基于層狀通風(fēng)的輻射空調(diào)系統(tǒng)數(shù)值模擬

許 艷 張?chǎng)瘟?蔣達(dá)華

(江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

基于層狀通風(fēng)的輻射空調(diào)系統(tǒng)數(shù)值模擬

許 艷 張?chǎng)瘟?蔣達(dá)華

(江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

采用CFD對(duì)層狀通風(fēng)—平頂輻射耦合空調(diào)系統(tǒng)模擬分析辦公室的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng),結(jié)果表明，人體頭足溫差小，且送風(fēng)可及性好，能夠保證室內(nèi)空氣品質(zhì)，又不會(huì)引起明顯的吹風(fēng)感。

層狀通風(fēng),輻射空調(diào)系統(tǒng),數(shù)值模擬,熱舒適性

0 引言

室內(nèi)空氣品質(zhì)一直以來(lái)是人們普遍關(guān)注的話題。采用合理的通風(fēng)方式將室外空氣均勻送入室內(nèi)或建筑物內(nèi)，可以改善室內(nèi)空氣品質(zhì)及熱舒適性[1]?；旌贤L(fēng)、置換通風(fēng)和個(gè)性化通風(fēng)這三種是空調(diào)通風(fēng)的主要形式[2]?；旌贤L(fēng)對(duì)房間整體環(huán)境進(jìn)行控制，室內(nèi)空氣品質(zhì)較差，能耗較大；置換通風(fēng)則容易造成“頭暖腳寒”等熱不舒適感；個(gè)性化通風(fēng)在施工安裝時(shí)有一定的困難[3]。香港城市大學(xué)的林章[4]提出了新的通風(fēng)方式即層狀通風(fēng)，將風(fēng)口布置在側(cè)墻略高于人體呼吸區(qū)的位置，克服了傳統(tǒng)通風(fēng)方式的不足，送風(fēng)溫度大于20 ℃，達(dá)到節(jié)能的目的[5]。

輻射采暖始源于1907年,Arthur H. Barker將在地板底下埋入熱水管道,形成最初的地板輻射供暖系統(tǒng)[6]。隨著輻射供暖應(yīng)用的擴(kuò)大，人們開(kāi)始嘗試采用輻射供冷。平頂輻射供冷系統(tǒng)具有衛(wèi)生、舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)受到建筑行業(yè)的重視。輻射供冷系統(tǒng)的供水溫度一般為8 ℃～12 ℃，在滿足同等熱舒適度時(shí)，采用平頂輻射空調(diào)供冷系統(tǒng)室內(nèi)溫度可比常用空調(diào)系統(tǒng)提高1 ℃～3 ℃[6]，因此輻射供冷系統(tǒng)具有較高的節(jié)能性。

本文在此基礎(chǔ)上提出一種層狀通風(fēng)—平頂耦合輻射空調(diào)系統(tǒng)，降低了夏季輻射板表面結(jié)露的可能性，提高空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力。并且采用數(shù)值模擬的方法對(duì)耦合空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行研究分析。

1 空調(diào)負(fù)荷理論及輻射板面積計(jì)算

以贛州市某辦公室為例進(jìn)行輻射空調(diào)系統(tǒng)理論計(jì)算，其建筑尺寸為5 m×4 m×3 m。查閱手冊(cè)[7]，贛州市氣象數(shù)據(jù)如表1所示。夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取26 ℃，采用ACS9.0進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，輻射空調(diào)系統(tǒng)只能除去室內(nèi)的顯熱負(fù)荷，無(wú)法去除室內(nèi)的潛熱負(fù)荷。因此所述輻射空調(diào)系統(tǒng)采用熱濕獨(dú)立處理的方式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷、燈光負(fù)荷由輻射空調(diào)系統(tǒng)處理，其他由送風(fēng)系統(tǒng)處理。由表1可知，夏季毛細(xì)管網(wǎng)需要承擔(dān)的負(fù)荷為1 064 W。

毛細(xì)管網(wǎng)換熱量應(yīng)當(dāng)滿足室內(nèi)的冷、熱負(fù)荷要求，毛細(xì)管傳熱量可按下式[8]計(jì)算：

q=qf+qd,

qf=5×10-8[(tpj+273)4-(tfj+273)4]。

墻面供暖或供冷時(shí)：

qd=2.31∣tpj-tn∣0.31(tpj-tn)。

其中，q為毛細(xì)管網(wǎng)單位面積傳熱量，W/m2；qf為毛細(xì)管網(wǎng)單位面積輻射傳熱量，W/m2；qd為毛細(xì)管網(wǎng)單位面積對(duì)流傳熱量，W/m2；tpj為輻射面平均溫度，℃；tfj為室內(nèi)非加熱面的面積加權(quán)平均溫度，℃；tn為室內(nèi)空氣溫度。

代入數(shù)據(jù)可得q=-75.21 W/m2，夏季所需毛細(xì)管網(wǎng)輻射面積約為14.15 m2，初步設(shè)計(jì)在頂棚內(nèi)設(shè)置兩塊輻射板且每塊輻射板面積設(shè)定為7 m2，平頂輻射總面積為14 m2。選擇型號(hào)為KS15的毛細(xì)管產(chǎn)品[9]，產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)參數(shù)為集水管尺寸：20 mm×2 mm；毛細(xì)管尺寸：3.35 m×0.5 m；毛細(xì)管間距:15 mm;毛細(xì)管席長(zhǎng)度：600 mm～6 000 mm;毛細(xì)管寬度:150 mm～1 250 mm。每塊輻射板均選用長(zhǎng)度為3 500 mm寬度為500 mm的毛細(xì)管席4個(gè)并聯(lián)供冷。

2 數(shù)值模擬模型

如圖1所示，數(shù)值模擬模型為典型辦公室，模型原點(diǎn)在室內(nèi)中心點(diǎn)。室內(nèi)人數(shù)為2人，呈坐立姿態(tài)。室內(nèi)熱源還包括2臺(tái)電腦，單個(gè)電腦的散熱量取110 W，并且有2個(gè)照明燈，其單個(gè)燈管散熱量取40 W。兩個(gè)輻射板和回風(fēng)口均設(shè)置于天花板，輻射板表面溫度取20 ℃。送風(fēng)口設(shè)置于兩側(cè)墻且送風(fēng)口中心距地面為1.2 m，送風(fēng)速度取0.5 m/s，溫度為24 ℃。各個(gè)朝向的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室內(nèi)傳熱量均按前文計(jì)算結(jié)果設(shè)置。湍流模型選用k-epsilon(2eqn)中的RNG模型，輻射模型則選用DO模型，迭代2 000余次達(dá)到收斂。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由圖2可知室內(nèi)大部分區(qū)域溫度范圍為25 ℃～27 ℃，靠近送風(fēng)口的溫度約為25 ℃，滿足輻射制冷工況下的室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)要求，達(dá)到節(jié)能的目的。從垂直方向來(lái)看，室內(nèi)出現(xiàn)熱力分層，但是溫差小于1 ℃，熱力分層不明顯，不會(huì)造成人體的熱不舒適。

觀察圖3可知，室內(nèi)人員之間的過(guò)道溫度較低，室內(nèi)人員兩側(cè)溫度較高，這是因?yàn)槭覂?nèi)設(shè)備(電腦)和人體會(huì)產(chǎn)生一部分熱量，周圍溫度場(chǎng)較高，但是兩者溫差約為1 ℃，人體并不能明顯感覺(jué)其溫度差異性，滿足熱舒適性要求。采用層狀通風(fēng)—平頂耦合輻射空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，足部周圍溫度大于人體呼吸區(qū)溫度，兩者溫差約為0.6 ℃，小于相關(guān)規(guī)范要求的3 ℃，具有良好的熱舒適性。

結(jié)合圖2及圖4,圖5來(lái)看，兩側(cè)的層狀送風(fēng)口在送出新風(fēng)后，新風(fēng)風(fēng)速不斷下降進(jìn)入室內(nèi)1.5 m后速度小于0.3 m/s，且周圍溫度在25 ℃，新風(fēng)達(dá)到人員所在區(qū)域和房間中心處風(fēng)速小于0.1 m/s，不會(huì)給室內(nèi)人員帶來(lái)冷風(fēng)感?；仫L(fēng)口設(shè)置在房間中心處上方，當(dāng)在z>1.3 m時(shí)，回風(fēng)口周圍的風(fēng)速大于0.3 m/s，室內(nèi)人員活動(dòng)高度則是在z<0.5 m(距地面小于2 m)，因此得出，采用層狀通風(fēng)在人員活動(dòng)區(qū)域不會(huì)造成明顯的吹風(fēng)感，又能為室內(nèi)提供充足的新風(fēng)。

4 結(jié)語(yǔ)

提出一種新型的層狀通風(fēng)—平頂耦合輻射空調(diào)系統(tǒng)，以層狀通風(fēng)的形式往室內(nèi)送入相比于傳統(tǒng)空調(diào)溫度較高的新風(fēng)，在保證熱舒適的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源損耗，又可以減少輻射板表面局部結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生。以辦公室為例進(jìn)行制冷工況設(shè)計(jì)，采用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析室內(nèi)溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)分布可以得出以下結(jié)論：

1)采用層狀通風(fēng)—平頂耦合輻射空調(diào)系統(tǒng)可以滿足夏季制冷工況要求，室內(nèi)溫度范圍26 ℃～27 ℃，保證室內(nèi)人員良好的熱舒適性。

2)層狀送風(fēng)條件下，與距地1.5 m～2.7 m的空間范圍相比，平頂輻射板周圍及人員活動(dòng)區(qū)域溫度較低，有效的將空調(diào)控制區(qū)域控制在合理區(qū)域內(nèi)，利于實(shí)現(xiàn)建筑能耗的降低。

3)人體活動(dòng)區(qū)域頭部的空氣溫度低，足部周圍溫度高，兩者溫差約為0.6 ℃，既符合人體頭涼腳暖的熱舒適性要求，又滿足相關(guān)規(guī)范要求，有效提高了室內(nèi)的熱舒適性。

4)室內(nèi)送風(fēng)可及性好，能夠保證室內(nèi)人員呼吸區(qū)的空氣品質(zhì)，又不會(huì)引起明顯的吹風(fēng)感。

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Numericalsimulationofradiantairconditioningsystem-basedstratumventilation

XuYanZhangXinlinJiangDahua

(SchoolofArchitecturalandSurveying&MappingEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China)

The temperature field and velocity field of radiant air conditioning system of an typical office are simulated and analyzed by CFD. The results show that the temperature varies scarcely between head and feet. It guarantees the indoor air quality, and will not cause obvious blowing feeling.

stratum ventilation, radiant air conditioning system, numerical simulation, thermal comfort

TU831.4

A

1009-6825(2017)27-0101-02

2017-07-15

許 艷(1991- )，女，在讀碩士