基于層狀通風的輻射空調系統數值模擬

許 艷 張鑫林 蔣達華

(江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

基于層狀通風的輻射空調系統數值模擬

許 艷 張鑫林 蔣達華

(江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

采用CFD對層狀通風—平頂輻射耦合空調系統模擬分析辦公室的溫度場、速度場,結果表明，人體頭足溫差小，且送風可及性好，能夠保證室內空氣品質，又不會引起明顯的吹風感。

層狀通風,輻射空調系統,數值模擬,熱舒適性

0 引言

室內空氣品質一直以來是人們普遍關注的話題。采用合理的通風方式將室外空氣均勻送入室內或建筑物內，可以改善室內空氣品質及熱舒適性[1]。混合通風、置換通風和個性化通風這三種是空調通風的主要形式[2]。混合通風對房間整體環境進行控制，室內空氣品質較差，能耗較大；置換通風則容易造成“頭暖腳寒”等熱不舒適感；個性化通風在施工安裝時有一定的困難[3]。香港城市大學的林章[4]提出了新的通風方式即層狀通風，將風口布置在側墻略高于人體呼吸區的位置，克服了傳統通風方式的不足，送風溫度大于20 ℃，達到節能的目的[5]。

輻射采暖始源于1907年,Arthur H. Barker將在地板底下埋入熱水管道,形成最初的地板輻射供暖系統[6]。隨著輻射供暖應用的擴大，人們開始嘗試采用輻射供冷。平頂輻射供冷系統具有衛生、舒適、節能等優點受到建筑行業的重視。輻射供冷系統的供水溫度一般為8 ℃～12 ℃，在滿足同等熱舒適度時，采用平頂輻射空調供冷系統室內溫度可比常用空調系統提高1 ℃～3 ℃[6]，因此輻射供冷系統具有較高的節能性。

本文在此基礎上提出一種層狀通風—平頂耦合輻射空調系統，降低了夏季輻射板表面結露的可能性，提高空調系統的制冷能力。并且采用數值模擬的方法對耦合空調系統的室內溫度場、速度場進行研究分析。

1 空調負荷理論及輻射板面積計算

以贛州市某辦公室為例進行輻射空調系統理論計算，其建筑尺寸為5 m×4 m×3 m。查閱手冊[7]，贛州市氣象數據如表1所示。夏季室內設計溫度取26 ℃，采用ACS9.0進行空調負荷計算，計算結果如表1所示。

表1 空調負荷計算結果

根據文獻[7]，輻射空調系統只能除去室內的顯熱負荷，無法去除室內的潛熱負荷。因此所述輻射空調系統采用熱濕獨立處理的方式，圍護結構負荷、設備負荷、燈光負荷由輻射空調系統處理，其他由送風系統處理。由表1可知，夏季毛細管網需要承擔的負荷為1 064 W。

毛細管網換熱量應當滿足室內的冷、熱負荷要求，毛細管傳熱量可按下式[8]計算：

q=qf+qd,

qf=5×10-8[(tpj+273)4-(tfj+273)4]。

墻面供暖或供冷時：

qd=2.31∣tpj-tn∣0.31(tpj-tn)。

其中，q為毛細管網單位面積傳熱量，W/m2；qf為毛細管網單位面積輻射傳熱量，W/m2；qd為毛細管網單位面積對流傳熱量，W/m2；tpj為輻射面平均溫度，℃；tfj為室內非加熱面的面積加權平均溫度，℃；tn為室內空氣溫度。

代入數據可得q=-75.21 W/m2，夏季所需毛細管網輻射面積約為14.15 m2，初步設計在頂棚內設置兩塊輻射板且每塊輻射板面積設定為7 m2，平頂輻射總面積為14 m2。選擇型號為KS15的毛細管產品[9]，產品相關技術參數為集水管尺寸：20 mm×2 mm；毛細管尺寸：3.35 m×0.5 m；毛細管間距:15 mm;毛細管席長度：600 mm～6 000 mm;毛細管寬度:150 mm～1 250 mm。每塊輻射板均選用長度為3 500 mm寬度為500 mm的毛細管席4個并聯供冷。

2 數值模擬模型

如圖1所示，數值模擬模型為典型辦公室，模型原點在室內中心點。室內人數為2人，呈坐立姿態。室內熱源還包括2臺電腦，單個電腦的散熱量取110 W，并且有2個照明燈，其單個燈管散熱量取40 W。兩個輻射板和回風口均設置于天花板，輻射板表面溫度取20 ℃。送風口設置于兩側墻且送風口中心距地面為1.2 m，送風速度取0.5 m/s，溫度為24 ℃。各個朝向的建筑圍護結構向室內傳熱量均按前文計算結果設置。湍流模型選用k-epsilon(2eqn)中的RNG模型，輻射模型則選用DO模型，迭代2 000余次達到收斂。

3 數值模擬結果分析

由圖2可知室內大部分區域溫度范圍為25 ℃～27 ℃，靠近送風口的溫度約為25 ℃，滿足輻射制冷工況下的室內溫度設計要求，達到節能的目的。從垂直方向來看，室內出現熱力分層，但是溫差小于1 ℃，熱力分層不明顯，不會造成人體的熱不舒適。

觀察圖3可知，室內人員之間的過道溫度較低，室內人員兩側溫度較高，這是因為室內設備(電腦)和人體會產生一部分熱量，周圍溫度場較高，但是兩者溫差約為1 ℃，人體并不能明顯感覺其溫度差異性，滿足熱舒適性要求。采用層狀通風—平頂耦合輻射空調系統時，足部周圍溫度大于人體呼吸區溫度，兩者溫差約為0.6 ℃，小于相關規范要求的3 ℃，具有良好的熱舒適性。

結合圖2及圖4,圖5來看，兩側的層狀送風口在送出新風后，新風風速不斷下降進入室內1.5 m后速度小于0.3 m/s，且周圍溫度在25 ℃，新風達到人員所在區域和房間中心處風速小于0.1 m/s，不會給室內人員帶來冷風感。回風口設置在房間中心處上方，當在z>1.3 m時，回風口周圍的風速大于0.3 m/s，室內人員活動高度則是在z<0.5 m(距地面小于2 m)，因此得出，采用層狀通風在人員活動區域不會造成明顯的吹風感，又能為室內提供充足的新風。

4 結語

提出一種新型的層狀通風—平頂耦合輻射空調系統，以層狀通風的形式往室內送入相比于傳統空調溫度較高的新風，在保證熱舒適的前提下實現節約能源損耗，又可以減少輻射板表面局部結露現象的發生。以辦公室為例進行制冷工況設計，采用CFD軟件進行數值模擬分析室內溫度場及速度場分布可以得出以下結論：

1)采用層狀通風—平頂耦合輻射空調系統可以滿足夏季制冷工況要求，室內溫度范圍26 ℃～27 ℃，保證室內人員良好的熱舒適性。

2)層狀送風條件下，與距地1.5 m～2.7 m的空間范圍相比，平頂輻射板周圍及人員活動區域溫度較低，有效的將空調控制區域控制在合理區域內，利于實現建筑能耗的降低。

3)人體活動區域頭部的空氣溫度低，足部周圍溫度高，兩者溫差約為0.6 ℃，既符合人體頭涼腳暖的熱舒適性要求，又滿足相關規范要求，有效提高了室內的熱舒適性。

4)室內送風可及性好，能夠保證室內人員呼吸區的空氣品質，又不會引起明顯的吹風感。

[1] Awbi HB. Ventilation of buildings [M]. 2nd Ed. New York: Taylor&Francis,2003.

[2] 劉澤勤，劉 哲.數值模擬層狀通風對室內熱環境的影響[J].河北工業大學學報，2017,46(1):94-97.

[3] 李建興,于燕玲,涂光備,等.空調系統送風方式對熱舒適性的影響[A].全國暖通空調制冷2004年學術年會資料摘要集(2)[C].2004:77-80.

[4] 林 章.層式通風—高溫空調下的出路[J].化工學報,2008,59(S2):235-241.

[5] 張 浩．自然通風與機械通風的博弈[M]．天津：天津大學出版社，2010.

[6] 馬玉奇，劉學來.輻射頂板空調系統研究與發展綜述[J].山東建筑大學學報，2008,23(5):449-455.

[7] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M]．北京：中國建筑工業出版社，2008．

[8] JGJ 142—2012，輻射供暖供冷技術規程[S].

[9] 陳 焜，宣永梅.上海某會議室毛細管輻射空調系統設計[J].潔凈與空調技術，2014(4)：77-80.

Numericalsimulationofradiantairconditioningsystem-basedstratumventilation

XuYanZhangXinlinJiangDahua

(SchoolofArchitecturalandSurveying&MappingEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China)

The temperature field and velocity field of radiant air conditioning system of an typical office are simulated and analyzed by CFD. The results show that the temperature varies scarcely between head and feet. It guarantees the indoor air quality, and will not cause obvious blowing feeling.

stratum ventilation, radiant air conditioning system, numerical simulation, thermal comfort

TU831.4

A

1009-6825(2017)27-0101-02

2017-07-15

許 艷(1991- )，女，在讀碩士