面；

(5)輻射板的表面輻射率，墻的表面輻射率ε=0.9[5]；

(6)送風口的溫度冬季為tds=20 ℃，夏季為txs=26 ℃，風速均為0.5 m/s[6]。

2.2 案例計算

根據(jù)文獻[7]提供的計算方法進行計算。

2.2.1 制熱工況

(1)實例模型的熱負荷

以江西省贛州市20 m2的辦公房間為例進行設計計算，令圖2中的l=5 m，b=4 m，h=3 m。按照辦公類型冬季采暖熱負荷指標設定采暖熱指標為50 w/m2[8]，室內(nèi)空氣設計溫度為18 ℃，則房間的熱負荷為1 kW，翅片自然對流換熱量可根據(jù)估算值計算[9]。

(2)其他項換熱量

其他換熱量計算見表1。根據(jù)計算可得，輻射板表面溫度為38 ℃，可滿足供熱需求。

表1 制熱工況計算

2.2.2 制冷工況

(1)實例模型的冷負荷

仍以此房間為例進行計算，設定夏季供冷負荷為100 w/m2，室內(nèi)空氣設計溫度為26 ℃，則房間的冷負荷為2 kW。

(2)其他項換熱量

其他換熱量計算見表2。由表2可知，輻射板表面溫度為7 ℃便可以滿足制冷需求，且輻射板的表面溫度低于室內(nèi)空氣露點溫度24.88 ℃。若減小結露對換熱的影響，可改變表面的親水特性，在輻射表面及翅片表面噴涂一層特殊的材料，以降低結露對輻射的影響。

表2 制冷工況計算

3 數(shù)值模擬結果與分析

通過流體動力學數(shù)值計算方法，將輻射換熱空調系統(tǒng)及傳統(tǒng)空調系統(tǒng)應用于設計的空間模型進行溫度場和速度場的模擬計算，由此驗證輻射換熱空調系統(tǒng)的特性。在模擬計算中，只做冬季狀況下的模擬對比分析，設定傳統(tǒng)空調系統(tǒng)送風速度為0.5 m/s，溫度為20 ℃；設定輻射換熱空調系統(tǒng)輻射板溫度為38 ℃，進風口溫度為20 ℃，風速為0.5 m/s；其他設定為室內(nèi)溫度18 ℃，外墻3℃，地板、頂板、內(nèi)墻溫度均為18 ℃。選取離地面高1.5 m(此時為室內(nèi)人們坐姿下頭部所處高度)和高0.15 m(此時為室內(nèi)人們坐姿下腳踝所處高度為溫度敏感區(qū))兩處的高度水平面作為溫度場與速度場的比較平面。

3.1 兩種系統(tǒng)在距離地面1.5 m處的溫度場模擬分析

圖3輻射換熱空調系統(tǒng)z=1.5 m溫度場圖4傳統(tǒng)空調系統(tǒng)z=1.5 m溫度場

由圖3、圖4可以看出，輻射換熱空調系統(tǒng)只有在輻射板處溫度場等溫線較為稀疏，每條等溫線間的落差幾乎很小，整個區(qū)域的溫度場無波動現(xiàn)象，室內(nèi)空氣溫度均勻；而傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)溫度場等溫線分布相對不均勻，區(qū)域溫度有明顯變化。兩種系統(tǒng)水平面的大部分區(qū)域溫度保持在20℃左右，滿足規(guī)定的冬季室內(nèi)溫度18℃～25℃要求。

3.2 兩種系統(tǒng)在距離地面0.15 m處的溫度場模擬分析

圖5輻射換熱空調系統(tǒng)z=0.15 m溫度場圖6傳統(tǒng)空調系統(tǒng)z=0.15 m溫度場

由圖5、圖6可以看出：兩種系統(tǒng)溫度變化較均勻，但傳統(tǒng)空調系統(tǒng)的溫度較輻射換熱空調系統(tǒng)的溫度低1 ℃～2 ℃。

3.3 兩種系統(tǒng)在距離地面1.5m處的速度場模擬分析

圖7輻射換熱空調系統(tǒng)z=1.5 m速度場圖8傳統(tǒng)換熱空調系統(tǒng)z=1.5m速度場

由圖7、圖8可以看出：輻射換熱空調系統(tǒng)的速度變化較均勻，而傳統(tǒng)空調系統(tǒng)速度變化有一部分分層現(xiàn)象。但總體都維持在0.05 m/s左右。

3.4 兩種系統(tǒng)在距離地面0.15m處的速度場模擬分析

圖9輻射換熱空調系統(tǒng)z=0.15 m速度場圖10傳統(tǒng)換熱空調系統(tǒng)z=0.15 m速度場

由圖9、圖10可以看出：輻射換熱空調系統(tǒng)的速度在此高度上有送風口，因此可以看到射流現(xiàn)象，但中心區(qū)域無吹風感影響，傳統(tǒng)空調系統(tǒng)速度中間部分有速度分層現(xiàn)象。

3.5 兩種系統(tǒng)在中心處垂直高度上的溫度場、速度場曲線分析

圖11輻射換熱空調系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調系統(tǒng)在中心處z=0～3 m溫度變化曲線圖12輻射換熱空調系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調系統(tǒng)在中心處z=0～3 m速度變化曲線

由圖11、圖12可以看出：在人體活動范圍0.15～1.5 m之間，輻射換熱空調系統(tǒng)的溫度、速度變化較傳統(tǒng)空調系統(tǒng)的溫度變化緩慢，傳統(tǒng)空調系統(tǒng)溫度、速度變化整體波動較大。輻射換熱空調系統(tǒng)的溫度變化在290.4～290.5 K，速度變化在0～0.02 m/s；傳統(tǒng)空調系統(tǒng)的溫度變化在290～290.5 K，速度變化在0～0.03 m/s。因此，輻射換熱空調系統(tǒng)溫度變化較為均勻，而傳統(tǒng)空調系統(tǒng)給人有一定的吹風感，輻射換熱空調系統(tǒng)較傳統(tǒng)空調系統(tǒng)更為舒適。

4 結論

(1) 本文所設計的墻體輻射換熱空調系統(tǒng)，輻射板在輻射換熱夾層側的表面上合理設置換熱翅片，換熱性能好，安裝高度達到人員活動區(qū)域，在保證清潔衛(wèi)生、高舒適度的同時，減少了輻射空調的熱損失，實現(xiàn)了建筑室內(nèi)溫濕度的獨立控制。另外，合理利用室內(nèi)回風，適當?shù)匾胄嘛L，基于建筑墻體，減少了原有空調系統(tǒng)的管材及設備耗材，降低了能量損耗，達到能量的梯級利用。

(2) 通過理論設計與計算分析，得到輻射板溫度控制在夏季7 ℃、冬季38℃，即可滿足室內(nèi)夏季設計溫度26℃，冬季設計溫度18℃。

(3) 運用數(shù)值模擬，對比傳統(tǒng)空調系統(tǒng)溫度場與速度場可以看出，本系統(tǒng)更為穩(wěn)定舒適、清潔衛(wèi)生，有利于推廣應用。

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