毛細管輻射采暖方式對室內(nèi)熱環(huán)境的影響

朱翔，吳聞，王海濤

（安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

毛細管輻射采暖方式對室內(nèi)熱環(huán)境的影響

朱翔，吳聞，王海濤

（安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

以蕪湖貝斯特搭建的毛細管網(wǎng)空調(diào)樣板房為模型，采用CFD軟件Airpak3.0模擬了樣板房地面、墻壁、頂棚、地面+墻壁、地面+頂棚、墻壁+頂棚六種毛細管網(wǎng)空調(diào)輻射供暖方式.得出室內(nèi)溫度場、速度場、PMV、PPD等參數(shù)分布圖.經(jīng)綜合分析地面+墻壁毛細管網(wǎng)空調(diào)輻射供暖方式對門窗較多的建筑物有較好的供暖效果.本模擬研究對毛細管網(wǎng)空調(diào)輻射供暖方式具有理論指導(dǎo)意義和實用價值.

毛細管網(wǎng)空調(diào)；輻射供暖；溫度分布；熱舒適性

毛細管網(wǎng)輻射空調(diào)在實際運用中擁有較好的熱舒適性和可提高系統(tǒng)效率等特點，已得到社會的廣泛認可[1,2]，引領(lǐng)新型空調(diào)的發(fā)展方向.王雪采用Airpark3.0軟件通過改變室內(nèi)熱源強度和冷卻頂板承擔(dān)輻射量，模擬了室內(nèi)溫度場和速度場[3].高志宏以毛細管輻射空調(diào)與溫濕度獨立空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，通過實驗進行分析，得出結(jié)論，通過調(diào)節(jié)流量降低泵耗的方式可以降低毛細管輻射空調(diào)供冷量能力[4].那艷玲采用CFD軟件，對置換通風(fēng)空調(diào)統(tǒng)和平面輻射空調(diào)系統(tǒng)和置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)分別進行了模擬，得出結(jié)論，頂板輻射空調(diào)系統(tǒng)能夠較大程度減小垂直溫度梯度，提高人體熱舒適性[5].目前毛細管網(wǎng)空調(diào)研究較多是輻射供冷及能耗分析，但對于建筑物多個面輻射供暖時，人體舒適性的研究，還相對較少.

以蕪湖貝斯特提供的樣板房為原型，采用CFD軟件Airpak3.0，數(shù)值模擬了地板、墻壁、頂棚、地面+墻壁、地面+頂棚、墻壁+頂棚六種毛細管網(wǎng)空調(diào)輻射供暖模型.對房間氣流組織、溫度場等進行研究，分析了房間舒適度等問題.并根據(jù)ISO7730[6]標準，對熱舒適性、PMV-PPD等指標進行評價.有利于優(yōu)化供暖方案，節(jié)約成本與能源.

1 模型的建立

1.1 房間的模型

房間幾何模型見圖1.房間尺寸為9.4m× 5.8m×2.7m；南邊玻璃幕墻尺寸2.5m×2.2m；南邊玻璃門尺寸3.3m×2.2m；東邊玻璃門尺寸2.97m× 2.2m；送風(fēng)口尺寸0.3m×0.8m；回風(fēng)口尺寸0.3m× 1m；人體利用長方體代替尺寸為0.4m×0.4m× 1.1m；電腦利用正方體代替尺寸為0.4m×0.4m× 0.4m.

圖1 樣板房的模型圖

1.2 房間參數(shù)及邊界條件的設(shè)定

CFD軟件Airpak3.0無法準確的設(shè)定某些特定參數(shù)，因此需要借助能耗分析軟件Energy Plus作為輔助軟件.模擬時間為冬季設(shè)計日1月21日，Energy Plus的數(shù)據(jù)庫為蕪湖樣板房提供氣象參數(shù).毛細管網(wǎng)供水溫度為35℃，回水溫度為30℃，折合成穩(wěn)定面熱源為30℃.

2 控制方程

在樣板房內(nèi)熱量傳播的主要形式為輻射，對流和傳熱占有較小的比例.這種湍流流動復(fù)合換熱，采用的不可壓縮流體控制方程包括：能量方程、連續(xù)性方程、湍流方程、動量方程.對于此房間混合對流的特征，選用RNG k-ε模型的湍流方程[7,8]，其控制方程的通用形式為：

又因為輻射傳熱，應(yīng)采用適用性普遍的離散坐標輻射（DO）模型，輻射熱是作為能量源項加入到能量方程的，輻射方程修正為：

3 模擬結(jié)果及分析

對六種模型進行分析對比，重點分析Z=1m時人工作區(qū)域的截面，人體腳踝處Y=0.1m的截面和人體坐姿時頭部Y=1.1m截面處[9]的溫度場、速度場和PMV[10]的分布情況.

3.1 溫度場的對比分析

冬季房間供暖，由于熱空氣密度較小，呈上升趨勢，當(dāng)房間底部溫度達到供暖的要求時，整個房間的溫度都會滿足.

3.1.1 獨立鋪設(shè)模型Y=0.1m處溫度分布見下圖

(其中A-進風(fēng)口、C-電腦、D-門、L-燈、M-人、P-隔板以及R-回風(fēng)口)

圖2 地板模型Y=0.1m處溫度分布

3.1.2 通過以上對比分析可以得出

(1)單獨鋪設(shè)毛細管網(wǎng)時，地板模型腳踝部(0.1m)平均溫度21.9℃和人的坐姿時頭部(1.1m)平均溫度22.5℃,相對高于其他兩種模型.

(2)地板模型的熱空氣在室內(nèi)上升，室內(nèi)溫度較為均勻，豎直方向上溫度梯度為：0.6℃/m，但受門窗影響較大，房間內(nèi)人體舒適區(qū)域受限.其余模型房間溫度較低，人體舒適度較低.

3.1.3 聯(lián)合鋪設(shè)模型Y=0.1m處溫度分布見下圖

圖4 地板+墻壁模型Y=0.1m處溫度分布

圖5 人工作區(qū)域Z=1m時垂直方向溫度分布(聯(lián)合鋪設(shè))

3.1.4 通過以上對比分析可以得出

(1)聯(lián)合鋪設(shè)中有墻壁參與的模型，都明顯減緩了門窗對室內(nèi)環(huán)境的影響.

(2)聯(lián)合鋪設(shè)中有地板參與的模型，其室內(nèi)溫度都較為舒適.

(3)地板+墻壁模型腳踝部(0.1m)平均溫度22.3℃和人的坐姿時頭部(1.1m)平均溫度22.8℃，豎直方向上溫度梯度為：0.4℃/m.與地板模型相比，房間內(nèi)人體舒適區(qū)域有所增加，且溫度梯度更小.

3.2 速度場的對比分析

溫度梯度會改變空氣流動速度，溫度梯度越大，空氣流速越大.人的前額和腳踝是對風(fēng)速感覺最為敏感的部位，當(dāng)人保持坐姿時，即為0.1m和1.1m的位置.當(dāng)風(fēng)速很低時，空氣幾乎不流動，呼吸排出的有害物質(zhì)和空氣中的微生物就會聚集，影響空氣品質(zhì)和人體健康；當(dāng)風(fēng)速超過0.2m/s時，就會給人造成吹風(fēng)感，使人體感到不舒適[11].

3.2.1 獨立鋪設(shè)模型Z=1m截面速度分布

圖6 地板模型Z=1m截面速度分布

單獨鋪設(shè)時，地板模型由于受門窗的影響較大，水平方向上溫度梯度相對較大，故與其他兩個模型相比，風(fēng)速最大.人的腳踝部（0.1m）和人的坐姿時頭部（1.1m）處的風(fēng)速分別為0.19m/s、0.14m/s，人體感覺稍有吹風(fēng)感.

3.2.2 聯(lián)合鋪設(shè)模型Z=1m截面速度分布

圖7 地板+墻壁模型Z=1m截面速度分布

通過以上對比分析可以得出：

(1)聯(lián)合鋪設(shè)中有墻壁參與的模型，房間空氣流速都較為穩(wěn)定.

(2)聯(lián)合鋪設(shè)中有地板參與的模型，房間空氣流速相對較快.

(3)地板+墻壁模型在人的腳踝部（0.1m）和人的坐姿時頭部（1.1m）處的風(fēng)速分別為0.14m/s、0.1m/s，較地板模型風(fēng)速降低，且人無吹風(fēng)感.

3.3 PMV的對比分析

表1 PMV指標

根據(jù)ISO7730對PMV—PPD指標的推薦值應(yīng)在-0.5～+0.5之間

3.3.1 獨立鋪設(shè)模型Z=1m截面PMV分布

圖8 地板模型Z=1m截面PMV分布

3.3.2 通過上圖分析可以得出

單獨鋪設(shè)時，地板模型的人活動區(qū)域0.1～1.1m附近PMV基本處于-0.5～+0.5之間，屬舒適范圍，膝蓋及腿部稍涼.其余模型均超出此范圍，屬涼的范圍.

3.3.3 聯(lián)合鋪設(shè)模型Z=1m截面PMV分布

圖9 地板+墻壁模型Z=1m截面PMV分布

3.3.4 通過以上對比分析可以得出

(1)地板+墻壁模型的人活動區(qū)域0.1～1.1m附近PMV基本處于-0.5～+0.5之間，屬舒適范圍.

(2)墻壁+頂棚模型的人腿部及以下PMV基本處于-1.8～-1.2之間，屬稍涼范圍.

(3)地板+頂棚模型的PMV分布情況和地板模型相似，即頂棚鋪設(shè)毛細管網(wǎng)對人體舒適度影響較小.

4 結(jié)論

采用CFD軟件Airpak3.0對房間的溫度場、速度場和PMV分布情況進行了分析，得出以下結(jié)論:

(1)地板鋪設(shè)毛細管網(wǎng)供暖時，底層的熱空氣上升使整個空間處于熱環(huán)境中，可以充分利用輻射供熱，但受圍護結(jié)構(gòu)的影響較大.

(2)墻壁鋪設(shè)毛細管網(wǎng)供暖時，可以抵消一部分門窗對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，但無法使整個空間處于熱環(huán)境中.

(3)頂棚鋪設(shè)毛細管網(wǎng)供暖時，熱空氣基本停留在房間的上部，室內(nèi)溫度相對較低，受維護結(jié)構(gòu)影響較大，沒有充分地利用輻射供熱.

(4)對門窗較少的建筑物供暖時，建議采用地板鋪設(shè)毛細管網(wǎng)，在滿足人體舒適性要求的同時，又可以節(jié)約能源；對于門窗較多的建筑供暖時，建議采用地板+墻壁鋪設(shè)毛細管網(wǎng)，方能達到人體舒適性的要求.

〔1〕Feustel H E,Stetiu C.Hydronic radiant cooling-preliminaryassessment[J].Energyand Buildings,1995,22(3):193-205.

〔2〕Imanari T,Omori T,Bogaki k.Thermal comfort and energy consumption oftheradiant ceiling panel system,comparison with the conventional all-air system[J].Energy and Buildings,1999,30(2):167-175.

〔3〕王雪.冷卻頂板和太陽輻射對置換通風(fēng)系統(tǒng)影響的模擬與分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.6.

〔4〕高志宏，劉曉華，江億.毛細管輻射供冷性能試驗研究[J].太陽能學(xué)報,2011,23(1):101-106.

〔5〕那艷玲，涂光備，于松波，等.冷卻頂板對置換通風(fēng)系統(tǒng)的影響：CFD研究[J].暖通空調(diào),2005,23 (1):11-15.

〔6〕ISO7730.Moderate thermal environments－determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort[S].1984．

〔7〕袁東升，田慧玲，高建成．氣流組織對空調(diào)房間空氣環(huán)境影響的數(shù)值模擬[J].建筑節(jié)能，2008(9): 9－13．

〔8〕佘光華.地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究[J].制冷與空調(diào)，2008,22(2):14-17.

〔9〕毛輝.成都地區(qū)住宅室內(nèi)熱舒適性調(diào)查與分析研究[D].西南交通大學(xué)，2010.6.

〔10〕劉忠輝,李茂德.熱系統(tǒng)內(nèi)表面對空間有效溫度場的影響[J].能源技術(shù),2002（2）.

〔11〕徐麗，翁培奮，孫為民.三種通風(fēng)方式下的室內(nèi)氣流組織和室內(nèi)空氣品質(zhì)的數(shù)值分析[J]．空氣動力學(xué)報，2003，21(3):10-14.

TU831

A

1673-260X（2017）07-0047-03

2017-03-10

國家自然科學(xué)基金項目資助（51606002）