夏熱冬冷地區(qū)采暖末端氣流組織對比

沈維龍

南京長江都市建筑設(shè)計股份有限公司

夏熱冬冷地區(qū)采暖末端氣流組織對比

沈維龍

南京長江都市建筑設(shè)計股份有限公司

由于散熱器、熱泵型空調(diào)和地面輻射采暖有著各不相同的工作方式和傳熱特點，室內(nèi)的熱環(huán)境也必定存在差異。本文通過使用Airpak商用模擬軟件建立了三種采暖方式下的房間物理模型，并對三種采暖方式下房間的溫度分布情況進(jìn)行模擬計算分析。

采暖 Airpak溫度分布

對于室內(nèi)環(huán)境的模擬非常復(fù)雜，顯然不能用簡單的解析進(jìn)行求解。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，選用Airpak對夏熱冬冷地區(qū)常用的三種末端氣流組織（散熱器采暖、地板輻射采暖、熱泵型空調(diào)采暖）進(jìn)行模擬分析，Airpak擁有自動生成非結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的能力，用戶能夠?qū)W(wǎng)格疏密隨意控制，對于工程師、建筑師和室內(nèi)設(shè)計師的專業(yè)領(lǐng)域工程師而言，這是一種較為常用且專業(yè)的人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件，特別是在供暖、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)方面發(fā)揮著巨大的作用。

1　采暖房間建模

1.1房間模型

以江寧某住宅為模型，對該房間進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其室內(nèi)氣流組織。該房間模型尺寸為5m×4m× 3m。房間有一面南向外墻，一面單層玻璃外窗，三面內(nèi)墻，并設(shè)置有兩個桌子和一個沙發(fā)。房間內(nèi)存在的熱源有：一個坐著的人，發(fā)熱量為75W；一臺發(fā)熱量100W的電視機，一個日光燈，發(fā)熱量30W。散熱器采暖模型中散熱器安裝位置為南外窗下方。熱泵型空調(diào)末端（以下簡稱空調(diào)末端）的形式為天花板內(nèi)藏風(fēng)管式，安裝在房間吊頂中。三種采暖方式在Airpak軟件中的建模如圖1。

1.2網(wǎng)格劃分

使用Airpak 3.0進(jìn)行數(shù)值模擬研究，采用軟件自動生成網(wǎng)格，為使網(wǎng)格劃分更加合理化，增加模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用了局部加密的處理手段。在多連接送、回風(fēng)口、人員、電視、日光燈等對計算結(jié)果影響較大處進(jìn)行網(wǎng)格加密。其余空間應(yīng)對計算結(jié)果影響相對較小，網(wǎng)格劃分較為疏松以提高計算速度。網(wǎng)格劃分情況如圖2。

圖1　房間模型

圖2　網(wǎng)格劃分

1.3邊界條件的處理

1）室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)行業(yè)相關(guān)規(guī)范規(guī)定查得：江寧區(qū)冬季供暖室外計算參數(shù)，供暖干球溫度-1.6℃，相對濕度79%；冬季采暖室內(nèi)設(shè)計溫度取19℃，房間熱負(fù)荷1.82kW[3]。

2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊界條件

模型中存在一面外墻及三面內(nèi)墻，外墻為南外墻。外墻材質(zhì)為夏熱冬冷地區(qū)較為常見的240mm磚墻，墻體面積為10m2，設(shè)置外墻邊界條件為第二類邊界條件，并且適當(dāng)增加外墻的耗熱量，內(nèi)墻及樓板為簡化計算假定為絕熱條件。

地板輻射采暖地板表面溫度是由調(diào)整供回水平均溫度、盤管間距、填充層厚度確定，該模型中地板表面溫度取26℃[4]。

3）外窗、風(fēng)口邊界條件

模型只設(shè)一扇南外窗，外窗為玻璃鋁合金外窗，面積為3.24m2；空調(diào)末端采用某品牌FJDP36NVC機型，送風(fēng)口邊界條件為送風(fēng)溫度29℃、送風(fēng)速度1.9m/s、尺寸為660mm×153mm、回風(fēng)速度為0.97m/s、回風(fēng)口尺寸660mm×300mm。

2　模擬結(jié)果對比分析

散熱器、熱泵型空調(diào)末端、地板輻射這三種采暖方式下室內(nèi)氣流組織有很大不同，主要從室內(nèi)溫度進(jìn)行對比分析。截取房間模型X=2.5、Y=0.1、Z=3.6的溫度場如圖3～5。

圖3　X=2.5m截面溫度云圖

圖4　Z=3.6m截面溫度云圖

圖5　Y=0.1m截面溫度云圖

2.1散熱器采暖溫度場分析

從圖3（a）可以看出：X=2.5m截面處散熱器采暖室內(nèi)豎向溫度并未出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，溫度分布比較合理均勻。分析圖4（a）發(fā)現(xiàn)Z=3.6m截面上溫度維持在18.5～19.5℃范圍內(nèi)，靠近散熱器所在位置出現(xiàn)房間高處溫度較低處溫度更高的現(xiàn)象。室內(nèi)溫度變化是由于散熱器加熱室內(nèi)空氣形成自然對流所致。由圖5（a）可知：在Y=0.1m截面上溫度范圍約為17℃～18.6℃，溫度總體表現(xiàn)出北高南低、西高東低的情況，尤其靠近房間東南角的溫度較低，散熱器模型室內(nèi)溫度分布比較均勻、良好。

2.2空調(diào)末端采暖溫度場分析

分析圖3（b）可知：X=2.5m截面上空調(diào)末端采暖模型溫度分層較為嚴(yán)重，其最低溫度約為17.5℃，最高溫度超過23℃。這是因為室內(nèi)機水平射流導(dǎo)致房間地面處熱空氣聚集，近地面處空氣無法與高處熱空氣接觸導(dǎo)致出現(xiàn)溫度分層。從圖4（b）可以得知：Z=3.6m截面上溫度同樣出現(xiàn)上高下低現(xiàn)象，溫度范圍約17.5～20℃。由于該截面不在室內(nèi)機射流中心位置上，所以溫度差較X=2.5m處小。分析圖5（b）可以看出：Y=0.1m截面上空調(diào)末端采暖模型靠近南外墻處溫度很低，靠近空調(diào)末端回風(fēng)口處溫度較高，最高溫度約20℃。

2.3輻射采暖溫度場分析

由圖3（c）可以看出：X=2.5m截面上地板輻射采暖模型室內(nèi)豎向溫度分布十分均勻，室內(nèi)溫度未達(dá)到設(shè)計要求時，基本不存在溫度分層現(xiàn)象。室內(nèi)溫度基本維持在19.2℃左右。由圖4（c）可以看出：Z=3.6m截面上采暖模型靠近南外墻處溫度比較低，近地面處溫度較高。人體腳部會產(chǎn)生溫暖的感覺，但又不會因為頭部呼吸區(qū)溫度過高而產(chǎn)生不適感。分析圖5（c）：Y=0.1m截面上的溫度較高，溫度分布南側(cè)較低，北側(cè)較高。該截面上整體溫度范圍在21.5～22.5℃之間。人體腳踝附近較高的溫度有利于促進(jìn)人體血液循環(huán)。從Y方向上各個截面溫度分布可以看出，地板輻射采暖模型溫度分布均勻、合理。但是，應(yīng)注意受到外墻散熱的影響，靠近外墻處會出現(xiàn)低溫區(qū)。

2.4對比分析

由X=2.5m截面處溫度分布對比三種采暖模型，地板輻射采暖模型垂直溫差最小，室內(nèi)溫度分布最為理想。散熱器采暖模型在該截面處溫度分布較為合理，最大溫差較小。空調(diào)末端采暖模型在該截面處最大溫差約6.5℃，溫度出現(xiàn)較嚴(yán)重分層現(xiàn)象。對比Z=3.6m截面上溫度分布，地板輻射采暖模型溫度分布合理，散熱器模型次之，空調(diào)末端模型較差。地板輻射模型和空調(diào)末端模型在靠近外墻處均出現(xiàn)較大的低溫區(qū)，而散熱器模型中把采暖散熱器設(shè)置在外窗下方可以很大程度上避免該情況的發(fā)生。對比Y方向上各截面的溫度可以發(fā)現(xiàn)，地板輻射采暖模型各平面上溫度分布最理想，近地面處溫度較高能給人體營造出舒適的腳部熱環(huán)境。空調(diào)末端采暖模型在該方向上各截面溫度存在分布不均的情況，且房間溫度隨高度升高而上升。散熱器采暖模型在該方向上各截面溫度分布優(yōu)于空調(diào)末端采暖模型，各個截面溫度分布較為理想。因此，對比三種采暖模型的室內(nèi)溫度場，地板輻射采暖模型最優(yōu)，散熱器采暖模型次之，空調(diào)末端采暖模型較差。

3　總結(jié)

利用Airpak模擬軟件模擬了散熱器、地板輻射及空調(diào)末端采暖房間的舒適性，并對不同采暖方式下室內(nèi)溫度進(jìn)行了對比分析：溫度場結(jié)果顯示地板輻射房間溫度分布最為均勻，近地面處溫度較高，符合人體舒適感；散熱器房間溫度分布顯示散熱器周圍空氣溫度較房間其他區(qū)域高3℃左右，房間垂直溫差較小；房間空調(diào)末端模型溫度分布在三種采暖模型中較差，房間溫度分布不均勻，高處溫度較高。對比三種采暖模型的熱舒適度發(fā)現(xiàn)地板輻射模型室內(nèi)舒適度最為良好，散熱器模型次之，空調(diào)末端模型較差。

[1]張雪梅.地板采暖室內(nèi)熱環(huán)境的數(shù)值模擬分析及實驗研究[D].上海:上海交通大學(xué),2006

[2]韓偉國,江億,郭非.多種供熱供暖方式的能耗分析[J].暖通空調(diào),2005,35(11):106-110

[3]李衛(wèi)華,王子介.南京市建筑能耗分析用氣象參數(shù)的研究[J].節(jié)能技術(shù),2008,26(1):53-56

[4]王厚華,莊燕燕,吳偉偉.夏熱冬冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能節(jié)能分析[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,38(11):1641-1646

Simulation of Heating Terminal Air Distribution in Hot Summer and Cold Winter Region

SHEN Wei-long
Nanjing Yangtze River Urban Architectural Design Co.,Ltd.

Due to the heat sink,heat pump air conditioner and radiant floor heating has a different way of working and heat transfer characteristics of indoor thermal environment of the room,and it also exists differences.In this paper,by using Airpak commercial simulation software to set up three kinds of heating room under the way of physical model,the room air temperature distribution of these three heating means was simulated and analyzed.

heating,Airpak,indoor air temperature distribution

1003-0344（2015）06-058-4

2014-9-23

沈維龍（1989～），男，碩士，助工；江蘇省南京市秦淮區(qū)洪武路328號南京長江都市建筑設(shè)計股份有限公司（210000）；E-mail:434358575@qq.com