毛細管輻射采暖方式對室內熱環境的影響

朱翔，吳聞，王海濤

（安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601）

毛細管輻射采暖方式對室內熱環境的影響

朱翔，吳聞，王海濤

（安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601）

以蕪湖貝斯特搭建的毛細管網空調樣板房為模型，采用CFD軟件Airpak3.0模擬了樣板房地面、墻壁、頂棚、地面+墻壁、地面+頂棚、墻壁+頂棚六種毛細管網空調輻射供暖方式.得出室內溫度場、速度場、PMV、PPD等參數分布圖.經綜合分析地面+墻壁毛細管網空調輻射供暖方式對門窗較多的建筑物有較好的供暖效果.本模擬研究對毛細管網空調輻射供暖方式具有理論指導意義和實用價值.

毛細管網空調；輻射供暖；溫度分布；熱舒適性

毛細管網輻射空調在實際運用中擁有較好的熱舒適性和可提高系統效率等特點，已得到社會的廣泛認可[1,2]，引領新型空調的發展方向.王雪采用Airpark3.0軟件通過改變室內熱源強度和冷卻頂板承擔輻射量，模擬了室內溫度場和速度場[3].高志宏以毛細管輻射空調與溫濕度獨立空調系統相結合，通過實驗進行分析，得出結論，通過調節流量降低泵耗的方式可以降低毛細管輻射空調供冷量能力[4].那艷玲采用CFD軟件，對置換通風空調統和平面輻射空調系統和置換通風空調系統分別進行了模擬，得出結論，頂板輻射空調系統能夠較大程度減小垂直溫度梯度，提高人體熱舒適性[5].目前毛細管網空調研究較多是輻射供冷及能耗分析，但對于建筑物多個面輻射供暖時，人體舒適性的研究，還相對較少.

以蕪湖貝斯特提供的樣板房為原型，采用CFD軟件Airpak3.0，數值模擬了地板、墻壁、頂棚、地面+墻壁、地面+頂棚、墻壁+頂棚六種毛細管網空調輻射供暖模型.對房間氣流組織、溫度場等進行研究，分析了房間舒適度等問題.并根據ISO7730[6]標準，對熱舒適性、PMV-PPD等指標進行評價.有利于優化供暖方案，節約成本與能源.

1 模型的建立

1.1 房間的模型

房間幾何模型見圖1.房間尺寸為9.4m× 5.8m×2.7m；南邊玻璃幕墻尺寸2.5m×2.2m；南邊玻璃門尺寸3.3m×2.2m；東邊玻璃門尺寸2.97m× 2.2m；送風口尺寸0.3m×0.8m；回風口尺寸0.3m× 1m；人體利用長方體代替尺寸為0.4m×0.4m× 1.1m；電腦利用正方體代替尺寸為0.4m×0.4m× 0.4m.

圖1 樣板房的模型圖

1.2 房間參數及邊界條件的設定

CFD軟件Airpak3.0無法準確的設定某些特定參數，因此需要借助能耗分析軟件Energy Plus作為輔助軟件.模擬時間為冬季設計日1月21日，Energy Plus的數據庫為蕪湖樣板房提供氣象參數.毛細管網供水溫度為35℃，回水溫度為30℃，折合成穩定面熱源為30℃.

2 控制方程

在樣板房內熱量傳播的主要形式為輻射，對流和傳熱占有較小的比例.這種湍流流動復合換熱，采用的不可壓縮流體控制方程包括：能量方程、連續性方程、湍流方程、動量方程.對于此房間混合對流的特征，選用RNG k-ε模型的湍流方程[7,8]，其控制方程的通用形式為：

又因為輻射傳熱，應采用適用性普遍的離散坐標輻射（DO）模型，輻射熱是作為能量源項加入到能量方程的，輻射方程修正為：

3 模擬結果及分析

對六種模型進行分析對比，重點分析Z=1m時人工作區域的截面，人體腳踝處Y=0.1m的截面和人體坐姿時頭部Y=1.1m截面處[9]的溫度場、速度場和PMV[10]的分布情況.

3.1 溫度場的對比分析

冬季房間供暖，由于熱空氣密度較小，呈上升趨勢，當房間底部溫度達到供暖的要求時，整個房間的溫度都會滿足.

3.1.1 獨立鋪設模型Y=0.1m處溫度分布見下圖

(其中A-進風口、C-電腦、D-門、L-燈、M-人、P-隔板以及R-回風口)

圖2 地板模型Y=0.1m處溫度分布

3.1.2 通過以上對比分析可以得出

(1)單獨鋪設毛細管網時，地板模型腳踝部(0.1m)平均溫度21.9℃和人的坐姿時頭部(1.1m)平均溫度22.5℃,相對高于其他兩種模型.

(2)地板模型的熱空氣在室內上升，室內溫度較為均勻，豎直方向上溫度梯度為：0.6℃/m，但受門窗影響較大，房間內人體舒適區域受限.其余模型房間溫度較低，人體舒適度較低.

3.1.3 聯合鋪設模型Y=0.1m處溫度分布見下圖

圖4 地板+墻壁模型Y=0.1m處溫度分布

圖5 人工作區域Z=1m時垂直方向溫度分布(聯合鋪設)

3.1.4 通過以上對比分析可以得出

(1)聯合鋪設中有墻壁參與的模型，都明顯減緩了門窗對室內環境的影響.

(2)聯合鋪設中有地板參與的模型，其室內溫度都較為舒適.

(3)地板+墻壁模型腳踝部(0.1m)平均溫度22.3℃和人的坐姿時頭部(1.1m)平均溫度22.8℃，豎直方向上溫度梯度為：0.4℃/m.與地板模型相比，房間內人體舒適區域有所增加，且溫度梯度更小.

3.2 速度場的對比分析

溫度梯度會改變空氣流動速度，溫度梯度越大，空氣流速越大.人的前額和腳踝是對風速感覺最為敏感的部位，當人保持坐姿時，即為0.1m和1.1m的位置.當風速很低時，空氣幾乎不流動，呼吸排出的有害物質和空氣中的微生物就會聚集，影響空氣品質和人體健康；當風速超過0.2m/s時，就會給人造成吹風感，使人體感到不舒適[11].

3.2.1 獨立鋪設模型Z=1m截面速度分布

圖6 地板模型Z=1m截面速度分布

單獨鋪設時，地板模型由于受門窗的影響較大，水平方向上溫度梯度相對較大，故與其他兩個模型相比，風速最大.人的腳踝部（0.1m）和人的坐姿時頭部（1.1m）處的風速分別為0.19m/s、0.14m/s，人體感覺稍有吹風感.

3.2.2 聯合鋪設模型Z=1m截面速度分布

圖7 地板+墻壁模型Z=1m截面速度分布

通過以上對比分析可以得出：

(1)聯合鋪設中有墻壁參與的模型，房間空氣流速都較為穩定.

(2)聯合鋪設中有地板參與的模型，房間空氣流速相對較快.

(3)地板+墻壁模型在人的腳踝部（0.1m）和人的坐姿時頭部（1.1m）處的風速分別為0.14m/s、0.1m/s，較地板模型風速降低，且人無吹風感.

3.3 PMV的對比分析

表1 PMV指標

根據ISO7730對PMV—PPD指標的推薦值應在-0.5～+0.5之間

3.3.1 獨立鋪設模型Z=1m截面PMV分布

圖8 地板模型Z=1m截面PMV分布

3.3.2 通過上圖分析可以得出

單獨鋪設時，地板模型的人活動區域0.1～1.1m附近PMV基本處于-0.5～+0.5之間，屬舒適范圍，膝蓋及腿部稍涼.其余模型均超出此范圍，屬涼的范圍.

3.3.3 聯合鋪設模型Z=1m截面PMV分布

圖9 地板+墻壁模型Z=1m截面PMV分布

3.3.4 通過以上對比分析可以得出

(1)地板+墻壁模型的人活動區域0.1～1.1m附近PMV基本處于-0.5～+0.5之間，屬舒適范圍.

(2)墻壁+頂棚模型的人腿部及以下PMV基本處于-1.8～-1.2之間，屬稍涼范圍.

(3)地板+頂棚模型的PMV分布情況和地板模型相似，即頂棚鋪設毛細管網對人體舒適度影響較小.

4 結論

采用CFD軟件Airpak3.0對房間的溫度場、速度場和PMV分布情況進行了分析，得出以下結論:

(1)地板鋪設毛細管網供暖時，底層的熱空氣上升使整個空間處于熱環境中，可以充分利用輻射供熱，但受圍護結構的影響較大.

(2)墻壁鋪設毛細管網供暖時，可以抵消一部分門窗對室內熱環境的影響，但無法使整個空間處于熱環境中.

(3)頂棚鋪設毛細管網供暖時，熱空氣基本停留在房間的上部，室內溫度相對較低，受維護結構影響較大，沒有充分地利用輻射供熱.

(4)對門窗較少的建筑物供暖時，建議采用地板鋪設毛細管網，在滿足人體舒適性要求的同時，又可以節約能源；對于門窗較多的建筑供暖時，建議采用地板+墻壁鋪設毛細管網，方能達到人體舒適性的要求.

〔1〕Feustel H E,Stetiu C.Hydronic radiant cooling-preliminaryassessment[J].Energyand Buildings,1995,22(3):193-205.

〔2〕Imanari T,Omori T,Bogaki k.Thermal comfort and energy consumption oftheradiant ceiling panel system,comparison with the conventional all-air system[J].Energy and Buildings,1999,30(2):167-175.

〔3〕王雪.冷卻頂板和太陽輻射對置換通風系統影響的模擬與分析[D].哈爾濱工業大學，2005.6.

〔4〕高志宏，劉曉華，江億.毛細管輻射供冷性能試驗研究[J].太陽能學報,2011,23(1):101-106.

〔5〕那艷玲，涂光備，于松波，等.冷卻頂板對置換通風系統的影響：CFD研究[J].暖通空調,2005,23 (1):11-15.

〔6〕ISO7730.Moderate thermal environments－determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort[S].1984．

〔7〕袁東升，田慧玲，高建成．氣流組織對空調房間空氣環境影響的數值模擬[J].建筑節能，2008(9): 9－13．

〔8〕佘光華.地鐵通風空調系統節能研究[J].制冷與空調，2008,22(2):14-17.

〔9〕毛輝.成都地區住宅室內熱舒適性調查與分析研究[D].西南交通大學，2010.6.

〔10〕劉忠輝,李茂德.熱系統內表面對空間有效溫度場的影響[J].能源技術,2002（2）.

〔11〕徐麗，翁培奮，孫為民.三種通風方式下的室內氣流組織和室內空氣品質的數值分析[J]．空氣動力學報，2003，21(3):10-14.

TU831

A

1673-260X（2017）07-0047-03

2017-03-10

國家自然科學基金項目資助（51606002）