某實(shí)訓(xùn)樓輻射空調(diào)系統(tǒng)供冷的熱濕環(huán)境模擬研究

曹振 傅允準(zhǔn)

摘要：為了研究輻射空調(diào)系統(tǒng)供冷工況下送風(fēng)方式對室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響，采用數(shù)值模擬的研究方法進(jìn)行相關(guān)研究。以上海市某高校的一個實(shí)驗(yàn)室為研究對象，利用天正暖通軟件對該房間進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，得到其冷負(fù)荷及濕負(fù)荷，根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)了輻射吊頂以及新風(fēng)系統(tǒng)，其中送風(fēng)方式分為頂板送風(fēng)和地板送風(fēng)。利用Airpak建立模型并模擬分析在輻射吊頂供冷與這兩種送風(fēng)方式新風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行下房間內(nèi)溫度特性分布、相對濕度特性分布及風(fēng)速特性分布，并對采用這兩種送風(fēng)方式的輻射空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)露特性進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果表明，采用地板送風(fēng)比采用頂板送風(fēng)室內(nèi)溫度和相對濕度分布更均勻，風(fēng)速也更符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。此外，采用地板送風(fēng)比采用頂板送風(fēng)的輻射吊頂發(fā)生結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)更小。本項(xiàng)研究結(jié)果可為用于供冷的輻射空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、風(fēng)口位置的布置及輻射空調(diào)系統(tǒng)的在中國南方地區(qū)的推廣應(yīng)用提供一定的參考價值。

關(guān)鍵詞： 負(fù)荷計(jì)算; 模擬分析; 溫度特性分布; 濕度特性分布; 結(jié)露特性分析

【Abstract】 In order to study the relationship between the indoor heat and humidity environment and the air supply mode under the radiant cooling system， numerical simulation method is used to research. A laboratory of a university in Shanghai is used as the research object， and the load calculation of the room is performed by Tianzheng HVAC software. The radiation ceiling and the fresh air system are designed according to the calculation results， and the air supply mode including ceiling air supply and floor air supply. The model is built by Airpak software. And the temperature distribution， relative humidity distribution and wind speed distribution in the room under the radiant cooling system and the two air supply modes are also analyzed by Airpak software. The condensation characteristics of the two air supply methods are compared and analyzed. The research results show that temperature and relative humidity distribution of floor air supply is more uniform than that of ceiling air supply， and the wind speed of floor air supply is more in line with the design standard. In addition， there is less risk of condensation on the radiant panel using floor air supply. The results of this study can provide some reference value for the design of radiant air conditioning system for cooling， the layout of air inlet location and the promotion and application of radiant air conditioning system in the south of China.

【Key words】 ? load calculation; simulation analysis; temperature distribution; humidity distribution; condensation analysis

0 引 言

過度使用化石燃料帶來的能源緊張與環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，為此，中國政府在“十二五”期間提出了單位GDP能耗下降16%的要求[1]。在各個行業(yè)中建筑行業(yè)的能源消耗量比較大，中國的建筑行業(yè)對能源的消耗比例接近1/3[2]。而在建筑能耗中，暖通空調(diào)的能耗比例最大，占建筑總能耗的65%左右[3]，輻射空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能和舒適高的優(yōu)點(diǎn)，受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注[4]。輻射空調(diào)屬于溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)集中空調(diào)系統(tǒng)相比，輻射空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能可達(dá)30%左右[5-8]。Imanari等人[9]對日本東京某辦公樓的辦公室進(jìn)行了研究，通過對頂板輻射供冷系統(tǒng)進(jìn)行能耗模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)頂板輻射系統(tǒng)比全空氣系統(tǒng)節(jié)省10%的能耗，此外，房間內(nèi)垂直溫度梯度比較小，人體感覺比較舒適，后來通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。

輻射空調(diào)系統(tǒng)通常是由輻射末端與獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行工作，目前使用最多的送風(fēng)方式是地板送風(fēng)和頂板送風(fēng)，對于這兩種送風(fēng)方式對輻射空調(diào)系統(tǒng)供冷性能的影響，有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。王亮等人[10]利用了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分別研究了地送風(fēng)和踢腳送風(fēng)與地板輻射供冷相結(jié)合時室內(nèi)的溫度及風(fēng)速分布情況，結(jié)果表明踢腳送風(fēng)與地板供冷的結(jié)合方式可以使人體獲得更高的熱舒適性。張巖[11]通過數(shù)值模擬的方法研究了單獨(dú)使用輻射吊頂供冷和地板送風(fēng)與輻射吊頂聯(lián)合供冷的運(yùn)行特性，研究發(fā)現(xiàn)，單靠輻射吊頂供冷會發(fā)生結(jié)露，而吊頂與地板送風(fēng)結(jié)合后不僅不會發(fā)生結(jié)露，而且室內(nèi)舒適性較高。袁永莉等人[12]通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法研究了地板送風(fēng)與輻射吊頂夏季供冷時室內(nèi)的溫度梯度情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高度2.0～2.7 m范圍內(nèi)溫度梯度變化劇烈。王瑋等人[13]通過研究了地板送風(fēng)與置換送風(fēng)在住宅內(nèi)的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，與地板送風(fēng)相比，置換通風(fēng)能夠更好地達(dá)到室內(nèi)的溫度要求。盡管關(guān)于地板送風(fēng)及頂板送風(fēng)的研究都不少，然而卻沒有對輻射吊頂分別與地板送風(fēng)和頂板送風(fēng)的聯(lián)合供冷運(yùn)行特性的對比分析研究，地板送風(fēng)與頂板送風(fēng)作為比較常用的2種送風(fēng)方式，缺少相關(guān)研究就使得空調(diào)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)送風(fēng)口的位置時會缺少參考，因此有必要進(jìn)行該項(xiàng)研究。

本次研究采用數(shù)值模擬的研究方法，這是由于數(shù)值模擬的方法具有變量因素都是可控的，而且可以避免干擾因素對研究結(jié)果的影響的優(yōu)點(diǎn)，這里以上海某高校的一間實(shí)驗(yàn)室為研究對象，本次主要模擬了穩(wěn)態(tài)時地板送風(fēng)與頂板送風(fēng)室內(nèi)的溫度、相對濕度以及氣流速度等等，模擬結(jié)果以豎直方向和水平方向的云圖展現(xiàn)。根據(jù)模擬結(jié)果得出這兩種送風(fēng)方式中舒適性更高、結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)更小的送風(fēng)方式。研究成果可以為輻射空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及風(fēng)口布置提供參考，同時也是對輻射空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域研究的有力補(bǔ)充。

1 負(fù)荷計(jì)算

1.1 相關(guān)參數(shù)

該實(shí)驗(yàn)室位于實(shí)訓(xùn)樓的第一層，房間的面積為33.6 m2，南側(cè)、北側(cè)和西側(cè)墻體為內(nèi)墻，東側(cè)墻體為外墻和外窗，房間長8.4 m，寬4 m，高3.1 m。上海室外氣象參數(shù)和辦公樓的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1、表2。

1.2 計(jì)算結(jié)果

采用天正暖通軟件按逐時法計(jì)算夏季房間內(nèi)冷負(fù)荷和濕負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果為室內(nèi)冷負(fù)荷為3 486 W，濕負(fù)荷為332.1 g/h。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

房間的空調(diào)系統(tǒng)采用的是輻射吊頂與獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)，輻射吊頂主要由輻射金屬板組成。

2.1 輻射吊頂設(shè)計(jì)

輻射吊頂采用的是某公司標(biāo)準(zhǔn)化定制的輻射板，單塊輻射板尺寸為1.2 m×0.6 m，本項(xiàng)目中輻射板單位輻射板面積換熱量為85.62 W/m2，則單塊板換熱量為61.65 W，房間內(nèi)布置輻射板的數(shù)量為39塊，輻射吊頂承擔(dān)的顯熱負(fù)荷為 2 404.35 W，新風(fēng)承擔(dān)的顯熱負(fù)荷為1 081.65 W。

2.2 新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由給定參數(shù)可知，房間內(nèi)人員密度為0.1人/m2，房間面積為33.6 m2，則房間內(nèi)人數(shù)為3.36人，取人數(shù)為4人。由于新風(fēng)承擔(dān)的顯熱負(fù)荷為1 081.65 W，承擔(dān)濕負(fù)荷為332.1 g/h，取送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O的含濕量為10 g/kg，則可根據(jù)焓濕圖得到室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)及送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的具體參數(shù)，按消除顯熱負(fù)荷所需風(fēng)量為207 m3/h，此新風(fēng)量消除余濕負(fù)荷的能力為422.28 g/h，由上文可知，室內(nèi)的余濕負(fù)荷為332.1 g/h，計(jì)算結(jié)果大于室內(nèi)的余濕負(fù)荷，可以滿足除濕要求?？傂嘛L(fēng)量207 m3/h，也滿足人均新風(fēng)量30 m3/（h·p）的要求。

3 數(shù)值模擬

Airpak模擬采用了軟件為Fluent公司開發(fā)的Airpak模擬軟件，該軟件具有面向?qū)ο蟮慕９δ埽泻芏嗄K可以自行選擇，如：房間、墻壁、送風(fēng)口、排風(fēng)口、人體等，而且對紊流、層流、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)問題均適用，同時采用FLUENT求解器進(jìn)行求解，采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散，求解速度較快，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。Airpak軟件的模擬結(jié)果包括了室內(nèi)溫度場、速度場、空氣齡、氣流組織、PMV-PPD等，方便用戶對房間進(jìn)行全面綜合的評價。

3.1 物理模型

房間模型的具體尺寸是根據(jù)房間的真實(shí)尺寸確定的，其尺寸為8.4 m（x）×4 m（z）×3.1 m（y），該辦公室的吊頂由3排金屬輻射板構(gòu)成，每一排板數(shù)為13塊，單塊金屬板的尺寸為1.2（m）×0.6（m）。為簡化模型，建模時將每一排相連的13塊輻射板簡化成一整塊板，建立的模型如圖1所示。

3.2 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)室內(nèi)流體為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮流體，流動的方式為湍流，由于此模型中考慮因密度差引起的自然對流問題，因此在模擬中啟用浮力模型[14]。本模擬中采用質(zhì)量連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及標(biāo)準(zhǔn)模型。研究內(nèi)容詳見如下。

3.5 網(wǎng)格劃分

采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對空調(diào)區(qū)域做網(wǎng)格局部加密處理，對非空調(diào)區(qū)域做稀疏處理，X方向網(wǎng)格單元最大尺寸為0.415 m，Y方向網(wǎng)格單元最大尺寸為0.155 m，Z方向網(wǎng)格最大單元尺寸為0.2 m，地板送風(fēng)模型的網(wǎng)格單元數(shù)為107 016，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為116 090;頂板送風(fēng)模型的網(wǎng)格單元數(shù)為100 737，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為109 618。

4 模擬結(jié)果

模擬結(jié)果選取了2種工況下y=1.5 m水平面的溫度分布、相對濕度分布、風(fēng)速大小分布以及z=-2.1 m豎直面的溫度分布、相對濕度分布、風(fēng)速大小分布。y=1.5 m高度跟人體的頭部大致相當(dāng)，選取此平面分析更具有代表性。同時也繪制出了2種工況下距南墻不同距離的溫度和相對濕度變化情況以及距地面不同高度的溫度和相對濕度變化情況。

4.1 室內(nèi)溫度場

地板送風(fēng)與頂板送風(fēng)室內(nèi)溫度分布如圖3和圖4所示。

圖3（a）和圖4（a）為地板送風(fēng)和頂板送風(fēng)y=1.5 m水平截面房間內(nèi)溫度分布圖，由兩工況溫度分布圖可以看出，靠近人體和電腦的區(qū)域溫度都略高于其他區(qū)域的溫度，室內(nèi)區(qū)域整體溫度為25 ℃左右，溫度分布比較均勻。地板送風(fēng)房間左側(cè)區(qū)域溫度為25.3℃左右，而頂板送風(fēng)室內(nèi)左側(cè)區(qū)域溫度為24.6 ℃左右，比地板送風(fēng)溫度偏低。圖3（b）和圖4（b）為地板送風(fēng)和頂板送風(fēng)z=-2.1 m豎直截面房間內(nèi)溫度分布圖，由圖中的數(shù)據(jù)可知，房間內(nèi)整體溫度在24 ℃～25 ℃，豎直方向靠近輻射板附近區(qū)域溫度較低。地板送風(fēng)室內(nèi)下方的溫度較低，均為24 ℃左右，豎直方向溫差為1 ℃左右，頂板送風(fēng)房間內(nèi)整體上豎直方向溫度分布均勻。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730，對于房間高度方向每米溫差不能超過3 K時人體才能夠得到舒適性，所以模擬結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足人體舒適度的要求。

4.2 室內(nèi)濕度場

地板送風(fēng)與頂板送風(fēng)室內(nèi)相對濕度分布如圖5和圖6所示。

圖5（a）和圖6（a）為地板送風(fēng)和頂板送風(fēng)工況y=1.5 m高度水平面的相對濕度分布圖，從圖中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)2種工況室內(nèi)大部分區(qū)域相對濕度范圍在57.5%～61.5%，其中地板送風(fēng)室內(nèi)左側(cè)區(qū)相對濕度為58%左右，右側(cè)區(qū)域相對濕度為60.5%左右。頂板送風(fēng)室內(nèi)左側(cè)區(qū)域相對濕度為61%左右，而右側(cè)區(qū)域?yàn)?0%左右。圖5（b）和圖6（b）為地板送風(fēng)和頂板送風(fēng)工況z=-2.1 m位置豎直面相對濕度分布圖，由圖可知，地板送風(fēng)房間下方靠近地板區(qū)域的相對濕度在64%～65%左右，上方大部分區(qū)域的相對濕度為60%左右。頂板送風(fēng)室內(nèi)只有送風(fēng)口下方部分區(qū)域的相對濕度偏高為62%左右，其他區(qū)域均為60%左右。

4.3 室內(nèi)風(fēng)速分布

地板送風(fēng)與頂板送風(fēng)室內(nèi)風(fēng)速分布如圖7和圖8所示。

圖7（a）和圖8（a）為地板送風(fēng)和頂板送風(fēng)y=1.5 m平面風(fēng)速分布，由圖可看出，風(fēng)速的大部分在0.05 m/s到0.1 m/s之間，其中地板送風(fēng)室內(nèi)整體風(fēng)速分布均勻，頂板送風(fēng)室內(nèi)送風(fēng)口附近區(qū)域風(fēng)速較大，風(fēng)速最大值達(dá)到了0.5 m/s。圖7（b）和圖8（b）為地板送風(fēng)和頂板送風(fēng)z=-2.1 m豎直截面風(fēng)速分布，由圖可知兩工況下室內(nèi)風(fēng)速大部分在0.02 m/s～0.1 m/s左右，地板送風(fēng)室內(nèi)風(fēng)速分布比較均勻，室內(nèi)靠近進(jìn)風(fēng)口區(qū)域風(fēng)速為0.18 m/s左右。根據(jù)文獻(xiàn)[14]中設(shè)計(jì)要求，室內(nèi)風(fēng)速不宜太大，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)風(fēng)速v≤0.30 m/s，所以地板送風(fēng)更加滿足要求。

4.4 溫濕度變化分析

地板送風(fēng)與頂板送風(fēng)室內(nèi)溫濕度變化趨勢分別如圖9和圖10所示。

南墻為玻璃幕墻，圖9（a）為y=1.5 m水平截面溫濕度變化，由圖9（a）可知，隨著與玻璃幕墻之間距離的逐漸增加，室內(nèi)溫度從25.5 ℃緩慢降低至25 ℃，降低的幅度為0.5 ℃左右，相對濕度則從60%緩慢上升至63%，升高幅度為3%左右;圖9（b）為z=-2.1 m豎直截面溫濕度變化，由圖9（b）可知，隨著與地面的距離的增加，室內(nèi)溫度從24.5 ℃緩慢降低至22.5 ℃，降低幅度為2 ℃左右，相對濕度從62%逐漸上升至67%左右，靠近輻射板時又迅速降低至60%左右。

圖10（a）為y=1.5 m水平截面溫濕度變化，由圖10（a）可知，隨著與玻璃幕墻之間距離的逐漸增加，室內(nèi)溫度從24.5 ℃緩慢升高至25.5 ℃，升高幅度為1 ℃左右，相對濕度則從63%緩慢降低至60%，降低幅度為3%左右;圖10（b）為z=-2.1 m豎直截面溫濕度變化，由圖10（b）可知，隨著與地面的距離的增加，室內(nèi)溫度先在25 ℃左右保持穩(wěn)定，接近輻射板時溫度則迅速降低，高度為2.9 m時溫度僅為22 ℃左右，室內(nèi)相對濕度在60%左右保持穩(wěn)定，靠近輻射板時相對濕度緩慢上升至62%左右。

4.5 結(jié)露分析

為了研究表明輻射吊頂是否結(jié)露主要受到輻射吊頂貼附層（距離輻射板0.01 m）空氣參數(shù)的影響，因此選取輻射吊頂貼附層（距離輻射板0.01 m）內(nèi)12個測點(diǎn)位置進(jìn)行研究，對輻射空調(diào)系統(tǒng)以地板送風(fēng)方式和頂板送風(fēng)方式輻射板的結(jié)露情況進(jìn)行分析[15]。測點(diǎn)位置如圖11所示，2種送風(fēng)方式的露點(diǎn)溫度與輻射板溫度如圖12所示。

由圖12可知，室內(nèi)輻射吊頂?shù)臏囟确€(wěn)定在19 ℃，地板送風(fēng)和頂板送風(fēng)的露點(diǎn)溫度都比較穩(wěn)定，地板送風(fēng)的露點(diǎn)溫度為11.5 ℃左右，頂板送風(fēng)的露點(diǎn)溫度為12 ℃左右，地板送風(fēng)和頂板送風(fēng)的露點(diǎn)溫度都遠(yuǎn)低于輻射板溫度，所以在輻射空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，采用這兩種送風(fēng)方式輻射板均不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，而地板送風(fēng)貼附層露點(diǎn)溫度比頂板送風(fēng)貼附層露點(diǎn)溫度低0.5 ℃左右，所以采用地板送風(fēng)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)更小。

5 結(jié)束語

通過對地板送風(fēng)和頂板送風(fēng)的輻射吊頂供冷空調(diào)系統(tǒng)的模擬研究，得出了以下結(jié)論：

（1）從溫度分布來看，地板送風(fēng)房間溫度與頂板送風(fēng)房間溫度分布范圍基本相同，均為24.5 ℃～25.5 ℃，而由溫度變化可以發(fā)現(xiàn)，從南墻到北墻以及從地面到輻射吊頂，頂板送風(fēng)房間內(nèi)溫度逐漸降低，降低幅度較大，地板送風(fēng)溫度變化則很小，溫度比較穩(wěn)定。所以相比較頂板送風(fēng)而言，地板送風(fēng)室內(nèi)溫度更加均勻。

（2）從相對濕度分布來看，地板送風(fēng)與頂板送風(fēng)房間內(nèi)相對濕度平均值為60%左右，由濕度變化則可以看出，從南墻到北墻，頂板送風(fēng)和地板送風(fēng)室內(nèi)相對濕度都比較穩(wěn)定。而從地面到輻射吊頂，地板送風(fēng)室內(nèi)相對濕度逐漸升高，頂板送風(fēng)室內(nèi)相對濕度則比較穩(wěn)定。

（3）從風(fēng)速分布來看，頂板送風(fēng)的進(jìn)風(fēng)口下方部分區(qū)域風(fēng)速超過0.3 m/s，風(fēng)速最大值達(dá)到了0.5 m/s，地板送風(fēng)室內(nèi)風(fēng)速分布比較均勻，室內(nèi)靠近進(jìn)風(fēng)口區(qū)域風(fēng)速為0.18 m/s左右，所以使用地板送風(fēng)比頂板送風(fēng)可以獲得更高的人體舒適性。

（4）地板送風(fēng)和頂板送風(fēng)的露點(diǎn)溫度都遠(yuǎn)低于輻射板溫度，所以在輻射空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，采用這兩種送風(fēng)方式輻射板均不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，但地板送風(fēng)的貼附層內(nèi)露點(diǎn)溫度比頂板送風(fēng)貼附層內(nèi)露點(diǎn)溫度更低，所以采用地板送風(fēng)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)更小。

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