冷輻射板布置方式對辦公室熱環(huán)境影響的模擬研究

楊雨佳，劉金祥,牛曉峰，張 愷

(南京工業(yè)大學，江蘇南京 100044)

冷輻射板布置方式對辦公室熱環(huán)境影響的模擬研究

楊雨佳，劉金祥,牛曉峰，張 愷

(南京工業(yè)大學，江蘇南京 100044)

輻射供冷常與置換通風系統(tǒng)結(jié)合使用以達到良好的舒適性和節(jié)能性。輻射供冷/置換通風系統(tǒng)用于辦公環(huán)境時，冷輻射板的布置方式會對室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生影響。本文采用CFD方法，通過Airpak對冷輻射板分別置于辦公室內(nèi)頂棚、地板、側(cè)墻上部和側(cè)墻下部四種情況的換熱過程進行模擬分析，得出了冷輻射板不同布置方式對應(yīng)的室內(nèi)溫度場和流場。結(jié)果表明，在本文研究的4種布置方式中，垂直墻壁上側(cè)布置的供冷效果最佳，其湍流渾濁區(qū)范圍最小、熱力分層高度最高，同時得到了最低的活動區(qū)域溫度。

輻射供冷；置換通風；溫度分布；數(shù)值模擬

1 前言

輻射供冷技術(shù)已經(jīng)引入中國近20年，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在辦公樓、地鐵站、航站樓、醫(yī)院、公寓等場所[1]。隨著輻射供冷應(yīng)用的逐漸增多，系統(tǒng)的供冷效率、室內(nèi)空氣質(zhì)量、夏季結(jié)露等問題也引起了設(shè)計者、研究者以及使用者的廣泛關(guān)注。因此，國內(nèi)外的學者也開始針對輻射空調(diào)室內(nèi)熱環(huán)境的負荷分配[2]、防結(jié)露措施、熱舒適性分析、室內(nèi)熱環(huán)境控制方式等方面進行了研究。

輻射供冷通常以冷輻射板作為末端裝置承擔室內(nèi)顯熱負荷，由于露點溫度限制了其制冷能力，通常與其它系統(tǒng)結(jié)合使用[3]。置換通風是將新鮮空氣由送風口直接送入工作區(qū)，在地面形成空氣湖，在室內(nèi)熱源的作用下使新鮮空氣向上部運動[4]。置換通風系統(tǒng)具有提高室內(nèi)空氣品質(zhì)、節(jié)能效果好的優(yōu)點，同時也存在溫度梯度影響人體舒適性的缺點[6]。將輻射供冷與置換通風系統(tǒng)復合，可以彌補各自缺陷，使供冷能力、室內(nèi)空氣質(zhì)量、人體舒適度得以兼顧。

目前針對輻射供冷/置換通風復合系統(tǒng)的研究主要集中在熱舒適性、防結(jié)露對策以及控制策略等方面[5～7]。但是輻射供冷環(huán)境屬于非均勻熱環(huán)境，輻射末端鋪設(shè)方式對系統(tǒng)的溫度分布響較大[8]。因此，本文通過對比冷輻射板采取不同布置方式時所對應(yīng)的室內(nèi)熱環(huán)境特性進行分析，得出不同布置方式時室內(nèi)的溫度與風速分布，給出最優(yōu)的布置方案，為系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。

2 物理模型

本文以某辦公室為案例，該辦公室的尺寸為7.2 m×4.2 m×3.2 m(長×寬×高)，室內(nèi)有電腦4臺，功率為180 W/臺，分別置于0.8 m高的辦公桌上；4人處于坐姿輕度勞動狀態(tài)，坐于桌前，顯熱負荷為84 W/人；6盞熒光燈，每盞功率為80 W，置于天花板上，均勻分布；南墻為外墻，一面南窗置于南墻之上，北、東、西墻為內(nèi)墻；矩形送風口置于北墻下部，排風口置于房間頂部，以形成置換通風氣流形式。本文分別對冷輻射板布置于辦公室頂部(方案1)，地板(方案2)，東、西兩墻下側(cè)(方案3)，東、西兩墻上側(cè)(方案4)4種方案進行模擬分析。

3 數(shù)學模型

不可壓縮流體控制方程：

(1)

(2)

=▽·[(k+kt)▽T]+Sh

(3)

(4)

式中P——壓力，PaT——應(yīng)力張量，Paρg——單位體積重力，N/m2k——分子間導熱系數(shù)kt——湍流輸運導熱系數(shù)Sh——體積熱源Yi——組分質(zhì)量分數(shù)

控制方程中涉及的參量計算公式如下：

(5)

(6)

kt=cpμt/Prt

(7)

(8)

Sct=μt/(ρDt)

(9)

μt=0.03847ρυL

(10)

數(shù)值模擬中將流體假設(shè)為不可壓縮流體，使用Boussinesq近似處理浮力影響，采用室內(nèi)零方程模型，室內(nèi)零方程湍流模型是專門對于室內(nèi)氣流模擬發(fā)展出來的。此外，在數(shù)值計算中，選擇輻射模型為S2S輻射模型。輻射換熱量的計算基于角系數(shù)[5～9]。

依據(jù)對該辦公室空調(diào)系統(tǒng)的選擇和負荷計算確定模型的邊界條件和初始條件[10]。南外墻的熱流設(shè)置為8.8W/m2；南窗設(shè)置溫度邊界為34.4 ℃，冷輻射板溫度邊界20 ℃，內(nèi)墻溫度為28 ℃ ，地板和頂棚在不設(shè)置輻射板時為絕熱邊界；4種方案中冷輻射板面積相同，均為30.24m2。

數(shù)值計算中，用有限體積法將控制方程離散化，各階導數(shù)的差分采用二階迎風格式，并使用SIMPLE算法(壓力-速度耦合修正算法)求解離散方程，使用Gauss-Seidel迭代計算收斂，判斷收斂的標準為X，Y，Z方向的速度殘差和連續(xù)性殘差達到10-4，能量殘差達到10-6[5]。

4 結(jié)果與討論

結(jié)合截面溫度云圖和速度矢量對模擬結(jié)果進行分析，選取位置為x=2.1 m截面以及x=3.3 m截面，分別對應(yīng)垂直于x軸房間中心平面，以及垂直于x軸電腦所在位置平面。具體位置如圖1所示。

圖1 結(jié)果截面位置示意

4.1 冷輻射板置于頂棚

圖2為x=2.1 m(房間正中)和x=3.3 m(人所在位置)處的溫度分布。從圖中可以看出室內(nèi)溫度自下而上逐步變高，出現(xiàn)溫度分層，人員活動區(qū)的溫度在26～27.1 ℃。在人員所在的位置，可以觀察到明顯的熱羽流，熱羽流的溫度高于周圍環(huán)境的溫度，形成了明顯的上升氣流。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

圖2X軸方向截面上的溫度分布(方案1)

圖3為速度矢量截面圖，其位置與圖2中溫度分布截面位置對應(yīng)。圖3(a)中氣流方向表明在人員上部出現(xiàn)了明顯的空氣流動，湍流渾濁區(qū)范圍較大，熱源形成的熱羽流破壞了溫度分層，空氣在房間上部混合，使湍流渾濁區(qū)的空氣趨于均一，而氣流漩渦使得空氣品質(zhì)無法保證。人員位置的速度矢量圖更加清晰地反映了熱羽流對室內(nèi)流暢的影響以及空氣容易滯留的區(qū)域。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

圖3X軸方向截面上的速度矢量(方案1)

4.2 冷輻射板置于地面

冷輻射板置于地面時，采用輻射供冷/置換通風的空調(diào)形式，房間內(nèi)人員工作區(qū)的溫度偏高，房間下部溫度低，圖4(a)表明人員活動區(qū)的溫度在27.5～28.8 ℃范圍內(nèi)，也就是說，相同的供冷條件無法使房間達到舒適的溫度，下部空氣溫度最低為25 ℃。在人員所在的位置(x=2.7 m處)，室內(nèi)溫度為26～28.2 ℃，溫度最高處出現(xiàn)在人員周圍的熱羽流中。由于房間上部溫度較高，熱羽流現(xiàn)象不明顯。在遠離送風口的房間上部溫度最高，遠離送風口的人員周圍，未出明顯的溫差。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

圖4X軸方向截面上的溫度分布(方案2)

當冷輻射板置于地面時，房間內(nèi)的流場如圖5所示，溫度擴散方式主要依靠熱對流，人員位置存在的向上氣流是室內(nèi)空氣流動的主要誘因。低溫新風沉于房間底部。從圖5(b)中可以看出，人員周圍產(chǎn)生了明顯的熱羽流，使得人員活動區(qū)上部空氣可以較好的排出。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

圖5Z軸方向截面上的速度分布(方案2)

由于房間上部空氣溫度較高，因此想使室內(nèi)溫度降低，就需要更低的輻射板溫度或者送風溫度，而受到房間舒適度及地板結(jié)露等因素的制約，房間下部溫度不宜過低，因而在使用地面布置的冷輻射板時，需要進一步的考慮。

4.3 冷輻射板置于相對兩墻壁上部

為了使房間內(nèi)的環(huán)境更加均勻，在垂直壁面設(shè)置冷輻射板時，本文對面對面兩垂直墻壁的情況進行研究。從圖6的計算結(jié)果可以看到較為滿意的溫度情況：人員活動區(qū)的溫度范圍在25.3～26.1 ℃之間，熱羽流的溫度為26.6 ℃。房間整體的溫度分層情況明顯，在房間上部的湍流混合區(qū)，仍存在溫度分層，且溫度未超過27 ℃，達到了較好的供冷效果。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

圖6X軸方向截面上的溫度分布(方案3)

速度矢量反映的室內(nèi)空氣流動情況，從圖7可見，較明顯的空氣流動出現(xiàn)在熱羽流存在的位置，房間內(nèi)其他位置的空氣流速較小，置換通風的形式較好的呈現(xiàn)。冷輻射板置于相面對兩面墻壁上側(cè)時，房間上部空氣混合現(xiàn)象較冷輻射板布置于頂部時更弱，因此房間上部的溫度也較低。在離送風口遠端的空間，空氣流動明顯，遠端空氣也能順利地排出室外。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

圖7Z軸方向截面上的速度分布(方案3)

4.4 冷輻射板置于相對兩側(cè)墻下部

如圖8所示，當設(shè)置于兩相對墻壁的冷輻射板置于墻壁下部時，房間內(nèi)的溫度范圍略高于置于上部時的情況，為25.6～27.5 ℃。房間內(nèi)的溫度自下而上逐漸上升，出現(xiàn)了離送風口遠端的活動區(qū)溫度低于近端的情況。在人員所在的區(qū)域，熱羽流的現(xiàn)象已不明顯，熱羽流處的溫度為26.6 ℃。

結(jié)合圖9的速度矢量圖，x=2.1 m處靠近送風口側(cè)空氣流動弱，空氣混合不明顯，底部空氣溫度較低，與上部有明顯的溫差。在人員所在的截面，人員作為熱源形成的上升熱氣流帶動了周圍空氣的流動，然而置換通風沒有很好的形成，房間上部的空氣湍流渾濁區(qū)較大。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

圖8X軸方向截面上的溫度分布(方案4)

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

圖9Z軸方向截面上的速度分布(方案4)

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，當冷輻射板的位置在房間上部(置于頂棚和置于墻壁上部)時，房間內(nèi)的溫度分布更令人滿意，存在溫度分層，但溫度梯度較小，人員活動區(qū)的溫度更加均勻。當冷輻射板置于房間下部(置于地板和置于墻壁下部)時，房間仍存在溫度分層，但溫度梯度很大，室內(nèi)下部溫度低，上部溫度高，且上部的湍流渾濁區(qū)域大，這將影響舒適性以及室內(nèi)空氣質(zhì)量。

比較冷輻射板置于房間上部的2種情況，頂棚布置的情況有較小的溫度梯度，但上部的混合現(xiàn)象強，因此空氣質(zhì)量較差的混合區(qū)域也更大。垂直墻壁上側(cè)布置時，溫度分層更加明顯和穩(wěn)定，但溫度梯度較頂棚布置時稍大。由于熱羽流的溫度較低，因此形成的空氣對流更弱，使得熱力分層高度上升，湍流混合區(qū)的位置更高、范圍更小。人員活動區(qū)的溫度低于冷輻射板置于頂棚的情況，這意味著提供相同的輻射板溫度、面積以及新風，垂直墻壁上側(cè)布置冷輻射板的情況供冷效果更好。

5 結(jié)論

(1)當冷輻射板置于辦公室上部時，室內(nèi)溫度梯度小，具有較好的舒適性。其中，冷輻射板布置于垂直墻壁上部與布置于頂棚時，前者溫度分層明顯，湍流渾濁區(qū)小，室內(nèi)空氣質(zhì)量優(yōu)于后者；前者人體活動區(qū)的溫度比后者低約1℃，相同的冷輻射板面積，前者具有更大的供冷能力。

(2)當冷輻射板置于辦公室下部時，人體活動區(qū)空氣對流明顯。其中，將冷輻射板布置于地板的室內(nèi)熱環(huán)境情況不佳，人體活動區(qū)的溫度高于設(shè)計溫度(26 ℃)1～2 ℃，室內(nèi)下部空氣溫度低、上部溫度高，舒適度受到影響。而將冷輻射板布置于垂直墻壁下部時，靠近送風口的區(qū)域空氣對流不明顯，同一高度下，溫度高于遠離送風口的區(qū)域，輻射供冷效果不佳。

(3)垂直布置冷輻射板時，布置于墻壁上部和下部形成的不同室內(nèi)熱環(huán)境差異明顯，前者條件下室內(nèi)的溫度分層明顯，溫度梯度小，熱羽流穩(wěn)定且湍流渾濁區(qū)域小、位置高，輻射供冷效果好。

在辦公室環(huán)境中，結(jié)合置換通風系統(tǒng)，將冷輻射板置于上部空間可以得到最優(yōu)的輻射供冷效果，綜合考慮舒適性、空氣質(zhì)量和供冷效果，布置于垂直墻壁上側(cè)最佳。

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Simulation Study on the Influence of Radiant Cooling Panel Layout on Office Thermal Environment

YANG Yu-jia，LIU Jin-xiang,NIU Xiao-feng， ZHANG Kai

(Nanjing Technology University)

Radiant cooling is often collaborated with displacement ventilation system to achieve good thermal comfort and energy conservation.When a radiant cooling/ displacement ventilation system is used in the office environment,the layout of the radiant cooling panels has effect on the indoor thermal environment.In this paper,simulations on the heat transfer process of four different layout ways of the radiant cooling panels in the office room,including in the ceiling,on the floor,on the upper-vertical walls and on the lower-vertical walls,were conducted by CFD method respectively via the software of Airpak.The corresponding indoor temperature field and flow field of the indoor air were obtained.Results show that among the four types of radiant cooling panel layout,the cooling efficiency of the case with the radiant cooling panels on the upper-vertical walls is the best,which has the smallest turbulent zone,the highest thermal stratification height and the lowest temperature in the occupied zone.

radiant cooling;displacement ventilation;temperature distribution;numerical simulation

1005-0329(2017)01-0077-05

2016-06-22

2016-08-24

國家自然科學基金項目(51406076)；江蘇省自然科學基金項目(BK20140942)

TH138

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.014

楊雨佳(1992-)，女，在讀碩士研究生，E-mail:yang.yujia@163.com。

劉金祥(1964-)，男，教授，通訊地址：210009 江蘇南京市鼓樓區(qū)中山北路200號南京工業(yè)大學虹橋校區(qū)，E-mail:zeyaoliu@126.com。