新型裝配式輻射供冷頂板性能的數(shù)值模擬研究

蔡攸嬋 王漢青

1 南華大學(xué)土木工程學(xué)院

2 中南林業(yè)科技大學(xué)

3 建筑環(huán)境控制技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加劇，生活質(zhì)量不斷提高，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的舒適性要求也日益提升，傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們對(duì)室內(nèi)品質(zhì)的需求。近年來(lái)，輻射系統(tǒng)的應(yīng)用不斷增加，其中，輻射供冷頂板是一種典型的類型，與嵌入在建筑結(jié)構(gòu)表層或混凝土層中的管道等輻射系統(tǒng)類型相比，裝配式輻射供冷頂板為分區(qū)和控制提供了廣泛的靈活性，響應(yīng)速度更快，具有的室內(nèi)熱舒適性與較高的節(jié)能潛力，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-2]。

雖然輻射制冷空調(diào)有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能、良好的熱舒適性、無(wú)吹風(fēng)感、極大改善室內(nèi)空氣品質(zhì)等[3]，也不可避免的存在一些缺點(diǎn)，如：輻射板在炎熱和潮濕環(huán)境中極易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。為避免夏季結(jié)露，需提高頂板的表面平均溫度，大大限制了頂板的供冷能力，如何解決系統(tǒng)運(yùn)行階段產(chǎn)生的結(jié)露問(wèn)題和保障輻射板的供冷能力成為了主要的研究對(duì)象[4]。

本文的主要研究對(duì)象是一種帶有特殊氣體層的直接蒸發(fā)式輻射頂板，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，實(shí)現(xiàn)液態(tài)和兩相流狀態(tài)下液-固耦合和氣-固耦合的傳熱過(guò)程，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)如管間距，氣體層厚度，管徑及流動(dòng)參數(shù)對(duì)輻射板表面供冷能力的影響。

1 模型與計(jì)算方法

1.1 研究對(duì)象

該新型直接蒸發(fā)式防凝露輻射頂板部分包括冷媒盤管，特殊氣體層，保溫層和金屬天花板等。該輻射頂板結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1 所示，與傳統(tǒng)輻射空調(diào)不同的是，冷媒盤管未與金屬天花板直接接觸，設(shè)有特殊氣體層。由于氦氣具有良好的導(dǎo)熱性且能保證頂板內(nèi)表面不發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，這里采用氦氣填充特殊氣體層，以增加輻射板表面溫度均勻性，防止結(jié)露。冷媒管中為制冷劑r134a，用于直接蒸發(fā)制冷。特殊氣體層下方為鋁制金屬天花板。冷媒盤管上方覆蓋有天然橡膠保溫層，減少冷量損失。

圖1 輻射頂板剖面圖

1.2 物理模型

直接蒸發(fā)式防凝露輻射頂板的簡(jiǎn)化模型如圖2所示，本文研究的輻射板尺寸為0.9 m×1.2 m（長(zhǎng)×寬）。該物理模型主要由三部分組成：冷媒銅管，2 mm 鋁板和氣體密封箱，在模型中2 mm 的鋁板表示具有一定厚度的氣體密封箱的上表面，整體起到了均勻冷量的作用。

圖2 輻射頂板的簡(jiǎn)化模型圖

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將輻射板的傳熱模型作如下簡(jiǎn)化：

1）輻射板在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行傳熱。

2）假設(shè)保溫層保溫性能很好，輻射板不沿四周和上表面進(jìn)行傳熱。

3）制冷劑液態(tài)及兩相流狀態(tài)時(shí)各物性參數(shù)均不隨溫度發(fā)生變化。

4）由于銅管的導(dǎo)熱性能非常好，這里不考慮銅管的壁厚，視為無(wú)熱阻傳熱。

1.3 邊界條件

1）進(jìn)口的邊界條件：冷媒管進(jìn)口設(shè)“velocity-inlet（速度入口）”，具體參數(shù)由根據(jù)不同工況設(shè)定，入口湍流計(jì)算方法選用通過(guò)水力直徑和湍流強(qiáng)度計(jì)算。

2）出口的邊界條件：冷媒管出口設(shè)“outflow（自由出流）”。

3）流體區(qū)域和固體區(qū)域相鄰的壁面設(shè)置為耦合傳熱邊界條件（coupled）。鋁板的上表面、冷媒管上表面及氣體層外壁視為熱流密度為0 的絕熱邊界（wall）。考慮外界對(duì)輻射頂板的影響，金屬輻射板下表面采用第三類邊界條件，即Fluent 中的“mixed”邊界條件。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 管間距對(duì)輻射頂板供冷性能的影響

為討論管間距對(duì)輻射頂板表面溫度分布和供冷量的影響，利用CFD 軟件，對(duì)管徑D=8mm，氣體層厚度h=10 mm，進(jìn)口溫度Tin=8 ℃，蒸發(fā)溫度Tf=10 ℃時(shí)，管間距S 分別為90 mm，120 mm，150 mm，180 mm 及210 mm 的輻射頂板，在不同流速工況下進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖3 所示：

圖3 管間距對(duì)輻射板表面供冷性能的影響

由圖3（a）可以看到，管間距的大小與空調(diào)末端供冷量的值大致呈負(fù)相關(guān)，并且隨著流速的增加，供冷量隨管間距的增大而減小的速率逐漸增大，而在圖3（b）中，可以看到輻射板表面溫度呈現(xiàn)與供冷量相反的變化趨勢(shì)，并且隨著流速的增加，表面溫度隨管間距增大而上升的速率逐漸增大，與供冷量表現(xiàn)特點(diǎn)相同，符合模擬結(jié)果的一致性。

此數(shù)據(jù)結(jié)果表明，管間距的不同對(duì)流速較大工況下的輻射板表面換熱性能有較大影響，這主要是因?yàn)楫?dāng)流速較大時(shí)，隨著管間距的增大即板內(nèi)冷媒管換熱面減小，流過(guò)的冷媒得不到充分的蒸發(fā)便流出輻射板，一定程度上削弱了輻射板的供冷能力，降低了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，而在流速較小的工況下，即使在管間距較大的工況下，流入輻射板內(nèi)蒸發(fā)管的冷媒也能較好進(jìn)行蒸發(fā)過(guò)程，故受管間距的影響不如前者大。除此之外，圖中所顯示的，供冷量折線由下至上越來(lái)越密，而溫度折現(xiàn)由下至上越來(lái)越疏，即當(dāng)管間距一定時(shí)，隨著冷媒流速增大，供冷量和溫度的變化率也在逐漸下降，這一現(xiàn)象也驗(yàn)證了上述分析的合理性。

2.2 氣體層厚度對(duì)輻射頂板供冷性能的影響

由于輻射板氣體層厚度會(huì)直接影響冷媒管及與冷媒相連的密封箱上表面和密封箱下表面之間的換熱熱阻，故同樣利用CFD 軟件，對(duì)管徑D=8 mm，管間距S=150 mm，進(jìn)口溫度Tin=8 ℃，蒸發(fā)溫度Tf=10 ℃時(shí)，氣體層厚度h=8～20 mm 的輻射頂板，在不同流速工況下進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖4 所示：

圖4 氣體層厚度對(duì)輻射板表面供冷性能的影響

由圖4 可知，隨著氣體層厚度的增加，輻射板供冷量緩慢減小，表面溫度則逐漸上升，這是因?yàn)闅怏w層的厚度大小主要與冷媒管及與其接觸的密封箱上表面和密封箱下表面之間的換熱熱阻有關(guān)，氣體層厚度增大時(shí)，則換熱熱阻增大，降低了輻射板內(nèi)部換熱效率，供冷量減小，表面平均溫度隨之上升。并且由數(shù)據(jù)圖，可以看到不同的冷媒流速工況下，輻射板表面供冷量隨氣體層厚度的增大而降低的速率保持一致，說(shuō)明氣體層厚度值對(duì)輻射板供冷性能的影響與流速的變化沒有潛在關(guān)系，其不會(huì)改變冷媒流動(dòng)狀態(tài)與蒸發(fā)過(guò)程。

2.3 管徑對(duì)輻射頂板供冷性能的影響

同樣利用CFD 軟件，對(duì)管間距S=150 mm，氣體層厚度h=12 mm，進(jìn)口溫度Tin=8 ℃，蒸發(fā)溫度Tf=10 ℃時(shí)，管徑D=6～12mm 的輻射頂板，在不同流速工況下進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，隨著冷媒管管徑的增大，則流經(jīng)輻射板的冷媒質(zhì)量流量增大，從而導(dǎo)致輻射板供冷量逐漸增大，表面平均溫度逐漸降低，并且增大和降低的幅度及速率隨著流速的增大而增大，即管徑的大小對(duì)流速較大工況板面供冷性能影響較大，對(duì)流速較小工況影響較小。

圖5 管徑大小對(duì)輻射板表面供冷性能的影響

出現(xiàn)上述結(jié)果的原因是：冷媒流量是由冷媒流速和冷媒管截面積決定的，相較流速較小的工況，在流速較大的工況下，管徑的增大會(huì)較大程度的增大輻射板內(nèi)部冷媒流量，從而直接增大供冷量，故導(dǎo)致了不同流速下，管徑對(duì)輻射板表面供冷性能的影響程度的不同。

2.4 蒸發(fā)溫度對(duì)輻射頂板供冷性能的影響

在直接蒸發(fā)式防凝露空調(diào)系統(tǒng)中，蒸發(fā)溫度Tf是指制冷劑在輻射板內(nèi)部冷媒銅管中蒸發(fā)時(shí)的溫度，蒸發(fā)溫度的不同會(huì)影響制冷劑的蒸發(fā)狀態(tài)和速率，也會(huì)對(duì)其系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響，故此，本節(jié)針對(duì)蒸發(fā)溫度Tf=6 ℃，8 ℃，10 ℃，12 ℃，14 ℃及16 ℃的各個(gè)工況，結(jié)合輻射板的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究蒸發(fā)溫度對(duì)輻射頂板表面平均溫度和供冷量的影響。

針對(duì)制冷劑流速v=0.1 m/s，管徑d=8 mm，氣體層厚度h=12 mm，管間距S 分別為90 mm，120 mm，150 mm，180 mm 及210 mm 的輻射頂板，在不同蒸發(fā)溫度工況下進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可知，當(dāng)管間距相同時(shí)，輻射板供冷能力與蒸發(fā)溫度呈負(fù)線性關(guān)系，這主要是因?yàn)檎舭l(fā)溫度上升會(huì)伴隨著制冷劑汽化潛熱的下降，且蒸發(fā)溫度較高時(shí)，易出現(xiàn)冷媒得不到完全蒸發(fā)就流出輻射板的情況，這會(huì)一定程度地導(dǎo)致供冷量的下降。同時(shí)，從圖中，可以看到不同管間距會(huì)影響輻射板供冷性能隨蒸發(fā)溫度變化而變化的速率，出現(xiàn)這種情況很可能是因?yàn)楫?dāng)管間距較大時(shí)，則輻射板內(nèi)冷媒管換熱面較小，而蒸發(fā)溫度較高時(shí)，冷媒在管內(nèi)達(dá)到設(shè)定的蒸發(fā)溫度時(shí)已在冷媒蒸發(fā)管的后半段，可能進(jìn)入管內(nèi)的制冷劑得不到完全蒸發(fā)就流出輻射板，故導(dǎo)致了較高的蒸發(fā)溫度加劇了較大管間距蒸發(fā)管內(nèi)冷媒蒸發(fā)不完全的情況從而使得供冷能力在管間距較大時(shí)下降幅度更大。

圖6 不同管間距下蒸發(fā)溫度對(duì)輻射板供冷性能的影響

圖7 為氣體層厚度在8～20 mm 范圍內(nèi)的不同蒸發(fā)溫度工況下的數(shù)值模擬結(jié)果圖，其它參數(shù)為：管間距S=150 mm，管徑d=8 mm，流速v=0.1 m/s。

圖7 不同氣體層厚度下蒸發(fā)溫度對(duì)輻射板供冷性能的影響

圖8 為管徑大小在6～12 mm 范圍內(nèi)的不同蒸發(fā)溫度工況下的數(shù)值模擬結(jié)果圖，其它參數(shù)為：管間距S=150 mm，氣體層厚度h=12 mm，流速v=0.1 m/s。

圖8 不同管徑下蒸發(fā)溫度對(duì)輻射板供冷性能的影響

圖9 為流速在0.05～0.2 m/s 范圍內(nèi)的不同蒸發(fā)溫度工況下的數(shù)值模擬結(jié)果圖，其他參數(shù)為：管間距S=150 mm，氣體層厚度h=12 mm，管徑d=8 mm。

圖9 不同流速下蒸發(fā)溫度對(duì)輻射板供冷性能的影響

由圖9 可知，無(wú)論在哪種結(jié)構(gòu)參數(shù)或流動(dòng)工況下，蒸發(fā)溫度與輻射板表面供冷量均呈負(fù)線性關(guān)系，輻射板表面平均溫度則相反，原因已由上節(jié)所述。

圖7 表明，氣體層厚度的不同也會(huì)一定程度影響輻射板供冷性能隨蒸發(fā)溫度變化的速率,即氣體層厚度較小時(shí)，供冷能力隨蒸發(fā)溫度的變化較慢，厚度較大時(shí)，則變化較快，這說(shuō)明氣體層具有一定的均熱性和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)維護(hù)輻射板表面供冷性能穩(wěn)定性的作用，但增大氣體層厚度會(huì)一定程度削弱輻射板供冷能力，故不需要一味地提高氣體層厚度，以提高穩(wěn)定性的方式降低輻射板換熱量會(huì)降低系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

由圖8 和圖9 可知，管徑越小或流速越小，輻射板表面供冷性能隨蒸發(fā)溫度變化越慢，反之，則變化越快，這主要是因?yàn)楣軓皆龃蠡蛄魉僭龃髸r(shí)，制冷劑流量增大，則蒸發(fā)溫度每變化1 ℃，流量大的工況供冷量的變化則較大，故較大的管徑和流速會(huì)在較大程度上影響輻射板表面供冷性能與蒸發(fā)溫度之間的相互作用關(guān)系。

3 結(jié)論

本文利用CFD 軟件對(duì)直接蒸發(fā)式防凝露輻射頂板模型進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)工況下數(shù)值模擬，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和流動(dòng)參數(shù)對(duì)輻射板的表面供冷性能的影響，得到以下結(jié)論：

1）當(dāng)進(jìn)口速度v=0.1 m/s，Tin=8 ℃，氣體層厚度h=10 mm，管徑D=8 mm 時(shí)，管間距與輻射板表面供冷能力呈負(fù)相關(guān)，且管間距的不同對(duì)流速較大工況下的輻射板表面供冷性能有較大影響。

2）當(dāng)進(jìn)口速度v=0.1 m/s，Tin=8 ℃，管間距S=150 mm，管徑D=8 mm 時(shí)，氣體層厚度與輻射板表面供冷能力呈負(fù)相關(guān)，且不同流速工況下，輻射板表面供冷能力隨氣體層厚度的增大而降低的速率保持一致，說(shuō)明氣體層厚度值對(duì)輻射板供冷性能的影響與流速的變化沒有潛在關(guān)系。

3）當(dāng)進(jìn)口速度v=0.1m/s，Tin=8 ℃，管間距S=150 mm，氣體層厚度h=12mm 時(shí)，管徑的大小與輻射板表面供冷能力呈正相關(guān)，并且對(duì)流速較大工況的輻射板表面供冷性能影響較大。

4）無(wú)論在哪種結(jié)構(gòu)參數(shù)或流動(dòng)工況下，蒸發(fā)溫度與輻射板表面供冷能力均呈負(fù)線性關(guān)系，且管間距較大，氣體層厚度較小，管徑較大及流速較大的工況下，蒸發(fā)溫度對(duì)輻射板供冷性能影響較大。