輻射與對流一體化空調(diào)末端供暖舒適性研究

袁旭東，張秀平，吳俊峰，賈磊，宋有強，程立權(quán)

（1-合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2-合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽合肥 230088）

0 引言

目前空調(diào)末端工作模式主要分為對流方式和輻射方式，其中，對流方式主要以風(fēng)機盤管、變風(fēng)量末端、室內(nèi)空調(diào)機送風(fēng)等形式為代表[1-2]；輻射方式主要以換熱管（盤管）貼附在金屬板或其他材料上以形成輻射地板、頂板、墻面等形式為代表[3-5]。

對流方式的優(yōu)點是熱負(fù)荷處理能力強、室內(nèi)溫度響應(yīng)速度快，但是舒適性較差；輻射方式的優(yōu)點是舒適性高、穩(wěn)定性好[6-9]，但是受輻射板的材料壽命等限制，供暖時輻射面溫度不宜過高，因此具有響應(yīng)速度慢、啟動時間過長、熱負(fù)荷處理能力弱等缺點。

為彌補各自缺點，充分發(fā)揮對流、輻射兩種方式的優(yōu)勢互補，目前以風(fēng)機盤管與輻射地板、頂板或墻面的組合方式進(jìn)行供暖（冷）成為主要研究方向[10-14]，然而風(fēng)機盤管與輻射地板（頂板）的組合結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，易造成整體結(jié)構(gòu)龐大、施工與檢修難度大、設(shè)備占用空間多等缺點，若形成輻射與對流統(tǒng)一整體的一體化末端形式，將有利于解決上述問題。

本文根據(jù)一種輻射與對流一體化空調(diào)末端的設(shè)計方法，對一體化末端的位置、數(shù)量、運行參數(shù)進(jìn)行供暖動態(tài)仿真與理論分析，通過研究室內(nèi)達(dá)到舒適性溫度的所需時間、室內(nèi)溫度和風(fēng)速的分布情況，總結(jié)一體化末端對室內(nèi)熱環(huán)境的影響規(guī)律，為一體化末端的研究建立理論基礎(chǔ)與參考。

1 輻射與對流一體化空調(diào)末端簡介

圖1顯示的是一種輻射與對流一體化空調(diào)末端的結(jié)構(gòu)示意圖，其將輻射與對流兩種方式形成整體統(tǒng)一的末端形式，其中，輻射板、換熱器均可以通過流入換熱介質(zhì)（如熱水）來實現(xiàn)輻射和對流換熱；為實現(xiàn)對流方式供暖，通過風(fēng)機形成空氣流動，空氣從回風(fēng)口流入，經(jīng)換熱器加熱后從送風(fēng)口送出。

圖1 輻射與對流一體化空調(diào)末端結(jié)構(gòu)示意圖

2 CFD動態(tài)仿真建模

2.1 幾何建模

結(jié)合一體化空調(diào)末端（以下簡稱末端）和室內(nèi)空間建立供暖動態(tài)仿真模型，選擇某一建筑房間尺寸（長度9 m×寬度6 m×高度3.3 m）進(jìn)行幾何建模，有窗戶的墻為外墻，其它為內(nèi)墻，供暖房間如圖 2所示，末端簡化成長方體形，8個末端各向尺寸相同且貼墻安裝，在寬度X=3 m截面兩側(cè)分別對稱安放4個末端，其占用人體活動空間小，并對每個末端進(jìn)行編號（1#～8#），編號在圖3中所示，通過控制不同編號末端的啟動工作與否，以研究末端的位置、數(shù)量對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，不同的啟動模式在表1中所示。

圖2 用于供暖仿真的房間幾何模型

圖3 用于供暖仿真房間的俯視圖

表1 不同編號末端的啟動模式（啟動為“√”，不啟動為“X”）

2.2 仿真建模

室內(nèi)空氣視為不可壓縮流體，針對室內(nèi)空氣湍流流動，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε（Turbulence Kinetic Energy-dissipation Rate）方程并結(jié)合連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程進(jìn)行三維動態(tài)仿真，選擇壓力的隱式算子分割（Pressure Implicit Split Operator，PISO）算法，離散格式選用二階迎風(fēng)格式，輻射換熱采用離散坐標(biāo)（Discrete Ordinates，DO）輻射模型，壁面函數(shù)選擇增強壁面函數(shù)法，對室內(nèi)空間進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，在氣流變化劇烈的送風(fēng)口和回風(fēng)口附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。

2.3 邊界條件

若末端啟動工作，其送風(fēng)口采用速度入口邊界條件，送風(fēng)方向與送風(fēng)口垂直，回風(fēng)口采用自由出流邊界條件，輻射面和窗戶在模擬中設(shè)為第一類邊界條件（即溫度恒定），末端機殼、不啟動工作的末端送風(fēng)口、回風(fēng)口與輻射面均假設(shè)為絕熱壁面，基于樓層結(jié)構(gòu)，其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)的邊界條件設(shè)定為第三類（如表2所示）。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50736-2012[15]附錄A，選取上海地區(qū)的供暖室外計算溫度（-0.3 ℃）作為室外溫度，取內(nèi)墻、頂板和地板外側(cè)溫度比室外溫度高5 ℃，窗戶溫度為-0.3 ℃。

表2 供暖仿真模型第三類邊界條件設(shè)定

3 末端供暖動態(tài)特性分析

3.1 室內(nèi)達(dá)到舒適性溫度的所需時間

圖4顯示的是在房間對角方向 4個末端啟動（啟動模式2）和送風(fēng)風(fēng)速0.5 m/s的情況下，人體坐姿頭部高度（1.1 m）平面[16]的平均溫度隨時間的動態(tài)變化圖。圖 4表明，當(dāng)末端開始啟動工作時，室內(nèi)溫度迅速上升，隨著時間的推移，室內(nèi)溫度上升速度越來越小并逐步趨于穩(wěn)定，當(dāng)末端運行參數(shù)不同時，供暖能力不同，會造成室內(nèi)的溫度上升速度和達(dá)到穩(wěn)定后溫度值的不同。

圖4 人體坐姿頭部高度平面的平均溫度動態(tài)變化圖（送風(fēng)溫度Ta、輻射面溫度Tf）

GB 50736-2012[15]規(guī)定了供暖室內(nèi)熱環(huán)境至少要滿足Ⅱ級舒適度：風(fēng)速不大于0.2 m/s，且溫度為18 ℃～22 ℃。圖5顯示的是在房間對角方向4個末端啟動和送風(fēng)風(fēng)速 0.5 m/s的情況下，不同送風(fēng)溫度、輻射面溫度對人體坐姿頭部高度平面的平均溫度達(dá)到 18 ℃的所需時間（以下簡稱所需時間）的影響。當(dāng)輻射面溫度不變、送風(fēng)溫度增加時，所需時間降低明顯且降低幅度逐漸變小；當(dāng)送風(fēng)溫度不變、輻射面溫度增加時，所需時間降低很小，因此，所需時間受送風(fēng)溫度影響更大，且隨著送風(fēng)溫度的增加，所需時間受送風(fēng)溫度的影響逐步減小。

圖5 送風(fēng)溫度和輻射面溫度對達(dá)到舒適性溫度所需時間的影響

3.2 啟動模式對室內(nèi)熱環(huán)境的影響研究

在送風(fēng)風(fēng)速0.5 m/s、送風(fēng)溫度24 ℃、輻射面溫度24 ℃不變的情況下，針對不同的啟動模式，分析室內(nèi)熱環(huán)境在第25分鐘時刻的均勻度與舒適性。

3.2.1 溫度分布

圖6(a)和圖6(b)分別顯示長度方向中間截面在房間對角方向2、4個末端啟動（啟動模式1、2）下的溫度分布圖。在房間對角方向2個末端啟動運行時，長度方向中間截面仍有大部分區(qū)域溫度未達(dá)到 18 ℃，室內(nèi)中心區(qū)域的溫度梯度低于 2 ℃/m，溫度分布均勻度較好。在房間對角方向4個末端啟動運行時，長度方向中間截面大部分區(qū)域溫度都超過 18 ℃，室內(nèi)中心區(qū)域的溫度梯度低于 1 ℃/m，相對于房間對角方向2個末端啟動情況，其室內(nèi)溫度分布更加均勻，因此，在相同的送風(fēng)風(fēng)速、送風(fēng)溫度和輻射面溫度的情況下，當(dāng)合理增加末端數(shù)量時，不僅有利于提高室內(nèi)溫度，也能夠更好地改善室內(nèi)溫度均勻度，提高舒適性。

3.2.2 風(fēng)速分布

圖7(a)～圖 7(c)分別顯示寬度方向中間截面在房間對角方向啟動4個、6個和8個末端（啟動模式2、模式3和模式4）工況下的風(fēng)速分布圖。

在房間對角方向4個末端啟動的情況下，寬度方向中間截面在人體活動區(qū)域（高度小于 2 m）的大部分風(fēng)速小于0.1 m/s，滿足舒適性標(biāo)準(zhǔn)[15]的風(fēng)速要求，因此人體無吹風(fēng)感。

在房間對角方向6個末端啟動的情況下，在寬度方向中間截面的中心位置出現(xiàn)了風(fēng)速超過0.2 m/s的區(qū)域，而在房間對角方向8個末端啟動（即末端全部啟動）的情況下，寬度方向中間截面的大部分區(qū)域風(fēng)速都大于0.2 m/s。

圖6 長度方向中間截面的溫度分布圖

圖7 寬度方向中間截面的風(fēng)速分布圖

由上可知，當(dāng)靠墻面單獨一側(cè)的末端送風(fēng)時，室內(nèi)人體活動區(qū)域的風(fēng)速易維持在很小范圍，而當(dāng)處于對稱位置的兩側(cè)末端同時送風(fēng)時，易造成室內(nèi)風(fēng)速過大，導(dǎo)致達(dá)不到舒適性標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速要求，造成強烈的吹風(fēng)感。

4 結(jié)論

本文對輻射與對流一體化空調(diào)末端及室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行 CFD供暖動態(tài)仿真，分析了室內(nèi)達(dá)到舒適性溫度（18 ℃）的所需時間和室內(nèi)熱環(huán)境的分布情況，得到以下結(jié)論：

1）所需時間受輻射面溫度的影響較小而受送風(fēng)溫度的影響更大，隨著送風(fēng)溫度的增加，所需時間受送風(fēng)溫度的影響逐步減小；

2）一體化空調(diào)末端能夠使室內(nèi)實現(xiàn)較好的舒適性和溫度均勻度，當(dāng)合理增加末端數(shù)量時，一方面有利于提高室內(nèi)溫度，另一方面可以更好地改善室內(nèi)溫度均勻性；

3）靠墻面單獨一側(cè)的末端送風(fēng)時，室內(nèi)風(fēng)速易處于很小范圍，而處于對稱位置的兩側(cè)末端同時送風(fēng)時，易造成室內(nèi)風(fēng)速過大，造成強烈的吹風(fēng)感。

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