新型復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)露情況及舒適性數(shù)值模擬

趙建會(huì), 朱 彬, 崔保天, 樊舒雅, 崔 迪

(西安科技大學(xué)能源學(xué)院， 西安 710054)

現(xiàn)今社會(huì)科技文明不斷進(jìn)步，人類的生產(chǎn)和生活方式發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，人們?cè)谑覂?nèi)停留的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，舒適的工作、生活環(huán)境開(kāi)始被普遍需要。室內(nèi)環(huán)境的舒適度也成為人們關(guān)心的焦點(diǎn)。室內(nèi)環(huán)境作為暖通空調(diào)的主要研究領(lǐng)域，暖通空調(diào)技術(shù)可以很大程度全方位地改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)，營(yíng)造良好的室內(nèi)環(huán)境[1]。

如今，地板輻射采暖技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，對(duì)比散熱器的對(duì)流方式和空調(diào)的暖風(fēng)方式擁有更好的室內(nèi)舒適度和潔凈度，而且還有不占據(jù)室內(nèi)使用面積、無(wú)噪聲和高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)[2]。然而地板輻射供冷技術(shù)的發(fā)展實(shí)用還不完善，地板輻射供冷時(shí)存在地板結(jié)露[3-4]、單位熱強(qiáng)度低、缺乏新風(fēng)等問(wèn)題。試驗(yàn)研究表明，應(yīng)用輻射供冷時(shí)，對(duì)室內(nèi)的濕度進(jìn)行合理的控制時(shí)，添加如置換通風(fēng)等這類合適的送風(fēng)系統(tǒng)，可以很大程度地提高室內(nèi)的熱舒適性[5]。為防止使用輻射供冷時(shí)地板結(jié)露，可以通過(guò)增加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)(dedicated outdoor air system，DOAS)來(lái)控制，并且還能很好地滿足供冷量的需求、提高人體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性[6]。豎壁貼附射流送風(fēng)是近些年出現(xiàn)的新的送風(fēng)模式，兼具傳統(tǒng)的混合通風(fēng)和置換通風(fēng)的特性，具有安裝方便、工作區(qū)空間充分利用、空氣品質(zhì)良好和能源消耗低的優(yōu)點(diǎn)[7]。將豎壁貼附射流送風(fēng)與地板輻射有效結(jié)合起來(lái)，作為一種新的暖通空調(diào)組合系統(tǒng)，這樣既利用了地板輻射供冷和供暖的雙重特性，提高了室內(nèi)的熱舒適度，降低了建筑物能源的消耗[8]；又利用豎壁貼附射流送風(fēng)為室內(nèi)帶來(lái)了干凈的新風(fēng)，改善了室內(nèi)的空氣品質(zhì)，并且避免了地板的結(jié)露問(wèn)題，改善了室內(nèi)舒適度[9]。

以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為模擬的邊界條件，建立室內(nèi)復(fù)合采暖模型，利用 Airpak3.0 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)相對(duì)濕度、送風(fēng)速度、排風(fēng)口位置三個(gè)影響室內(nèi)環(huán)境的因素，分析各工況下對(duì)室內(nèi)的結(jié)露情況和人體熱環(huán)境的舒適度的影響，采用預(yù)測(cè)平均投票值(predicted mean vote,PMV)和預(yù)測(cè)不滿意百分比(predicted percent dissatisfied,PPD)這兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)[10]，從而為該類復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行工況提供參考。

1 研究方法

1.1 房間物理模型

將豎壁貼附射流與地板輻射復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)用于河南省鄭州市某辦公建筑中的兩人辦公室，研究供冷時(shí)改變?cè)O(shè)計(jì)相對(duì)濕度、送風(fēng)速度以及排風(fēng)口位置后的結(jié)露情況，并對(duì)各工況下的舒適性進(jìn)行比較。該房間的尺寸為5.2 m×3.4 m×2.7 m，其中房間南墻上面有一個(gè)玻璃窗，尺寸為1.8 m×1.8 m；東西兩面是具有同樣功能房間的鄰室內(nèi)墻；北墻靠近內(nèi)走廊。

辦公室內(nèi)的人員、設(shè)備、書(shū)柜等尺寸和數(shù)量，如表1所示。房間的三維立體模型，如圖1所示。

1.2 模型簡(jiǎn)化及假設(shè)

根據(jù)熱工理論，室內(nèi)空氣被認(rèn)為符合理想氣體

表1 辦公室內(nèi)部組件尺寸及數(shù)量Table 1 Office internal components size and quantity

1為窗戶；2為排風(fēng)口；3為燈具；4為書(shū)柜；5為進(jìn)風(fēng)口；6為地板；7為辦公桌；8為人體；9為電腦圖1 辦公室模型及設(shè)備布置Fig.1 Office model and equipment layout

狀態(tài)方程，把室內(nèi)空氣作為不可壓縮流體進(jìn)行研究。房間內(nèi)空氣溫度的變化較小，因此密度變化可以忽略不計(jì)。室內(nèi)空氣為湍流流動(dòng)，黏性不可忽略?？紤]溫差產(chǎn)生的浮力和重力的作用，地板表面溫度均勻；為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)模型作如下假設(shè)。

(1)忽略門窗滲透風(fēng)等因素對(duì)流場(chǎng)的影響。

(2)大氣壓力為99 230 Pa。

(3)使用Boussinesq模型。

(4)將人體、電腦及燈具的熱、濕負(fù)荷均集中到六面體，將其設(shè)置為穩(wěn)定的面熱源。

1.3 模擬工況設(shè)定

辦公室屬于周期性工作地點(diǎn)，工作時(shí)間人員會(huì)經(jīng)常停留，地板表面溫度應(yīng)高于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度1～2 ℃，且不應(yīng)低于19 ℃[11]。查閱鄭州市氣象資料，夏季露點(diǎn)溫度穩(wěn)定在15～16 ℃，故本次設(shè)計(jì)的模擬工況將送風(fēng)溫度、地板溫度設(shè)定在19～23 ℃之間。

1.4 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬主要采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，并且對(duì)室內(nèi)人體、電腦、送風(fēng)口、出風(fēng)口等均在一定程度上進(jìn)行加密，保證固體邊界劃分網(wǎng)格數(shù)不少于5 個(gè)。最終經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證后，網(wǎng)格數(shù)量確定為84×104。具體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 具體網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of specific meshing

1.5 選擇模型

1.5.1 湍流模型

研究?jī)?nèi)容主要為豎壁貼附射流與地板輻射復(fù)合系統(tǒng)供冷時(shí)室內(nèi)熱環(huán)境的模擬分析，新風(fēng)剛進(jìn)入辦公室內(nèi)時(shí)速度較大，到達(dá)地面后送入工作區(qū)時(shí)速度較小，此時(shí)室內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱浮力成為空氣流動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，因此室?nèi)空氣流動(dòng)方式主要包括自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流和混合對(duì)流。具有混合對(duì)流特征的房間需要選擇合適的湍流模型，同時(shí)主要研究豎壁貼附射流在地面形成的空氣湖現(xiàn)象，依據(jù)各個(gè)湍流模型的應(yīng)用特性和主要研究區(qū)域特性，選擇RNGk-ε兩方程湍流模型。

1.5.2 輻射模型

地板輻射作為室內(nèi)供冷的主要手段，其與室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和人體、電腦等內(nèi)熱源存在著輻射熱量交換，因而選擇離散坐標(biāo)輻射(DO)模型可以更準(zhǔn)確地計(jì)算輻射熱量。

2 結(jié)果及分析

2.1 改變室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度

室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度的設(shè)置，不僅關(guān)乎著室內(nèi)人員舒適度的問(wèn)題，還與地板表面是否出現(xiàn)結(jié)露有關(guān)。本節(jié)將室內(nèi)空氣的設(shè)計(jì)相對(duì)濕度分別設(shè)為50%和60%進(jìn)行比較。室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度改變，則通過(guò)計(jì)算得出的送風(fēng)量和送風(fēng)參數(shù)等也都會(huì)發(fā)生改變，如表2所示。主要分析室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度變化對(duì)地板表面結(jié)露情況及人體熱環(huán)境中PMV和PPD的影響。

表2 改變室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度下的參數(shù)設(shè)定Table 2 Changing the parameter settings for the relative humidity of the interior design

2.1.1 地板表面結(jié)露判定

在豎壁貼附射流與地板輻射復(fù)合系統(tǒng)供冷時(shí)，地板表面出現(xiàn)結(jié)露是需要特別對(duì)待、解決的問(wèn)題，只需要判定地板表面的空氣的相對(duì)濕度是否小于100%，即可判定地板表面是否會(huì)出現(xiàn)結(jié)露問(wèn)題。

圖3為相應(yīng)工況下地板表面空氣的相對(duì)濕度云圖，因新風(fēng)溫度較低，故最大相對(duì)濕度仍出現(xiàn)在貼附射流區(qū)，分別達(dá)到了60.83%和73.88%，雖然不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露問(wèn)題，但是變工況1的相對(duì)濕度比工況1增大了很多，增加了結(jié)露的可能性。

圖3 改變室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度的地板表面相對(duì)濕度分布云圖Fig.3 The relative humidity distribution cloud map of the floor surface after changing the design relative humidity of the interior design

2.1.2 人體熱環(huán)境對(duì)比

選取各項(xiàng)參數(shù)變化比較大的位置，即距兩個(gè)人體模型正面中部0.05 m的豎直方向上1.8 m以下對(duì)應(yīng)點(diǎn)各項(xiàng)參數(shù)的算術(shù)平均值作為比較對(duì)象，分析改變室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度后人體模型所在區(qū)域熱環(huán)境的變化。

圖4 不同設(shè)計(jì)相對(duì)濕度下X=1.3 m處的PMV分布云圖Fig.4 PMV distribution cloud map at X=1.3 m in different indoor design relative humidity

結(jié)合圖4～圖7分析，變工況1的PMV、PPD值的變化趨勢(shì)與工況1基本保持一致，可能是兩種工況下溫度、速度、相對(duì)濕度的變化基本一致的結(jié)果。對(duì)比可得，變工況1下PMV、PPD整體都比工況1大，分別提高了0.08%和1.5%，1.1 m及其以上的部位PMV甚至超出了舒適性為-0.5≤PMV≤0.5的值，對(duì)應(yīng)位置PPD超過(guò)了10%，預(yù)期不滿意率較高。因此，變工況1中將室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度提高為60%后，人體模型周圍熱環(huán)境的舒適性變差，工況1下的人體舒適性良好。

2.2 改變送風(fēng)速度

根據(jù)工況的分析，發(fā)現(xiàn)豎壁貼附射流可以在地板表面形成空氣湖，在其完整覆蓋的區(qū)域可以降低地板表面附近的空氣濕度，減小了地板表面出現(xiàn)結(jié)露問(wèn)題的可能性[12]。如表3所示，將送風(fēng)速度分別設(shè)置為1.5 m/s(工況2)和2.5 m/s(變工況2)，對(duì)比分析辦公室內(nèi)豎壁貼附射流的形成效果、地板表面的結(jié)露情況及人體周圍熱環(huán)境中的PMV、PPD分布變化規(guī)律。

圖5 不同設(shè)計(jì)相對(duì)濕度下的PMV分布對(duì)比Fig.5 Comparison of PMV distribution under different indoor design relative humidity

圖6 不同室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度下X=1.3 m處的PPD分布云圖Fig.6 PDD distribution cloud map at X=1.3 m under different indoor design relative humidity

圖7 不同設(shè)計(jì)相對(duì)濕度下的PPD分布對(duì)比Fig.7 Comparison of PPD distribution under different indoor design relative humidity

表3 改變送風(fēng)速度下的參數(shù)設(shè)定Table 3 The parameter setting under the changing air supply speed

2.2.1 豎壁貼附射流效果對(duì)比

圖8為不同送風(fēng)速度下貼附射流軸線速度變化對(duì)比。由圖可以看出，變工況2的新風(fēng)從送風(fēng)口進(jìn)入房間時(shí)的變化規(guī)律與工況2基本相同，即在辦公室高度2.3 m以上，速度衰減比較快；之后在2.3～0.5 m時(shí)的充分發(fā)展段，速度衰減開(kāi)始減弱；最后在距地板表面0.5 m以下范圍時(shí)，衰減速度再次變快。但是，在每個(gè)階段中，變工況2的衰減速度都要大于工況2，使得在到達(dá)距地板表面0.1 m高位置時(shí)，變工況2的速度由2.5 m/s衰減到了0.7 m/s，工況2的速度由1.5 m/s衰減到了0.48 m/s。送風(fēng)速度較大時(shí)，送風(fēng)氣流組織與室內(nèi)空氣的摻混也變得劇烈，使得送風(fēng)速度增大時(shí)各位置的速度不能呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。

圖8 不同送風(fēng)速度下貼附射流軸線速度變化對(duì)比Fig.8 Comparison of the velocity changes of the attached jet axis at different air supply speeds

2.2.2 地板表面結(jié)露判定

圖9為相應(yīng)工況下地板表面空氣的相對(duì)濕度分布云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)改變送風(fēng)速度后，地板表面空氣的相對(duì)濕度變化趨勢(shì)基本一致，都是空氣湖所在區(qū)域相對(duì)濕度較低。但是工況2相比變工況2相對(duì)濕度整體減小，兩工況下最大值分別是60.2%和64.9%，可以判斷出地板表面在兩種送風(fēng)速度下肯定不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露問(wèn)題。

圖9 不同送風(fēng)速度下的地板表面相對(duì)濕度分布云圖Fig.9 Cloud surface relative humidity distribution at different air supply speeds

2.2.3 人體熱環(huán)境對(duì)比

將辦公室送風(fēng)口的送風(fēng)速度分別設(shè)置為1.5、2.5 m/s后，對(duì)室內(nèi)的PMV、PPD參數(shù)分布特性進(jìn)行分析。對(duì)兩種不同送風(fēng)速度的工況進(jìn)行對(duì)比，并依舊選取各項(xiàng)參數(shù)變化比較大的位置，即距兩個(gè)人體模型正面中部0.05 m的豎直方向上1.8 m以下對(duì)應(yīng)點(diǎn)各項(xiàng)參數(shù)的算術(shù)平均值作為比較對(duì)象，分析改變送風(fēng)速度后人體模型周圍區(qū)域熱環(huán)境的變化。

觀察圖10～圖13，即人體模型周圍的PMV、PPD分布變化。清楚地發(fā)現(xiàn)，兩種工況下PMV、PPD的變化趨勢(shì)基本相同，且各工況的PMV和PPD之間也符合其理論上的關(guān)系。雖然這兩種工況都滿足舒適性范圍-0.5≤PMV≤0.5和預(yù)期不滿意百分率PPD≤10%的要求，但是相比工況2，變工況2的PMV、PPD整體上都要稍微小一點(diǎn)，分別降低了0.05、0.7%左右，人體舒適性自然也要更好一些。

圖10 不同送風(fēng)速度下X=1.3 m處的PMV分布云圖Fig.10 Distribution of PMV at X=1.3 m at different air supply speeds

圖11 不同送風(fēng)速速PMV分布對(duì)比Fig.11 Comparison of PMV distribution with different air supply speeds

圖12 不同送風(fēng)速度下X=1.3 m處的PPD分布Fig.12 Distribution of PPD at X=1.3 m at different air supply speeds

圖13 不同送風(fēng)速度下的PPD分布對(duì)比Fig.13 Comparison of PPD distribution with different air supply speeds

2.3 改變排風(fēng)口位置

常規(guī)送風(fēng)口和排風(fēng)口位置的設(shè)定有上送上回、上送下回等，排風(fēng)口位置的合理設(shè)置可以對(duì)室內(nèi)的空氣流動(dòng)及分布起到很好的引導(dǎo)作用。上述工況都是采用上送上回的方式進(jìn)行送排風(fēng)，本節(jié)改變排風(fēng)口的位置，將排風(fēng)口設(shè)置在辦公室南側(cè)窗戶的下方(變工況3)，如圖14所示。室內(nèi)其他各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定則與工況1保持一致，模擬分析該工況下辦公室地板表面的結(jié)露情況以及人體熱環(huán)境中的PMV、PPD的分布變化規(guī)律，并與工況1進(jìn)行對(duì)比，討論排風(fēng)口位置變化所帶來(lái)的影響效果。

圖14 排風(fēng)口改變位置Fig.14 Air vent change position

2.3.1 地板表面結(jié)露判定

如圖15所示為排風(fēng)口下置后地板表面空氣的相對(duì)濕度分布圖?？梢园l(fā)現(xiàn)將排風(fēng)口設(shè)置在南側(cè)窗戶下方后相對(duì)濕度最大值在送風(fēng)貼附射流區(qū)域，為59.28%，該值相比工況1略微有所減小，仍然可以判斷出該工況下地板表面不會(huì)結(jié)露。

圖15 排風(fēng)口下置后地板表面相對(duì)濕度分布Fig.15 Cloud map of floor surface relative humidity distribution after the exhaust vent

2.3.2 人體熱環(huán)境對(duì)比

通過(guò)上述將辦公室內(nèi)排風(fēng)口的位置改變到南側(cè)窗戶下方后，對(duì)室內(nèi)人體周圍的PMV、PPD參數(shù)的分布特性進(jìn)行分析。同樣對(duì)兩種工況進(jìn)行對(duì)比，分析改變排風(fēng)口位置后人體模型所在區(qū)域熱環(huán)境的變化。并依舊選取各項(xiàng)參數(shù)變化比較大的位置，即距兩個(gè)人體模型正面中部0.05 m的豎直方向上1.8 m以下對(duì)應(yīng)點(diǎn)各項(xiàng)參數(shù)的算術(shù)平均值作為比較對(duì)象。

根據(jù)圖16～圖19以及圖4(a)、圖6(a)分析人體模型周圍的PMV、PPD分布變化?？梢钥闯?，兩種工況下兩值的變化趨勢(shì)類似，并且各工況的PMV和PPD之間的關(guān)系也符合理論。但是整體上變工況3的PMV、PPD都比較大，其中PMV增大了0.14左右，PPD增大了2.3%左右，特別是0.8 m以上部分，PMV超過(guò)了0.5，PPD也大于10%。相比工況1，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足舒適性范圍-0.5≤PMV≤0.5和預(yù)期不滿意百分率PPD≤10%的要求，人體舒適性比較差。

圖16 排風(fēng)口下置后X=1.3 m處的PMV分布Fig.16 PMV distribution cloud map at X=1.3 m after the exhaust vent is placed

圖17 排風(fēng)口下置后PMV分布對(duì)比Fig.17 Comparison of PMV distribution after the exhaust vent is placed

圖18 排風(fēng)口下置后X=1.3 m處的PPD分布Fig.18 PPD distribution cloud map at X=1.3 m after the exhaust vent is placed

3 結(jié)論

通過(guò)改變辦公室及豎壁貼附射流與地板輻射復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，特別分析了三種對(duì)該復(fù)合系統(tǒng)供冷時(shí)可能存在影響的因素，通過(guò)對(duì)比得出這些影響因素的影響效果，以便更準(zhǔn)確地為該復(fù)合系統(tǒng)制定設(shè)計(jì)運(yùn)行工況提供有用的參考。

(1)當(dāng)辦公室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度由50%提升到60%時(shí)，室內(nèi)與濕度無(wú)關(guān)的參數(shù)基本不變，但人員所處熱環(huán)境中相對(duì)濕度增大了11%左右，舒適度降低，并且地板表面的最大相對(duì)濕度也提高了13.04%，增加了結(jié)露的危險(xiǎn)性。

(2)當(dāng)送風(fēng)溫度高于地板表面溫度時(shí)，提高送風(fēng)速度可以使新風(fēng)很好地送達(dá)人體附近，提高人體熱環(huán)境的舒適性，并有效地加強(qiáng)了豎壁貼附射流的形成效果，降低了地板表面的相對(duì)濕度，從而降低了結(jié)露的可能性。

(3)排風(fēng)口下置雖然可以引導(dǎo)室內(nèi)氣流組織，加強(qiáng)貼附射流效果，降低地板表面相對(duì)濕度，但是空氣因熱浮力上升集中在頂部區(qū)域，這樣不利于室內(nèi)氣流組織的有效循環(huán)，影響人體熱環(huán)境的舒適性。