不同通風(fēng)方式與地板供冷結(jié)合的熱環(huán)境模擬研究

朱旭偉 杜艷秋 劉吉營(yíng)，2

1 山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

2 山東格瑞德集團(tuán)有限公司人工環(huán)境產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)研究院

0 前言

近二十年輻射供冷在中國(guó)已得到快速發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用在辦公大樓、高鐵站等建筑[1]。輻射空調(diào)系統(tǒng)具有較好的節(jié)能性[2]，能夠維持室內(nèi)環(huán)境較好的熱舒適性[3-4]。目前對(duì)輻射供冷與不同通風(fēng)方式相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)已有了大量的研究。周翔利用輻射末端試驗(yàn)臺(tái)開展了大量的熱舒適研究[5]。梁彩華和路詩(shī)奎對(duì)地板輻射和置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究[6-7]。馬景俊對(duì)輻射空調(diào)的舒適性進(jìn)行了理論分析[8]。吳小舟做了關(guān)于通風(fēng)方式對(duì)輻射空調(diào)房間室內(nèi)空氣分布的研究[9]。趙忠超采用FLUENT 軟件進(jìn)行數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究的方法對(duì)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行研究[10]。

但是大多是關(guān)于地板輻射和某一特定的送風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合的研究。對(duì)于地板輻射與多種不同的通風(fēng)方式相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)研究是較少的。因此，本文通過用 PHOENICS 對(duì)不同地板溫度和不同通風(fēng)方式相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并對(duì)其室內(nèi)熱舒適性、空氣溫度和速度分布進(jìn)行對(duì)比分析。

1 研究方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

在數(shù)值模擬中，室內(nèi)流體只考慮因溫度引起的密度變化而忽略因壓強(qiáng)引起的密度變化，且滿足Boussinesq 假設(shè)。采用 RNGk-ε方程模型進(jìn)行求解，輻射模型為Immersol 輻射模型。RNGk-ε模型的表達(dá)式如下：

式中：C1ε和C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分 別為1.42 和1.68；μeff為擴(kuò)散系數(shù)；k為湍動(dòng)能；ε為耗散率。

1.2 物理模型

模擬設(shè)置房間尺寸為 4 m× 3 m× 2.8 m（長(zhǎng)× 寬×高），室內(nèi)設(shè)置有溫度恒為34 ℃的模擬人體熱源，人體的尺寸為0.4 m× 0.3 m× 1.7 m（長(zhǎng)× 寬× 高），人體位于房間的中心處。模擬房間的具體示意圖見圖1。

圖1 CFD 模擬房間示意圖

1.3 邊界條件及模擬工況設(shè)置

為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)供冷環(huán)境的模擬，將南面墻假定為30 ℃，其他墻壁的溫度設(shè)置為25 ℃。室內(nèi)設(shè)置1臺(tái)電腦，功率為 100 W，2 個(gè)日光燈，每個(gè) 30 W。為簡(jiǎn)化模型將室內(nèi)設(shè)備的發(fā)熱功率平均的分布在頂板上，功率為13.4 W/m2。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)分析[4]，分別將地板溫度設(shè)置為20 ℃，2 2 ℃和 24 ℃。實(shí)心壁的內(nèi)部發(fā)射率設(shè)置為0.92。在PHOENICS 數(shù)值模擬中建立的詳細(xì)邊界條件，其中定義人體模型的表面溫度為34 ℃。假定 DV、SV 和 MV 系統(tǒng)的送風(fēng)速度為0.24 m/s 和 0.48 m/s。風(fēng)口類型 Inlet，風(fēng)口尺寸均為0.25 m× 0.12 m（長(zhǎng)× 寬）。三種不同送風(fēng)方式的送風(fēng)溫度均設(shè)置為18 ℃或20 ℃。出口壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，風(fēng)口類型選擇為PHOENICS 軟件自帶的Opening。墻壁與屋頂作為絕熱表面處理。綜合考慮送風(fēng)方式，地板溫度，送風(fēng)溫度和速度等因素，模擬總共有 36 種工況。

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 豎直不滿意率

為分析豎直溫差的存在引起的人員局部不舒適的強(qiáng)弱引入豎直不滿意率[4]。測(cè)量并計(jì)算了在地面中心位置以上0.1 m 的踝關(guān)節(jié)和 1.1 m 的頭部的垂直空氣溫度差（ΔT0.1-1.1）。然后分析了人員活動(dòng)區(qū)的豎直不滿意率（PD），PD值的計(jì)算公式如公式（6）：

1.4.2 吹風(fēng)感

為評(píng)估送風(fēng)口和排風(fēng)口在室內(nèi)人員腳踝、腿部、頸部、面部的氣流效果，取房間中心位置 0.1 m 到 1.7 m的溫度和風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。在中性—冷的環(huán)境下湍流度對(duì)人體對(duì)吹風(fēng)感的敏感性有很重要的影響[4]。用DR表示不滿意率，用式（4）～（5）來描述不滿意度與風(fēng)速、風(fēng)溫以及湍流度之間的關(guān)系：

式中：v為空氣流速，m/s；Ta為空氣溫度，℃ ；Tu為湍流度，無 量綱；k為湍流動(dòng)能，m2/ s2。

1.4.3 操作溫度

輻射供冷的原理是低溫輻射板通過輻射形式與房間內(nèi)的人體換熱，所以對(duì)室內(nèi)人體熱舒適的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不能僅用室內(nèi)空氣溫度這一個(gè)參數(shù)來評(píng)價(jià)，需要引入操作溫度的概念。操作溫度（Top)定義為環(huán)境中空氣溫度（Ta）和平均輻射溫度（Tr）對(duì)人體的綜合作用溫度[11]，是分析人體與環(huán)境之間顯熱平衡的重要參數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式中：hc為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2· K)；hr為輻射換熱系數(shù)，W/(m2· K)。ar和ac分別為輻射比例和對(duì)流比例，ar+ac=1。ar、ac的大小取決于空氣流速。ASHARE 給出了ac與空氣速度的關(guān)系[12]，如表1 所示。

表1 ac 與室內(nèi)空氣流速的關(guān)系

2 模擬結(jié)果

2.1 不同通風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)速度分布的影響

2.1.1 地板輻射和置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣速度的影響

結(jié)合室內(nèi)的溫度云圖和速度云圖對(duì)模擬的結(jié)果進(jìn)行分析，選取的截面位于垂直于 YOZ 平面，x/X=0.5。圖 3 為不同地板溫度DV24/20/0.48、DV22/20/0.48和DV20/20/0.48（以 DV24/20/0.48 為例，DV 表示通風(fēng)方式為置換通風(fēng)，各參數(shù)表示地板溫度為 24 ℃，送風(fēng)溫度為20 ℃，送風(fēng)速度為 0.48 m/s）的速度分布云圖。由圖可以明顯看出在該復(fù)合系統(tǒng)下，在近地面處的風(fēng)速較大且均勻分布。氣流與熱源相遇時(shí)會(huì)形成熱氣流，在浮力的作用下向上運(yùn)動(dòng)。人員活動(dòng)區(qū)的其他部分的風(fēng)速相對(duì)穩(wěn)定，在排風(fēng)口以及排風(fēng)口的上部風(fēng)速又有明顯的增大。在相同送風(fēng)速度條件下，地板溫度為24 ℃時(shí)，其室內(nèi)中心位置的風(fēng)速要普遍大于地板溫度為20 ℃和22 ℃的工況結(jié)果。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)隨著地板溫度的增加活動(dòng)區(qū)的最大風(fēng)速略有增大，在送風(fēng)溫度為18 ℃時(shí)地板溫度每上升2 ℃最大風(fēng)速約增大0.003 m/s，因此可忽略送風(fēng)溫度為18 ℃時(shí)改變地板溫度對(duì)活動(dòng)區(qū)最大風(fēng)速的影響。當(dāng)送風(fēng)溫度為20 ℃時(shí)，地板溫度每上升2 ℃，最大風(fēng)速約增大 0.011 m/s。送風(fēng)溫度每增加2 ℃，對(duì)應(yīng)的中心位置處的最大風(fēng)速約提高0.01 m/s。就整個(gè)人員活動(dòng)區(qū)的風(fēng)速而言均不大于0.3 m/s，滿足房間內(nèi)對(duì)風(fēng)速的要求。.

圖2 不同地板溫度的速度分布云圖

2.1.2 地板輻射和層式通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣速度的影響

圖3 為層式通風(fēng)方式SV24/18/0.24 和SV24/20/0.48 的速度分布云圖。層式通風(fēng)時(shí)送風(fēng)口高度為1.16 m，在近風(fēng)口的位置具有較大的速度。當(dāng)送風(fēng)速度為0.24 m/s 時(shí)，各種工況在人體工作區(qū)的最大風(fēng)速為0.069 m/s，且都在距地面距離為 0.6 m 左右的位置達(dá)到最大風(fēng)速。當(dāng)送風(fēng)溫度由18 ℃提升到20 ℃時(shí)，相同地板溫度對(duì)應(yīng)的相同高度的風(fēng)速的增幅不超過0.1 m/s，層式通風(fēng)方式下提升送風(fēng)溫度的對(duì)室內(nèi)速度分布的影響并不大。地板溫度一定時(shí)，當(dāng)風(fēng)速為0.48 m/s、送風(fēng)溫度為20 ℃時(shí)，室內(nèi)風(fēng)速隨著高度的增加逐漸減小。地板溫度每增加2 ℃，在人員活動(dòng)區(qū)的相同高度的風(fēng)速的最大增幅為 0.038 m/s。風(fēng)速為0.24 m/s 的所有工況下的速度變化度要遠(yuǎn)小于在風(fēng)速為0.48 m/s 的變化幅度，如圖4 所示。

圖3 SV24/18/0.24 和SV24/18/0.48 速度分布云圖

圖4 不同送風(fēng)速度下的室內(nèi)風(fēng)速變化圖

2.1.3 地板輻射和混合通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣速度的影響

圖5 為混合通風(fēng)方式下 MV20/18/0.24 和MV24/18/0.24 的速度分布云圖。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在混合通風(fēng)方式下。當(dāng)送風(fēng)速度為 0.24 m/s，送風(fēng)溫度由 18 ℃增大到20 ℃的時(shí)候，室內(nèi)的速度分布發(fā)生的改變并不大，對(duì)應(yīng)高度的增幅平均值為0.03 m/s。當(dāng)風(fēng)速為0.24 m/s 時(shí)，人員活動(dòng)區(qū)的風(fēng)速都小于0.1 m/s。送風(fēng)速度為0.48 m/s 相較于送風(fēng)速度為0.24 m/s 時(shí)對(duì)房間的速度分布影響更大。在距地面為0.1 和0.6 m 時(shí)，風(fēng)速隨著地板溫度的上升逐漸增大。隨著地板溫度的上升，房間中心位置在0～0.1 m 內(nèi)的速度梯度越來越小。

圖5 MV20/18/0.24 和MV20/18/0.24的速度分布云圖

在送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度一定時(shí)，地板溫度的上升對(duì)人體腳踝（0.1 m）、大腿（0.6 m）、坐姿時(shí)的呼吸區(qū)（1.1 m）于人體站立時(shí)的面部高度（1.7 m）及其以上的空間的空氣流速的影響是較小的。地板溫度每上升2 ℃，在距地0.6 m 高度處的速度增幅大約為0.09 m/ s，在高于0.6m 的高度處，隨著高度的增加這個(gè)增幅在逐漸的減小。這說明在0.6m 以上，地板溫度的改變對(duì)室內(nèi)空氣速度分布的影響減小。

2.2 不同通風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)溫度分布的影響

2.2.1 地板輻射/置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣溫度的影響

圖6 為在置換通風(fēng)的方式下 DV24/18/0.24 和DV20/18/0.24 的溫度分布云圖。當(dāng)?shù)匕鍦囟群退惋L(fēng)溫度的溫度差為2 ℃相較于溫差為4 ℃和6 ℃時(shí)，溫度場(chǎng)的熱力分層更加明顯。在 DV24/18/0.24 的溫度分層在近地面處較為紊亂。在地板表面溫度不變的情況下，送風(fēng)溫度每提高2 ℃，室內(nèi)對(duì)應(yīng)位置的平均溫度約提高0.4 ℃。在送風(fēng)溫度不變的情況下，地板表面溫度每提高2 ℃，室內(nèi)平均溫度約提高 0.73 ℃。因此室內(nèi)溫度對(duì)地板溫度的變化更加敏感。在置換通風(fēng)時(shí)，從距地面 0.1 m 處（腳踝）送入低溫空氣，當(dāng)送風(fēng)速度為0.48 m/s 時(shí)，在人體腳踝處的溫度較低，而在 1.7 m 處（站立時(shí)的頭部高度）因低溫空氣受熱向上運(yùn)動(dòng)使得溫度較大。如圖7 所示，圖 7 中0.24/0.1 表示送風(fēng)速度為0.24 m/s，位置為距地面高度為1.1 m。

圖6 DV24/18/0.24 和DV20/18/0.24 的溫度分布云圖

圖7 不同送風(fēng)速度時(shí)在0.1 m和1.1 m 的溫度變化圖

2.2.2 地板輻射和層式通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣溫度的影響

如圖8 所示為SV22/20/0.24 和SV24/18/0.48 的溫度分布云圖。在云圖中可以看出風(fēng)速為0.24 m/s 時(shí)，人體活動(dòng)區(qū)（0～1.7 m）的溫度梯度比風(fēng)速為 0.48 m/s 時(shí)的溫度梯度要大。溫度梯度受地板溫度的影響。當(dāng)風(fēng)速與風(fēng)溫一定的情況下在距地高度1.1 m 時(shí)，地板溫度為20 ℃時(shí)的溫度梯度最大，22 ℃次之，地板溫度為24 ℃的溫度梯度最小。房間溫度受地板溫度的影響要強(qiáng)于受送風(fēng)溫度的影響。在圖8 中可以發(fā)現(xiàn)地板溫度從22 ℃上升到24 ℃時(shí)，室內(nèi)溫度的變化是很明顯的。但是當(dāng)風(fēng)溫從18 ℃上升到20 ℃時(shí)，室內(nèi)溫度的變化并不明顯。想要改變室內(nèi)溫度的分布時(shí)，可以考慮通過改變地板溫度而不是改變送風(fēng)溫度。

圖8 SV22/20/0.24 和SV24/18/0.48 的溫度分布云圖

2.2.3 地板輻射和混合通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣溫度的影響

圖9 為混合通風(fēng)下 MV20/18/0.24 和 MV20/18/ 0.48 的溫度分布云圖。在圖9 中可以明顯的看出地板溫度和送風(fēng)溫度相同的情況下，風(fēng)速度為0.24 m/s 時(shí)，送入房間的低溫空氣未直接到達(dá)房間中心的人體處而是發(fā)生衰減。送風(fēng)速度為0.48 m/s 時(shí)，送入房間的低溫空氣可以直接到達(dá)近人體處。在云圖中可以看出低送風(fēng)速度的熱力分層較高送風(fēng)速度來說更加明顯，且低風(fēng)速的溫度梯度較大。在混合通風(fēng)的方式下地板溫度的上升會(huì)減小溫度梯度，送風(fēng)速度為0.24 m/s 時(shí)，地板溫度每上升2 ℃，房間人員活動(dòng)區(qū)的平均溫度約上升0.58 ℃。而當(dāng)風(fēng)速為 0.48 m/s 時(shí)，地板溫度每上升2 ℃，房間的平均溫度增幅約為0.49 ℃，且低送風(fēng)速度時(shí)溫度的增幅隨高度的增加逐漸減小，高送風(fēng)速度時(shí)溫度的增幅逐漸增大。

圖9 MV20/18/0.24 和MV20/18/0.48 的溫度分布云

2.3 熱舒適性

2.3.1 豎直不滿意率

由 PD 值計(jì)算公式可得圖 10，在置換通風(fēng)時(shí)的PD 變化幅度較大，層式通風(fēng)和混合通風(fēng)的變化幅度較小。但就所有工況而言混合通風(fēng)和層式通風(fēng)的豎直不滿意率較小，在置換通風(fēng)時(shí)減小風(fēng)速對(duì) PD 值的影響更大。圖10 為PD 值隨地板溫度變化圖。從圖10 可得在置換通風(fēng)方式下隨地板溫度的增加 PD 值逐漸減小。以圖 10 中 20/18/0.24 為例，各參數(shù)表示的是地板溫度20 ℃，送風(fēng)溫度18 ℃，送風(fēng)速度為0.24 m/s。

圖10 在不同工況的PD 值變化

2.3.2 吹風(fēng)感

人體皮膚裸露的地方（如腿部區(qū)域和頭部區(qū)域）對(duì)吹風(fēng)感相對(duì)敏感，在ASHRAE113-2013 標(biāo)準(zhǔn)中DR要求DR＜20%。因?yàn)樵谒惋L(fēng)速度為0.24 m/s 時(shí)在房間中心位置的高于 0.1 m 的人員活動(dòng)區(qū)的風(fēng)速小于0.05 m/s，所以不考慮送風(fēng)速度為0.24 m/s 時(shí)的所有工況下的人體活動(dòng)區(qū)的吹風(fēng)感。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速提升到0.48 m/s 時(shí) DR 值受風(fēng)速的影響較大。在層式通風(fēng)時(shí)隨著距地高度的增加DR 值逐漸減小。當(dāng)改變地板溫度、送風(fēng)溫度時(shí)對(duì)應(yīng)位置的DR 值的變化并不大，風(fēng)速的對(duì)DR 值的影響更大。如圖11 所示。

圖11 不同工況下的DR 變化

2.3.2 操作溫度

不同地板溫度對(duì)應(yīng)的平均輻射溫度不同，地板溫度為 20 ℃，2 2 ℃和 24 ℃分別對(duì)應(yīng)的平均輻射溫度為24.4 ℃，2 4.68 ℃和 24.94 ℃。不同工況下的操作溫度及變化見圖12。以圖12 中20/18/0.24 為例，各參數(shù)表示的是地板溫度20 ℃，送風(fēng)溫度18 ℃，送風(fēng)速度為0.24 m/s。

圖12 不同工況操作溫度變化

由上圖可得操作溫度的區(qū)間為 22.5 ℃～24.5 ℃，在低送風(fēng)時(shí)，置換通風(fēng)的操作溫度相對(duì)于其他通風(fēng)方式較高，但仍在滿足人員熱舒適性的范圍內(nèi)。經(jīng)研究在特定輻射板溫度條件下，送風(fēng)速每增加 0.24 m/s 操作溫度的減小幅度越來越小。且在相同送風(fēng)速度與送風(fēng)溫度時(shí)，操作溫度的增幅隨地板溫度增加逐漸變小。

3 結(jié)論

1）在不考慮室內(nèi)污染物的情況下，地板輻射與不同通風(fēng)方式相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)在改變送風(fēng)參數(shù)和地板溫度時(shí)均能達(dá)到很好的舒適性。室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)的溫度變化受地板溫度增加的影響程度較小，當(dāng)?shù)匕鍦囟仍黾訒r(shí)人員活動(dòng)區(qū)溫度上升幅度較小，即室內(nèi)溫度對(duì)地板表面溫度變化敏感度較低。

2）提高送風(fēng)速度時(shí)，室內(nèi)空氣溫度變化不大，但卻容易造成局部區(qū)域吹風(fēng)感的增加。置換通風(fēng)時(shí)腳踝處的吹風(fēng)感相較于其他通風(fēng)方式有明顯的提升。在模擬的36 種工況中，置換通風(fēng)中由垂直溫差引起的豎直不滿意率略高于其他通風(fēng)方式。

3）相對(duì)于增加地板表面溫度，增加送風(fēng)溫度后室內(nèi)溫度增加較多，且室內(nèi)高度方向的溫度均勻度更好，因此室內(nèi)環(huán)境受送風(fēng)溫度的影響較大。