貼附射流變新風(fēng)運(yùn)行模式下冷輻射板結(jié)露特性研究

周璇玉 ，丁云飛 ，2，鄧 燕

（1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣州大學(xué) 廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006）

0 引言

近年來，隨著公眾對(duì)建筑環(huán)境舒適性的關(guān)注以及節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，人們?cè)诜e極尋找一種舒適、健康、環(huán)保、節(jié)能的空調(diào)方式［1-2］。采用冷吊頂供冷方式提高了輻射換熱比例，降低了對(duì)流換熱作用，室內(nèi)風(fēng)速小，大大提高了人體舒適性。但由于輻射冷吊頂表面溫度低于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，會(huì)在表面出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，從而要求輻射板的表面溫度要高于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，這又限制了輻射板的供冷能力［3］。目前獨(dú)立新風(fēng)+輻射冷吊頂?shù)男滦涂照{(diào)系統(tǒng)被逐漸應(yīng)用到實(shí)際工程中［4-6］，新風(fēng)承擔(dān)全部潛熱負(fù)荷和部分顯熱負(fù)荷，通過貼附射流方式，經(jīng)深度除濕處理的干燥新風(fēng)貼附在冷吊頂板的表面，使室內(nèi)工作區(qū)的空氣與冷輻射板分隔，形成空氣保護(hù)層，從而避免冷輻射板表面結(jié)露［7］，并且可提高輻射板的供冷量，工程應(yīng)用中往往采用恒定新風(fēng)量。在冷輻射空調(diào)中，新風(fēng)不僅要滿足室內(nèi)衛(wèi)生條件要求，還要保證冷板表面不結(jié)露，因此含濕量低（約 8.5～9 g/kg（da）），其焓值也遠(yuǎn)低于常規(guī)空調(diào)新風(fēng)焓值（室內(nèi)焓值），導(dǎo)致新風(fēng)處理能耗高。在諸如辦公室、商場(chǎng)等冷輻射空調(diào)系統(tǒng)中，室內(nèi)濕源主要是人員散濕，在運(yùn)行過程中，當(dāng)室內(nèi)人員發(fā)生變化時(shí)，新風(fēng)量也應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，一方面可以節(jié)約新風(fēng)能耗，另一方面也有利于更大地發(fā)揮輻射板的供冷能力。

本文通過CFD模擬結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證流場(chǎng)的正確性，對(duì)冷輻射頂板結(jié)合新風(fēng)誘導(dǎo)送風(fēng)貼附射流供冷［8-9］時(shí)的結(jié)露特性進(jìn)行研究，分析室內(nèi)人員變化時(shí)，改變新風(fēng)量條件下新風(fēng)貼附射流長(zhǎng)度與貼附層內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度變化特性，探討冷輻射空調(diào)中，對(duì)新風(fēng)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，在滿足衛(wèi)生要求和不結(jié)露的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)能。

1 試驗(yàn)裝置

冷輻射頂板測(cè)試房間的尺寸為長(zhǎng)×寬×高=5.2 m×4.6 m×2.7 m，在房間頂部安裝3個(gè)呈條形布置的誘導(dǎo)型新風(fēng)口，結(jié)構(gòu)如圖1所示，誘導(dǎo)比達(dá)到1：3。在室內(nèi)放置外表面涂白的鋼制圓筒作為熱源，試驗(yàn)時(shí)冷輻射頂板溫度為17.8 ℃，新風(fēng)送風(fēng)溫度為13.8 ℃，將室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度分別控制在26 ℃和60%。

圖1 誘導(dǎo)型新風(fēng)口結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of induced fresh air inlet

測(cè)試斷面位于中間誘導(dǎo)型新風(fēng)口處，測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。測(cè)試前，對(duì)QDF-3型的熱球式風(fēng)速儀（測(cè)試范圍0.05～30 m/s，基本誤差≤5%FS）進(jìn)行了調(diào)零校準(zhǔn)。測(cè)試過程重復(fù)3次，對(duì)測(cè)得的風(fēng)速值取平均值。

圖2 測(cè)試斷面測(cè)點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of test points on test section

2 CFD模擬計(jì)算

對(duì)試驗(yàn)房間進(jìn)行建立物理模型，模擬房間內(nèi)部熱源包括人員散熱、計(jì)算機(jī)及打印機(jī)等設(shè)備散熱，總冷負(fù)荷2 841 W。將人體簡(jiǎn)化為直徑30 cm、高度1.2 m的圓柱體［13］，其他的室內(nèi)熱源簡(jiǎn)化成0.5 m×0.5 m×0.5 m的正方形。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)風(fēng)口噴嘴直徑以及回風(fēng)口進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化［14］，劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。通過模擬房間流場(chǎng)以及含濕量分布，研究貼附射流變新風(fēng)運(yùn)行模式下冷輻射板結(jié)露特性。

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用瞬態(tài)仿真模擬室內(nèi)空氣湍流運(yùn)動(dòng)。在求解過程中，壓力速度耦合采用的是SIMPLE算法，應(yīng)用二階迎風(fēng)格式求解控制方程，結(jié)合連續(xù)性方程、能量守恒方程、可實(shí)現(xiàn)k-ε方程對(duì)空氣的流動(dòng)進(jìn)行三維模擬。輻射換熱模型采用DO模型［10］，壁面函數(shù)使用增強(qiáng)壁面函數(shù)法［11］，散濕模擬采用組分輸運(yùn)方程［12］，流體組分為空氣和水蒸氣，組分的水蒸氣位于空氣的上方位置。

2.2 邊界條件和初始條件

室內(nèi)冷負(fù)荷由新風(fēng)和冷輻射頂板共同承擔(dān)，并充分發(fā)揮冷輻射頂板的供冷能力。

（1）室內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度為26 ℃，相對(duì)濕度為60%；

（2）室內(nèi)濕源設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，成年男子在輕微勞動(dòng)下的散濕量109 g/h［15］；

（3）新風(fēng)干球溫度13.8℃，含濕量8.8g/kg，新風(fēng)風(fēng)量180 m3/h；

（4）冷輻射頂板設(shè)置成定溫邊界，溫度設(shè)定為 17.8 ℃；

（5）四周壁面設(shè)置為絕熱邊界；

（6）采用門縫自然出流的邊界條件。

冷輻射頂板下方1 cm厚度的貼附層露點(diǎn)溫度決定了冷板表面是否會(huì)結(jié)露［16］，通過分析該露點(diǎn)溫度的變化，可以獲得冷輻射頂板表面的露點(diǎn)溫度分布情況。空氣露點(diǎn)溫度的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中 tL——露點(diǎn)溫度，℃；

pq——濕空氣的水蒸氣分壓力，Pa。

3 結(jié)果分析與討論

設(shè)定空調(diào)房間6人，人均新風(fēng)量為30 m3/h的情況下，模擬冷輻射板下1cm處貼附層露點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化，在空調(diào)運(yùn)行期間，分析當(dāng)在室人數(shù)降為設(shè)計(jì)值的50%（3人）時(shí)，新風(fēng)量變化（降至80%，60%，40%，20%）的情況下，冷輻射板表面貼附層露點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化，以及變新風(fēng)量時(shí)貼附射流長(zhǎng)度變化對(duì)冷輻射板結(jié)露的影響。

3.1 模型驗(yàn)證

在設(shè)計(jì)人數(shù)條件下（6人），新風(fēng)量為100%時(shí)貼附層的流場(chǎng)分布如圖3所示。從圖3可以看出，新風(fēng)經(jīng)過安裝在隔板上的噴嘴高速噴出，在誘導(dǎo)風(fēng)口內(nèi)部形成局部負(fù)壓，由此誘導(dǎo)室內(nèi)的二次風(fēng)由風(fēng)口下方的中央孔板吸入。新風(fēng)沿著兩邊的條形風(fēng)口水平吹出，迅速貼頂板流動(dòng)，形成貼附效應(yīng)。且通過試驗(yàn)對(duì)貼附層表面的流速進(jìn)行驗(yàn)證，保證了模擬流場(chǎng)的正確性。

圖3 測(cè)試截面位置的模擬流線分布Fig.3 Simulation streamline distribution diagram of test section position

圖4示出測(cè)試截面位置貼附層（頂板下1 cm）模擬與實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)比圖，從圖中可以看出，模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，最大偏差0.07 m/s，模型能反映誘導(dǎo)型新風(fēng)口+輻射板系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行性能。

圖4 測(cè)試截面位置貼附層（頂板下1 cm）模擬與實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)比Fig.4 Comparison of attached layer（1 cm below the ceiling）simulation and measured wind speed at test section position

3.2 設(shè)計(jì)人數(shù)時(shí)變新風(fēng)量對(duì)貼附層露點(diǎn)溫度的影響

3.2.1 典型位置貼附層空氣露點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)

隨著氣流貼附長(zhǎng)度減少，貼附層各點(diǎn)露點(diǎn)溫度升高的速率加快，當(dāng)貼附層某一點(diǎn)露點(diǎn)溫度升高至輻射板的表面溫度時(shí)，輻射板將出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。通過分析冷輻射頂板對(duì)應(yīng)的貼附空氣層最大露點(diǎn)溫度規(guī)律，可以得到輻射板開始結(jié)露的具體位置。由于室內(nèi)流場(chǎng)的對(duì)稱性，選擇了流場(chǎng)中的3個(gè)典型位置（如圖5所示）進(jìn)行比較，點(diǎn)1為氣流貼附效應(yīng)最弱的區(qū)域（距內(nèi)墻0.5 m處）的中心點(diǎn)，點(diǎn)2為濕源正上方的位置，點(diǎn)3為回風(fēng)口區(qū)域的中心點(diǎn)。

圖5 貼附層表面不同的測(cè)點(diǎn)Fig.5 Measuring points of different surface of the attached layer

圖6示出所分析的貼附層不同點(diǎn)處的露點(diǎn)溫度變化曲線，由圖可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)工況下（6人，新風(fēng)量180 m3/h），貼附層中的3個(gè)點(diǎn)的露點(diǎn)溫度均逐漸上升，在60 min左右達(dá)成最大值，但均小于輻射板的表面溫度（17.8 ℃），冷輻射頂板不會(huì)結(jié)露，且在系統(tǒng)運(yùn)行的80 min內(nèi)，這3點(diǎn)的露點(diǎn)溫度升幅均在1 ℃以內(nèi)，其中射流沿風(fēng)口吹出，在點(diǎn)1處氣流貼附效果最差，當(dāng)新風(fēng)量為100%時(shí)，此處的空氣流速為0，人體產(chǎn)生的濕量上升至頂板，干燥的新風(fēng)沒有把這部分濕量完全帶走，因此該區(qū)域的含濕量較高，露點(diǎn)溫度由一開始16.1 ℃上升至16.7 ℃，點(diǎn)2位于濕源正上方，此時(shí)該處的風(fēng)速約為0.35 m/s，濕量被新風(fēng)帶走，因此該處的露點(diǎn)溫度為16.1 ℃上升至16.4 ℃，點(diǎn)3位于回風(fēng)口區(qū)域的中心，干燥的新風(fēng)將室內(nèi)的濕量帶走，一部分通過門縫排出，一部分被室內(nèi)誘導(dǎo)回風(fēng)，因此回風(fēng)口處的含濕量高于室內(nèi)各處。點(diǎn)3的露點(diǎn)溫度由16.1 ℃上升至16.9 ℃，高于貼附層其他位置，為貼附層空氣最大露點(diǎn)溫度。

圖6 貼附層不同點(diǎn)處的露點(diǎn)溫度變化Fig.6 Dew point temperature change at different measuring points of the attached layer

從圖7可以看出，各個(gè)測(cè)點(diǎn)通過數(shù)值模擬得出的露點(diǎn)溫度與試驗(yàn)測(cè)得的露點(diǎn)溫度對(duì)時(shí)間的變化基本保持一致，在試驗(yàn)過程中，房間的密閉性良好，但由于季節(jié)原因，室外的低濕空氣會(huì)隨著房間原有的風(fēng)口滲透進(jìn)入試驗(yàn)室，導(dǎo)致了試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)比模擬數(shù)據(jù)略低一些，因此試驗(yàn)值和模擬只之間存在著一定的偏差是合理的。在系統(tǒng)運(yùn)行的階段中，送風(fēng)含濕量在一定微小的范圍內(nèi)波動(dòng)，沒有達(dá)到絕對(duì)的穩(wěn)定，因此導(dǎo)致了各測(cè)點(diǎn)的露點(diǎn)溫度有浮動(dòng)的趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差最大的模擬值與試驗(yàn)值，見表1。

圖7 貼附層各測(cè)點(diǎn)處的露點(diǎn)溫度對(duì)比Fig.7 Comparison of the dew point temperature at measuring points of the attached layer

表1 露點(diǎn)溫度最大相對(duì)誤差Tab.1 Maximum relative error of dew point temperature

通過表1中的數(shù)據(jù)可以看出，各測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值和模擬值之間存在著一定的誤差，但最大的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，因此可以判定所建模型的正確性。

3.2.2 變新風(fēng)量時(shí)貼附層空氣露點(diǎn)溫度變化特性

在設(shè)計(jì)人數(shù)條件（6人）下，當(dāng)改變新風(fēng)量，系統(tǒng)運(yùn)行15 min時(shí)貼附層露點(diǎn)溫度分布如圖8所示。從圖中可以看出，在15 min時(shí)，貼附空氣層的露點(diǎn)溫度隨著新風(fēng)量的減少，上升的速率明顯加快。當(dāng)新風(fēng)量為180 m3/h時(shí)，氣流貼附效果明顯，此時(shí)貼附空氣層的最大露點(diǎn)溫度出現(xiàn)在回風(fēng)口處，該處的露點(diǎn)溫度為16.6 ℃；隨后調(diào)節(jié)新風(fēng)量為80%，氣流貼附效果減弱，新風(fēng)除濕能力下降，由圖8（b）可知，此時(shí)貼附空氣層的最大露點(diǎn)溫度為17 ℃；當(dāng)新風(fēng)量為60%，貼附空氣層的最大露點(diǎn)溫度為17.4 ℃，小于輻射板的表面溫度（17.8 ℃），冷輻射頂板仍不結(jié)露。但當(dāng)送風(fēng)量為40%和20%時(shí)，氣流速度衰減快，基本不貼附輻射板表面，整個(gè)輻射板表面都容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至15 min時(shí)，此時(shí)貼附空氣層的最大露點(diǎn)溫度為17.8 ℃，輻射板開始結(jié)露。因此，當(dāng)風(fēng)量為60%～100%時(shí)，每減少20%風(fēng)量，露點(diǎn)溫度上升0.4 ℃左右，由于風(fēng)量為20%，40%時(shí)冷輻射板表面不形成貼附層，故兩者的結(jié)露速率幾乎趨同。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行15 min時(shí)貼附層露點(diǎn)溫度分布云圖Fig.8 Dew point temperature distribution nephogram of attached layer when the system has been running for 15 min

圖9示出貼附層空氣最大露點(diǎn)溫度隨新風(fēng)量變化曲線。

圖9 貼附層空氣最大露點(diǎn)溫度隨新風(fēng)量變化曲線Fig.9 Variation curve of the maximum dew point temperature of the attached layer with the fresh air volume

由圖可以看出：在系統(tǒng)運(yùn)行的80 min內(nèi)，當(dāng)送入新風(fēng)量為100%時(shí)，滿足了室內(nèi)除濕量的條件，貼附層空氣露點(diǎn)溫度從16.1 ℃上升至16.9 ℃，系統(tǒng)運(yùn)行1 h后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，該條件下輻射板不結(jié)露；新風(fēng)量為80%時(shí)，貼附層空氣最大露點(diǎn)溫度在逐漸上升，在系統(tǒng)運(yùn)行至80 min時(shí)貼附層空氣露點(diǎn)溫度上升至17.8 ℃，此時(shí)該露點(diǎn)溫度等于輻射板表面溫度，輻射板有結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。新風(fēng)量為60%時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行24 min時(shí)，輻射板開始結(jié)露。當(dāng)新風(fēng)量為40%和20%時(shí)，系統(tǒng)分別運(yùn)行18 min和15 min時(shí)，輻射板出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。因此當(dāng)新風(fēng)量降低至60%以下時(shí)，貼附層空氣最大露點(diǎn)溫度上升的速率明顯加快，在30 min內(nèi)，輻射板會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

通過上述分析可知，在設(shè)計(jì)人數(shù)條件下，新風(fēng)可根據(jù)室內(nèi)衛(wèi)生條件要求（監(jiān)測(cè)CO2）使新風(fēng)量在80%～100%范圍內(nèi)間歇調(diào)節(jié)，即在80%風(fēng)量下運(yùn)行1 h，然后在100%新風(fēng)量下運(yùn)行，待含濕量降低后，再按80%新風(fēng)量運(yùn)行，避免輻射板結(jié)露的同時(shí)實(shí)現(xiàn)新風(fēng)節(jié)能。

3.3 人員變化時(shí)變新風(fēng)量對(duì)貼附層露點(diǎn)溫度的影響

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，在室人員數(shù)會(huì)發(fā)生變化，假設(shè)室內(nèi)人員減少50%（3人），改變送入新風(fēng)量的大小，此時(shí)貼附層空氣露點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)如圖10所示。從圖中可以看出，室內(nèi)人員數(shù)量減少，室內(nèi)的散濕量也同步減少，當(dāng)新風(fēng)量為100%（180 m3/h）、80%（144 m3/h）時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行 80 min，由于送入室內(nèi)的新風(fēng)量遠(yuǎn)大于室內(nèi)除濕所需新風(fēng)量，貼附層空氣露點(diǎn)溫度逐步下降至14.8 ℃和15.4 ℃后趨于穩(wěn)定；當(dāng)新風(fēng)量為60%（108 m3/h），此時(shí)新風(fēng)量剛好滿足室內(nèi)所需的除濕新風(fēng)量，此時(shí)貼附層空氣露點(diǎn)溫度維持在室內(nèi)的初始階段不變；當(dāng)新風(fēng)量減少至40%運(yùn)行80 min時(shí)，該貼附層空氣露點(diǎn)溫度上升至17.4 ℃，具有一定的結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)風(fēng)量減少至20%運(yùn)行35 min時(shí)，輻射板表面出現(xiàn)了結(jié)露現(xiàn)象。

圖10 貼附層空氣露點(diǎn)溫度隨新風(fēng)量變化的變化曲線Fig.10 Variation curve of the air dew point temperature of the attached layer with the change of fresh air volume

因此，在室人員數(shù)量減少時(shí)，可根據(jù)CO2傳感器相應(yīng)降低新風(fēng)量，當(dāng)新風(fēng)量降低至室內(nèi)除濕所需新風(fēng)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)貼附層露點(diǎn)溫度上升的速率適當(dāng)調(diào)節(jié)新風(fēng)量大小，避免結(jié)露。

4 結(jié)語

通過對(duì)冷輻射頂板結(jié)合誘導(dǎo)式新風(fēng)口系統(tǒng)進(jìn)行CFD模擬，分析室內(nèi)人員變化，變新風(fēng)量運(yùn)行時(shí)冷輻射頂板結(jié)露特性。在設(shè)計(jì)人數(shù)條件下，當(dāng)滿足室內(nèi)衛(wèi)生條件時(shí)，可調(diào)節(jié)新風(fēng)量至80%運(yùn)行1 h，隨后增加新風(fēng)量至100%，當(dāng)室內(nèi)的露點(diǎn)溫度降至16.8 ℃穩(wěn)定后，再調(diào)節(jié)新風(fēng)量至80%交替運(yùn)行。當(dāng)室內(nèi)人數(shù)減少50%時(shí)，可通過監(jiān)控CO2濃度降低新風(fēng)量，使新風(fēng)量在60%條件下穩(wěn)定運(yùn)行，或在40%及20%條件下交替運(yùn)行。在冷輻射頂板結(jié)合新風(fēng)誘導(dǎo)送風(fēng)貼附射流供冷模式下，調(diào)節(jié)新風(fēng)量既可以滿足室內(nèi)衛(wèi)生及防結(jié)露要求，又可以加大輻射板的供冷能力，達(dá)到節(jié)能目的。