基于CFD的低溫送風(fēng)冷輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院，上海 201418）

0 引言

作為一種新型的空調(diào)系統(tǒng)，輻射供冷系統(tǒng)中輻射傳熱所占的份額在50%以上［1］，因此采用冷輻射吊頂時(shí)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度可比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)高1～2 ℃［2］，并且輻射空調(diào)系統(tǒng)還具有極低的噪聲、舒適的吹風(fēng)感、衛(wèi)生性好等優(yōu)點(diǎn)［3］。但輻射供冷也同時(shí)存在著供冷能力不足、無新風(fēng)和易結(jié)露等缺點(diǎn)［4］。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)室內(nèi)溫度為26 ℃時(shí)，計(jì)算露點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)為17～20 ℃［5］。因此輻射吊頂表面的溫度若高于20 ℃，則不會(huì)產(chǎn)生結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。利用低溫送風(fēng)系統(tǒng)可以承擔(dān)一部分的室內(nèi)冷負(fù)荷，從而提高吊頂輻射板供冷溫度。低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)較于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，送風(fēng)溫度可由15～18 ℃降低至 4～13 ℃［6］，由于送風(fēng)溫度低，去濕能力加強(qiáng)［7］，可以使室內(nèi)相對(duì)濕度保持在較低的范圍內(nèi)，從而減少冷輻射吊頂結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可以解決冷輻射吊頂供冷量不足及無新風(fēng)的問題，并且較低的相對(duì)濕度能使人體感到更舒適。但是由于送風(fēng)溫度較低，室內(nèi)容易產(chǎn)生冷風(fēng)過快下墜導(dǎo)致熱舒適性差的情況［8］。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，低溫送風(fēng)口的送風(fēng)角度對(duì)冷風(fēng)下墜會(huì)有很大改善。

為了研究在冷輻射吊頂和低溫送風(fēng)技術(shù)結(jié)合時(shí)，頂送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)的熱舒適性的影響，本文設(shè)計(jì)一種冷輻射吊頂+低溫頂送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的辦公室模型，采用CFD模擬軟件FLUENT 2019R1對(duì)辦公室內(nèi)的溫度分布和空氣流場進(jìn)行模擬計(jì)算，并分別模擬送風(fēng)溫度為11 ℃與13 ℃時(shí)，不同送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)熱舒適性的影響。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 房間模型

本文所研究的模型取自上海某辦公室，房間尺寸為7 m×6 m×3 m。房間內(nèi)主要熱源是人體和電腦設(shè)備，日光燈白天一般不開因此不予考慮，另外還有辦公桌和椅子等用品。房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)為南面外墻，其它為內(nèi)墻和地板，為簡化模型將頂板設(shè)定為冷輻射吊頂且表面溫度均勻，室內(nèi)送風(fēng)方式為上送下回，低溫送風(fēng)口位于房間頂部中間位置，回風(fēng)口位于房間北墻下側(cè)，為防止地板灰塵被吸入風(fēng)口，將風(fēng)口高度設(shè)置為0.4 m，房間整體模型如圖1所示。

圖1 房間模型

1.2 低溫風(fēng)口模型

為模擬低溫送風(fēng)口，將浙江某公司生產(chǎn)的射流低溫送風(fēng)口進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，其送風(fēng)口剖面如圖2（a）所示，其中有4種不同角度的側(cè)板，送風(fēng)角度為側(cè)板與垂直地面方向的夾角，下側(cè)擋板隨送風(fēng)角度的增大而加長。

此次為方便模擬計(jì)算，低溫送風(fēng)口簡化為2個(gè)495 mm×100 mm的矩形風(fēng)口，如圖2（b）所示，回風(fēng)口尺寸為450 mm×100 mm。

圖2 風(fēng)口模型

1.3 數(shù)學(xué)模型

在模擬過程中因考慮對(duì)流換熱和輻射換熱，采用是基于有限容積法的標(biāo)準(zhǔn)k-ε、雙方程模型+離散坐標(biāo)輻射DO模型。

k-ε雙方程模型湍流動(dòng)能k方程：

湍流耗散率ε方程：

DO模型輻射運(yùn)輸方程：

室內(nèi)氣體為低速的不可壓縮氣體，流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流，并符合Boussinasq假設(shè)，即默認(rèn)流體的密度變化只對(duì)浮升力產(chǎn)生影響［9］，空氣基準(zhǔn)密度取1.225 kg/m3；假定所模擬的辦公室室內(nèi)氣密性良好，不考慮漏風(fēng)影響。

2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

邊界條件的設(shè)置如下：

（1）設(shè)計(jì)溫度：室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為27 ℃。

（2）入口邊界：送風(fēng)口定義為速度入口，風(fēng)速為0.5 m/s；入口與豎直方向的夾角分別為30°、45°、60°、75°。

（3）出口邊界：回風(fēng)口定義為自由出流。

（4）壁面邊界：南面墻壁溫度為305.15 K，北墻溫度為300.15 K，與空調(diào)房間相連的均視為絕熱壁面，地板視為絕熱面，輻射吊頂設(shè)為恒溫295.15 K；人體設(shè)為恒溫310.15 K，電腦溫度為310.15 K。

各邊界的物性參數(shù)如表1所示。

表1 邊界物性參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 室內(nèi)溫度場分析

辦公室的工作區(qū)高度為0.1～1.5 m，而人體最敏感的部位是頭部，辦公室內(nèi)人坐姿的時(shí)候頭部的高度大約為1.1 m，因此截取高度Z=1.1 m時(shí)的室內(nèi)溫度場來判斷熱舒適性。圖3（a）～（h）分別示出了送風(fēng)溫度11 ℃和13 ℃時(shí)4個(gè)不同送風(fēng)角度的溫度場。

圖3 2種送風(fēng)溫度時(shí)（11，13 ℃）時(shí)不同送風(fēng)角度的溫度場

從圖可知：

（1）送風(fēng)溫度為13 ℃時(shí)的溫度場整體比送風(fēng)溫度為11 ℃時(shí)更為均勻，室內(nèi)熱舒適性更佳。

（2）當(dāng)送風(fēng)角度為30°時(shí)，2種送風(fēng)溫度都有明顯的“冷風(fēng)”下墜現(xiàn)象，送風(fēng)溫度11 ℃的溫度場最不均勻，工作區(qū)溫度梯度最大。

（3）當(dāng)送風(fēng)角度為45°時(shí)，2種送風(fēng)溫度都有較為明顯的“冷風(fēng)”下墜現(xiàn)象，送風(fēng)溫度11 ℃時(shí)的溫度場相比13 ℃時(shí)更為不均勻，溫度梯度更大。

（4）當(dāng)送風(fēng)角度為60°時(shí)，2種送風(fēng)溫度都有輕微的“冷風(fēng)”下墜現(xiàn)象，送風(fēng)溫度11 ℃時(shí)的溫度場相比13 ℃時(shí)略微不均勻，但是溫度梯度主要集中在送風(fēng)口下側(cè)，房間內(nèi)工作人員周圍溫度場較均勻。

（5）當(dāng)送風(fēng)角度為75°時(shí)，2種送風(fēng)溫度均未出現(xiàn)“冷風(fēng)”下墜現(xiàn)象，室內(nèi)溫度場均勻，沒有溫度分層現(xiàn)象和渦流區(qū)，溫度梯度不明顯。

根據(jù)仿真模擬結(jié)果可知，75°送風(fēng)角度時(shí)溫度場最均勻，室內(nèi)熱舒適性依次為送風(fēng)角度75°＞65°＞ 45°＞ 30°。

3.2 室內(nèi)速度場分析

圖4中（a）～（h）示出了送風(fēng)溫度分別為11，13 ℃時(shí)4個(gè)不同送風(fēng)角度的速度場。從圖可看出：

（1）由于太陽輻射的原因南墻周圍速度梯度較大。送風(fēng)溫度13 ℃的速度場整體比送風(fēng)溫度11 ℃時(shí)更為均勻，空氣流速更小，室內(nèi)熱舒適性更佳。

（2）當(dāng)送風(fēng)角度為30°時(shí)，2種送風(fēng)溫度下都有明顯的“冷風(fēng)”下墜現(xiàn)象，工作區(qū)靠近送風(fēng)口區(qū)域的空氣流速大，并且兩個(gè)出風(fēng)口的冷空氣下墜產(chǎn)生的漩渦集中成一個(gè)大漩渦，會(huì)對(duì)周圍工作人員造成明顯的不舒適感。

（3）當(dāng)送風(fēng)角度為45°時(shí)，2種送風(fēng)溫度下工作區(qū)送風(fēng)口附近風(fēng)速依舊較大，但是其他區(qū)域的空氣流速較為平穩(wěn)。

（4）當(dāng)送風(fēng)角度為60°時(shí)，2種送風(fēng)溫度下工作區(qū)送風(fēng)口附近的大漩渦分為了2個(gè)小漩渦，并且流速明顯變小。當(dāng)送風(fēng)角度為75°時(shí)，兩種送風(fēng)溫度下工作區(qū)送風(fēng)口附近的2個(gè)漩渦面積明顯減小，整個(gè)房間的空氣流速均不超過0.3 m/s。

根據(jù)仿真模擬結(jié)果可知，當(dāng)75°送風(fēng)角度時(shí)，速度場最均勻，室內(nèi)空氣流速最小，2種送風(fēng)溫度下均滿足舒適性標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 不同角度的速度場

圖5示出了送風(fēng)角度為75°時(shí)，2種送風(fēng)溫度（11，13 ℃）時(shí)的室內(nèi)空氣流線，流線的分布情況代表空氣流場的好壞，流線的顏色代表空氣流速的大小。從圖中看出，2種送風(fēng)溫度下空氣流動(dòng)均主要集中在房間上側(cè)，工作區(qū)人體附近空氣流動(dòng)較為均勻，流速較小。在送風(fēng)溫度11 ℃時(shí)，房間左上角有漩渦產(chǎn)生，送風(fēng)口下側(cè)區(qū)域流速相比送風(fēng)溫度13 ℃時(shí)較大。因此在送風(fēng)角度75°時(shí)，送風(fēng)溫度13 ℃的空氣流場比11 ℃時(shí)更好。

圖5 75°送風(fēng)角度不同送風(fēng)溫度時(shí)的室內(nèi)流線

4 試驗(yàn)論證

4.1 有效風(fēng)感溫度和空氣分布特性指標(biāo)

（1）有效風(fēng)感溫度（EDT）。EDT反映的是在某一氣流組織下的冷熱舒適指標(biāo)。當(dāng)EDT=0時(shí)，表示該環(huán)境是熱中性的；EDT＜0表示有冷感；EDT＞0表示有熱感。當(dāng)-1.7＜EDT＜+1.1，同時(shí)風(fēng)速v＜0.35 m/s時(shí)，多數(shù)人感覺舒適；當(dāng)EDT＜-1.7時(shí)表示有冷吹風(fēng)感；當(dāng)EDT＞+1.1時(shí)表示有熱吹風(fēng)感。

EDT計(jì)算式為：

式中 ti——工作區(qū)測點(diǎn)的空氣溫度，℃；

tn——室內(nèi)溫度，℃；

ui——測點(diǎn)的空氣流速，m/s。

（2）空氣分布特性指標(biāo)（ADPI）。ADPI表示工作區(qū)內(nèi)-1.7＜EDT＜+1.1，同時(shí)風(fēng)速v＜0.35 m/s時(shí)的測點(diǎn)數(shù)占總測點(diǎn)數(shù)的百分比，計(jì)算式為：

ADPI將空氣溫度、空氣流速與人對(duì)環(huán)境的熱舒適感覺三者聯(lián)系起來，是空氣分布系統(tǒng)評(píng)價(jià)的一個(gè)僅有的單個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)。ADPI數(shù)值越高，工作區(qū)內(nèi)人員對(duì)該環(huán)境的熱舒適度就越滿意，當(dāng)ADPI≥80%時(shí)認(rèn)為該環(huán)境的氣流組織是令人滿意的［10］。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果，送風(fēng)溫度為13 ℃時(shí)室內(nèi)熱舒適性更佳，因此對(duì)送風(fēng)溫度為13 ℃時(shí)的工況進(jìn)行試驗(yàn)論證，在工作區(qū)1.1 m的高度選取12個(gè)測點(diǎn)，測出每個(gè)測點(diǎn)的溫度與速度，通過公式計(jì)算出EDT，從而計(jì)算ADPI。測點(diǎn)分布如圖6所示，測得的溫度和風(fēng)速如表2所示。

圖6 測點(diǎn)分布

表2 13 ℃時(shí)Z=1.1 m水平面上各點(diǎn)數(shù)據(jù)

根據(jù)ISO7730標(biāo)準(zhǔn)，工作區(qū)內(nèi)的溫差不應(yīng)大于3 ℃，且根據(jù)規(guī)范規(guī)定：舒適性空調(diào)夏季室內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)大于0.3 m/s［11-15］。由表2的測點(diǎn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)送風(fēng)角度為30°時(shí)，工作區(qū)1.1 m最大溫差為3.2 ℃，最大風(fēng)速為0.45 m/s，不滿足舒適性標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)送風(fēng)角度為45°時(shí)，工作區(qū)1.1m最大溫差為3.3 ℃，最大風(fēng)速為0.44 m/s，不滿足舒適性標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)送風(fēng)角度為60°時(shí)，工作區(qū)1.1 m最大溫差為1.6 ℃，最大風(fēng)速為0.35 m/s，略高于舒適性標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)送風(fēng)角度為75°時(shí)，工作區(qū)高度1.1 m最大溫差為1.4 ℃，最大風(fēng)速為0.28 m/s，符合舒適性標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)圖7所示，模擬和試驗(yàn)所計(jì)算出的EDT曲線趨勢基本一致，偏差主要是由于模擬的條件簡化所導(dǎo)致。在工作區(qū)高度1.1 m整體偏冷感，離送風(fēng)口近的測點(diǎn)f和gEDT都較低，會(huì)有冷吹風(fēng)感，而離開風(fēng)口較遠(yuǎn)的測點(diǎn)EDT偏熱中性；隨著送風(fēng)角度的增大，偏熱中性的測點(diǎn)逐漸變多，因此ADPI也因此逐漸增大。送風(fēng)角度為30°時(shí)，ADPI僅為58.33%，氣流組織均勻性最差；送風(fēng)角度為45°時(shí)，ADPI為66.67%，氣流組織均勻性一般；送風(fēng)角度為60°時(shí)與送風(fēng)角度為75°時(shí)的ADPI都大于80%，氣流組織令人滿意。因此該試驗(yàn)分析結(jié)果與模擬結(jié)果基本相符。

圖7 不同送風(fēng)角度時(shí)EDT試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

5 結(jié)論

（1）11 ℃和13 ℃ 2種送風(fēng)溫度下，送風(fēng)角度為75°時(shí)均未出現(xiàn)嚴(yán)重的“冷風(fēng)”下墜現(xiàn)象，室內(nèi)溫度場均勻，沒有溫度分層現(xiàn)象和渦流區(qū)，溫度梯度與速度梯度不明顯，熱舒適性最佳。隨著送風(fēng)角度的減小，“冷風(fēng)”下墜現(xiàn)象逐漸明顯，在工作區(qū)送風(fēng)口附近的溫度梯度與速度梯度逐漸增大，送風(fēng)角度為30°時(shí)最為嚴(yán)重，室內(nèi)舒適性較差。

（2）在送風(fēng)角度為75°時(shí)，送風(fēng)溫度13 ℃相比送風(fēng)溫度11 ℃空氣流場更加均勻，室內(nèi)熱舒適性更佳。

（3）當(dāng)送風(fēng)溫度為13 ℃時(shí)，送風(fēng)角度為75°和60°時(shí)，在高度為1.1 m的工作區(qū)ADPI值都大于80%，氣流組織令人滿意；而送風(fēng)角度為45°和30°的ADPI值偏低，氣流組織不令人滿意。

（4）通過實(shí)測值與模擬值計(jì)算的EDT值曲線趨勢基本吻合，送風(fēng)角度為75°時(shí)的速度場、溫度場最佳，熱舒適度滿意率高。送風(fēng)角度為45°與30°時(shí)的“冷風(fēng)”下墜較為嚴(yán)重，氣流組織不令人滿意，室內(nèi)熱舒適性較差，尤其在工作區(qū)送風(fēng)口附近溫度梯度與速度梯度較大，不適宜人員辦公。因此采用低溫送風(fēng)冷輻射吊頂空調(diào)方式的辦公建筑推薦采用13 ℃送風(fēng)溫度，75°送風(fēng)角度。