輻射供暖方式室內(nèi)熱環(huán)境模擬

黃小君

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輻射供暖方式室內(nèi)熱環(huán)境模擬

黃小君

（中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司 成都 610041）

以輻射供暖房間為例，通過使用CFD軟件Airpak數(shù)值模擬的方法，建立三種不同方式的輻射供暖空調(diào)系統(tǒng)模型，對(duì)三種輻射供暖空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況下的室內(nèi)空氣速度場(chǎng)，溫度場(chǎng)情況進(jìn)行模擬分析對(duì)比。結(jié)果表明三種情況下室內(nèi)空氣速度均能達(dá)到熱舒適要求，其中當(dāng)輻射板布置在地板時(shí)，得到更均勻的室內(nèi)空氣溫度場(chǎng)。

輻射供暖；空氣溫度場(chǎng)；空氣速度場(chǎng)；計(jì)算流體力學(xué)

0 引言

隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谑覂?nèi)的時(shí)間不斷增加，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求也越來越高，這使得學(xué)者們很重視對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的研究。輻射空調(diào)末端無論是在節(jié)能方面還是在保證室內(nèi)空氣質(zhì)量方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)舒適與節(jié)能的空調(diào)新技術(shù)，具有一定的發(fā)展?jié)摿1,2]。

在輻射供暖方面，劉艷峰[3]等通過建立供暖房間內(nèi)空氣對(duì)流二維空氣湍流流動(dòng)與傳熱數(shù)學(xué)模型，利用PHOENICS3.3計(jì)算軟件對(duì)低溫輻射供暖房間和散熱器供暖房間的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果反映出低溫地板輻射供暖房間的室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)于散熱器供暖房間。劉成林等[4]根據(jù)室內(nèi)空氣和圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的熱平衡，建立描述采暖房間室內(nèi)傳熱過程的熱網(wǎng)模型，對(duì)采暖空間熱環(huán)境動(dòng)態(tài)分析和采暖系統(tǒng)能耗分析評(píng)價(jià)，得出低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)的性能和能耗指標(biāo)隨相關(guān)參數(shù)變化規(guī)律。楊進(jìn) 等[5]利用Fluent軟件，以計(jì)算流體力學(xué)和傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，建立了四種不同的供暖方式（頂棚輻射供暖、地板輻射供暖、散熱器供暖、空調(diào)供暖）的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用SIMPLE方法對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明散熱器供暖和輻射供暖各有特點(diǎn)，輻射供暖在熱舒適性顯示了其優(yōu)勢(shì)，而空調(diào)供暖是一種不宜采用的供暖方式。王麗麗[6]等對(duì)地板輻射采暖方式和散熱器采暖方式、風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)采暖方式分別進(jìn)行了對(duì)比研究，研究結(jié)果表明地板輻射采暖比其他兩種方式節(jié)能，通過模擬發(fā)現(xiàn)，頂板輻射采暖和供冷共用一套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)夏季供冷、冬季供暖的要求。高艷娜[7]等對(duì)成都地區(qū)一戶式空氣源熱泵毛細(xì)管地板輻射采暖系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得了間歇運(yùn)行模式下毛細(xì)管地板輻射采暖運(yùn)行特性、規(guī)律以及室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)，并以所測(cè)參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)毛細(xì)管輻射采暖的熱舒適性從一般熱舒適性指標(biāo)和局部熱舒適性指標(biāo)兩方面進(jìn)行分析。

本文將對(duì)地板式、墻面式以及頂板式三種輻射板供暖布置形式進(jìn)行研究，采用CFD軟件Airpak對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)三種布置方式下的室內(nèi)空氣溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行比較，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

圖1 模擬房間幾何模型

1 模擬房間幾何模型

進(jìn)行模擬計(jì)算的空調(diào)房間實(shí)驗(yàn)房間位于湖南省長(zhǎng)沙市，如圖1所示；房間大小為4.3m×3.4m×3.1m，南墻為外墻，其余均為內(nèi)墻，且相鄰房間均為空調(diào)房間。北墻上開有尺寸為0.9m×2.1m的內(nèi)門，北墻上開尺寸為1.5m×2.1m的外窗。房間中心有一大小為0.15m×0.9m×0.3m的內(nèi)熱源代表室內(nèi)人體散熱。

2 模擬計(jì)算條件

為了簡(jiǎn)化模型和計(jì)算，本文需在以下條件下進(jìn)行模擬：

（1）室內(nèi)空氣流態(tài)設(shè)定為穩(wěn)態(tài)湍流；

（2）室內(nèi)空氣為不可壓縮氣體且Boussinesq假設(shè)需考慮重力作用；

（3）由于相鄰房間均為空調(diào)房間，內(nèi)墻的傳熱量與室內(nèi)熱負(fù)荷相比可以忽略，所以模擬時(shí)將內(nèi)墻和內(nèi)門均設(shè)定為絕熱條件；

（4）由于內(nèi)熱源表示室內(nèi)活動(dòng)的人，故采用固定表面溫度方法；

（5）其余邊界條件見表1。

表1 模擬邊界條件

3 模擬數(shù)學(xué)模型

采用CFD軟件AIRPAK進(jìn)行模擬計(jì)算，把能量方程、連續(xù)性方程、動(dòng)量方程寫成式（1）所示的通用控制方程形式[8]：

4 模擬結(jié)果分析

根據(jù)上文中的模擬計(jì)算條件和邊界條件，對(duì)三種不同的輻射板布置供暖形式模型進(jìn)行模擬分析。取房間內(nèi)穿過內(nèi)熱源的中心豎直界面=1.65m和房間距地面高0.6m處（=0.6m）水平截面作為分析面，分別模擬三種情況下空氣溫度和室內(nèi)風(fēng)速的水平分布和豎直分布情況，比較其熱環(huán)境。三種不同情況下=1.65m截面上的溫度分布如圖2所示。

圖2 輻射墻面?zhèn)劝骞┡ㄉ希⑤椛漤敯骞┡ㄖ校⑤椛涞匕骞┡ㄏ拢┣闆r下，Z=1.65m截面處室內(nèi)空氣溫度分布圖

在豎直方向上，三種情況下均出現(xiàn)溫度分布分層現(xiàn)象，其中頂板供暖較為明顯，側(cè)板供暖次之，地板供暖分布較為均勻。這是由于熱空氣密度較低的緣由，在頂板供暖時(shí)熱空氣向上沉積，導(dǎo)致較大的溫度分層。但三種情況下房間中心處空氣垂直溫差在0.4℃左右，在民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9]中的規(guī)定，在人體活動(dòng)區(qū)域，豎向溫度差在3K左右滿足熱舒適要求。

三種不同情況下=1.65m截面上的室內(nèi)風(fēng)速分布如圖3所示。

圖3 輻射墻面?zhèn)劝骞┡ㄉ希⑤椛漤敯骞┡ㄖ校⑤椛涞匕骞┡ㄏ拢┣闆r下，Z=1.65m截面處室內(nèi)風(fēng)速分布圖

從圖中可以看出，由室內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱羽流和由于靠近外圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分空氣溫度相對(duì)較低與周圍空氣產(chǎn)生密度差導(dǎo)致的流動(dòng)是室內(nèi)的主導(dǎo)氣流。室內(nèi)大部分區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速小于0.2m/s，滿足民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9]的規(guī)定，不會(huì)使人感覺到吹風(fēng)感，只有在內(nèi)熱源上方小部分區(qū)域內(nèi)由于熱羽流左右產(chǎn)生漩渦，漩渦中心分?jǐn)?shù)超過0.2m/s。在房間下部，熱源與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面之間區(qū)域由于周圍空氣溫度差相對(duì)較大，導(dǎo)致風(fēng)速相對(duì)較大。

三種不同情況下=0.6m截面上的室內(nèi)空氣溫度分布如圖4所示。

圖4 輻射墻面?zhèn)劝骞┡ㄉ希⑤椛漤敯骞┡ㄖ校⑤椛涞匕骞┡ㄏ拢┣闆r下，Y=0.6m截面處室內(nèi)溫度分布圖

從圖中看出在水平方向上，頂板供暖方式條件下的溫度場(chǎng)分布較為不均勻，側(cè)板供暖和地板供暖相對(duì)較為均勻。在頂板輻射供暖的靠近外圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分區(qū)域和在側(cè)板供暖情況下一側(cè)側(cè)板附近區(qū)域內(nèi)溫度偏低。但在室內(nèi)主要活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，三種情況下水平方向上的室內(nèi)空氣溫度差均在1K左右，滿足民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9]的規(guī)定，基于滿足熱舒適的要求。

三種不同情況下=0.6m截面上的室內(nèi)風(fēng)速分布如圖5所示。

圖5 輻射墻面?zhèn)劝骞┡ㄉ希⑤椛漤敯骞┡ㄖ校⑤椛涞匕骞┡ㄏ拢┣闆r下，Y=0.6m截面處室內(nèi)風(fēng)速分布圖

從圖中可以看出，在水平方向上，三種情況下大部分區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速均在0.1m/s以下，滿足民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9]的規(guī)定，不會(huì)使人感覺到吹風(fēng)感。只有在熱源附近由于熱羽流和靠近外圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分空氣溫度相對(duì)較低與周圍空氣產(chǎn)生密度差導(dǎo)致的風(fēng)速偏大。其中在地板輻射供暖條件下，由于靠近供熱源，水平風(fēng)速分布左右對(duì)稱性較好，較為均勻。

5 結(jié)論

綜合本文上述模擬分析結(jié)果可以得到，在三種不同輻射供暖布置方式下，室內(nèi)空氣溫度的垂直和水平溫差較小均能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)大部分區(qū)域內(nèi)空氣風(fēng)速在0.2m/s以下達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由此可以反映出輻射供暖在室內(nèi)熱環(huán)境上的優(yōu)勢(shì)。

其中頂板輻射供暖由于熱空氣密度較低的緣由，熱空氣向上沉積，導(dǎo)致出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象較為明顯，是三種布置方式中溫度分布情況較差的一種。地板輻射供暖條件下，整個(gè)房間內(nèi)溫度分布和風(fēng)速分布較為均勻，人體舒適性最高，是最佳的布置方式。

[1] 劉劍.輻射空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].建筑節(jié)能與綠色建筑,2016,14(23):82-83.

[2] 魏稷,吳薇蘭.工業(yè)廢熱在地面輻射供暖中的利用[J].制冷與空調(diào),2014,(6):654-657.

[3] 劉艷峰.采用散熱器和低溫地板輻射供暖的室內(nèi)熱環(huán)境與能耗研究[J].能源技術(shù),2004,25(1):27-30.

[4] 劉成林.低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)的節(jié)能性分析及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2003.

[5] 楊進(jìn).輻射采暖熱舒適研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2006.

[6] 王麗麗.輻射板供冷供暖的模擬研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2008.

[7] 高艷娜,全柏銘.成都地區(qū)毛細(xì)管采暖系統(tǒng)運(yùn)行特性與熱舒適性分析[J].制冷與空調(diào),2014,28(2):107-111.

[8] 王獻(xiàn)孚,熊鰲魁.高等流體力學(xué)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2003.

[9] GB/T 50785-2012,民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

Numerical Simulation of Radiation Heating Mode Indoor Thermal Environment

Huang Xiaojun

( China Southwest Architectural Design and Research Institute Co., Ltd, Chengdu, 610041 )

Based on the radiation heating room, by using the method of numerical simulation CFD software Airpak, set up three different radiant heating and air conditioning system models, in three kinds of radiation heating and air conditioning system running situation, compared the simulation analysis of indoor air velocity field, air temperature field. The results showed that the indoor air speed can meet the thermal comfort requirement in three conditions, and the radiant panel is arranged on the floor can obtained a more uniform indoor air temperature field.

Radiation heating; Air velocity field; Air temperature field; Computational fluid dynamics

1671-6612（2018）01-078-04

TU832.1

A

黃小君（1988.11-），男，碩士，助理工程師，E-mail：xiaojunhuang1988@sina.com

2017-08-03