貼附射流變新風運行模式下冷輻射板結露特性研究

周璇玉 ，丁云飛 ，2，鄧 燕

（1.廣州大學 土木工程學院，廣州 510006；2.廣州大學 廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室，廣州 510006）

0 引言

近年來，隨著公眾對建筑環境舒適性的關注以及節能意識的增強，人們在積極尋找一種舒適、健康、環保、節能的空調方式［1-2］。采用冷吊頂供冷方式提高了輻射換熱比例，降低了對流換熱作用，室內風速小，大大提高了人體舒適性。但由于輻射冷吊頂表面溫度低于室內空氣的露點溫度時，會在表面出現結露現象，從而要求輻射板的表面溫度要高于室內空氣的露點溫度，這又限制了輻射板的供冷能力［3］。目前獨立新風+輻射冷吊頂的新型空調系統被逐漸應用到實際工程中［4-6］，新風承擔全部潛熱負荷和部分顯熱負荷，通過貼附射流方式，經深度除濕處理的干燥新風貼附在冷吊頂板的表面，使室內工作區的空氣與冷輻射板分隔，形成空氣保護層，從而避免冷輻射板表面結露［7］，并且可提高輻射板的供冷量，工程應用中往往采用恒定新風量。在冷輻射空調中，新風不僅要滿足室內衛生條件要求，還要保證冷板表面不結露，因此含濕量低（約 8.5～9 g/kg（da）），其焓值也遠低于常規空調新風焓值（室內焓值），導致新風處理能耗高。在諸如辦公室、商場等冷輻射空調系統中，室內濕源主要是人員散濕，在運行過程中，當室內人員發生變化時，新風量也應該進行相應的調節，一方面可以節約新風能耗，另一方面也有利于更大地發揮輻射板的供冷能力。

本文通過CFD模擬結合試驗驗證流場的正確性，對冷輻射頂板結合新風誘導送風貼附射流供冷［8-9］時的結露特性進行研究，分析室內人員變化時，改變新風量條件下新風貼附射流長度與貼附層內空氣露點溫度變化特性，探討冷輻射空調中，對新風量進行動態調節，在滿足衛生要求和不結露的同時，實現系統的運行節能。

1 試驗裝置

冷輻射頂板測試房間的尺寸為長×寬×高=5.2 m×4.6 m×2.7 m，在房間頂部安裝3個呈條形布置的誘導型新風口，結構如圖1所示，誘導比達到1：3。在室內放置外表面涂白的鋼制圓筒作為熱源，試驗時冷輻射頂板溫度為17.8 ℃，新風送風溫度為13.8 ℃，將室內溫度和相對濕度分別控制在26 ℃和60%。

圖1 誘導型新風口結構Fig.1 Structure diagram of induced fresh air inlet

測試斷面位于中間誘導型新風口處，測點分布如圖2所示。測試前，對QDF-3型的熱球式風速儀（測試范圍0.05～30 m/s，基本誤差≤5%FS）進行了調零校準。測試過程重復3次，對測得的風速值取平均值。

圖2 測試斷面測點分布Fig.2 Distribution of test points on test section

2 CFD模擬計算

對試驗房間進行建立物理模型，模擬房間內部熱源包括人員散熱、計算機及打印機等設備散熱，總冷負荷2 841 W。將人體簡化為直徑30 cm、高度1.2 m的圓柱體［13］，其他的室內熱源簡化成0.5 m×0.5 m×0.5 m的正方形。根據實際情況對風口噴嘴直徑以及回風口進行適當的簡化［14］，劃分非結構網格，并進行網格加密處理。通過模擬房間流場以及含濕量分布，研究貼附射流變新風運行模式下冷輻射板結露特性。

2.1 數學模型

采用瞬態仿真模擬室內空氣湍流運動。在求解過程中，壓力速度耦合采用的是SIMPLE算法，應用二階迎風格式求解控制方程，結合連續性方程、能量守恒方程、可實現k-ε方程對空氣的流動進行三維模擬。輻射換熱模型采用DO模型［10］，壁面函數使用增強壁面函數法［11］，散濕模擬采用組分輸運方程［12］，流體組分為空氣和水蒸氣，組分的水蒸氣位于空氣的上方位置。

2.2 邊界條件和初始條件

室內冷負荷由新風和冷輻射頂板共同承擔，并充分發揮冷輻射頂板的供冷能力。

（1）室內設計干球溫度為26 ℃，相對濕度為60%；

（2）室內濕源設置為質量流量進口，成年男子在輕微勞動下的散濕量109 g/h［15］；

（3）新風干球溫度13.8℃，含濕量8.8g/kg，新風風量180 m3/h；

（4）冷輻射頂板設置成定溫邊界，溫度設定為 17.8 ℃；

（5）四周壁面設置為絕熱邊界；

（6）采用門縫自然出流的邊界條件。

冷輻射頂板下方1 cm厚度的貼附層露點溫度決定了冷板表面是否會結露［16］，通過分析該露點溫度的變化，可以獲得冷輻射頂板表面的露點溫度分布情況。空氣露點溫度的經驗公式如下：

式中 tL——露點溫度，℃；

pq——濕空氣的水蒸氣分壓力，Pa。

3 結果分析與討論

設定空調房間6人，人均新風量為30 m3/h的情況下，模擬冷輻射板下1cm處貼附層露點溫度隨時間的變化，在空調運行期間，分析當在室人數降為設計值的50%（3人）時，新風量變化（降至80%，60%，40%，20%）的情況下，冷輻射板表面貼附層露點溫度隨時間的變化，以及變新風量時貼附射流長度變化對冷輻射板結露的影響。

3.1 模型驗證

在設計人數條件下（6人），新風量為100%時貼附層的流場分布如圖3所示。從圖3可以看出，新風經過安裝在隔板上的噴嘴高速噴出，在誘導風口內部形成局部負壓，由此誘導室內的二次風由風口下方的中央孔板吸入。新風沿著兩邊的條形風口水平吹出，迅速貼頂板流動，形成貼附效應。且通過試驗對貼附層表面的流速進行驗證，保證了模擬流場的正確性。

圖3 測試截面位置的模擬流線分布Fig.3 Simulation streamline distribution diagram of test section position

圖4示出測試截面位置貼附層（頂板下1 cm）模擬與實測風速對比圖，從圖中可以看出，模擬與實測結果相比，最大偏差0.07 m/s，模型能反映誘導型新風口+輻射板系統實際運行性能。

圖4 測試截面位置貼附層（頂板下1 cm）模擬與實測風速對比Fig.4 Comparison of attached layer（1 cm below the ceiling）simulation and measured wind speed at test section position

3.2 設計人數時變新風量對貼附層露點溫度的影響

3.2.1 典型位置貼附層空氣露點溫度變化趨勢

隨著氣流貼附長度減少，貼附層各點露點溫度升高的速率加快，當貼附層某一點露點溫度升高至輻射板的表面溫度時，輻射板將出現結露現象。通過分析冷輻射頂板對應的貼附空氣層最大露點溫度規律，可以得到輻射板開始結露的具體位置。由于室內流場的對稱性，選擇了流場中的3個典型位置（如圖5所示）進行比較，點1為氣流貼附效應最弱的區域（距內墻0.5 m處）的中心點，點2為濕源正上方的位置，點3為回風口區域的中心點。

圖5 貼附層表面不同的測點Fig.5 Measuring points of different surface of the attached layer

圖6示出所分析的貼附層不同點處的露點溫度變化曲線，由圖可以看出，在標準工況下（6人，新風量180 m3/h），貼附層中的3個點的露點溫度均逐漸上升，在60 min左右達成最大值，但均小于輻射板的表面溫度（17.8 ℃），冷輻射頂板不會結露，且在系統運行的80 min內，這3點的露點溫度升幅均在1 ℃以內，其中射流沿風口吹出，在點1處氣流貼附效果最差，當新風量為100%時，此處的空氣流速為0，人體產生的濕量上升至頂板，干燥的新風沒有把這部分濕量完全帶走，因此該區域的含濕量較高，露點溫度由一開始16.1 ℃上升至16.7 ℃，點2位于濕源正上方，此時該處的風速約為0.35 m/s，濕量被新風帶走，因此該處的露點溫度為16.1 ℃上升至16.4 ℃，點3位于回風口區域的中心，干燥的新風將室內的濕量帶走，一部分通過門縫排出，一部分被室內誘導回風，因此回風口處的含濕量高于室內各處。點3的露點溫度由16.1 ℃上升至16.9 ℃，高于貼附層其他位置，為貼附層空氣最大露點溫度。

圖6 貼附層不同點處的露點溫度變化Fig.6 Dew point temperature change at different measuring points of the attached layer

從圖7可以看出，各個測點通過數值模擬得出的露點溫度與試驗測得的露點溫度對時間的變化基本保持一致，在試驗過程中，房間的密閉性良好，但由于季節原因，室外的低濕空氣會隨著房間原有的風口滲透進入試驗室，導致了試驗測得的數據比模擬數據略低一些，因此試驗值和模擬只之間存在著一定的偏差是合理的。在系統運行的階段中，送風含濕量在一定微小的范圍內波動，沒有達到絕對的穩定，因此導致了各測點的露點溫度有浮動的趨勢。統計各測點的相對誤差最大的模擬值與試驗值，見表1。

圖7 貼附層各測點處的露點溫度對比Fig.7 Comparison of the dew point temperature at measuring points of the attached layer

表1 露點溫度最大相對誤差Tab.1 Maximum relative error of dew point temperature

通過表1中的數據可以看出，各測點的試驗值和模擬值之間存在著一定的誤差，但最大的相對誤差在5%以內，因此可以判定所建模型的正確性。

3.2.2 變新風量時貼附層空氣露點溫度變化特性

在設計人數條件（6人）下，當改變新風量，系統運行15 min時貼附層露點溫度分布如圖8所示。從圖中可以看出，在15 min時，貼附空氣層的露點溫度隨著新風量的減少，上升的速率明顯加快。當新風量為180 m3/h時，氣流貼附效果明顯，此時貼附空氣層的最大露點溫度出現在回風口處，該處的露點溫度為16.6 ℃；隨后調節新風量為80%，氣流貼附效果減弱，新風除濕能力下降，由圖8（b）可知，此時貼附空氣層的最大露點溫度為17 ℃；當新風量為60%，貼附空氣層的最大露點溫度為17.4 ℃，小于輻射板的表面溫度（17.8 ℃），冷輻射頂板仍不結露。但當送風量為40%和20%時，氣流速度衰減快，基本不貼附輻射板表面，整個輻射板表面都容易出現結露現象，當系統運行至15 min時，此時貼附空氣層的最大露點溫度為17.8 ℃，輻射板開始結露。因此，當風量為60%～100%時，每減少20%風量，露點溫度上升0.4 ℃左右，由于風量為20%，40%時冷輻射板表面不形成貼附層，故兩者的結露速率幾乎趨同。

圖8 系統運行15 min時貼附層露點溫度分布云圖Fig.8 Dew point temperature distribution nephogram of attached layer when the system has been running for 15 min

圖9示出貼附層空氣最大露點溫度隨新風量變化曲線。

圖9 貼附層空氣最大露點溫度隨新風量變化曲線Fig.9 Variation curve of the maximum dew point temperature of the attached layer with the fresh air volume

由圖可以看出：在系統運行的80 min內，當送入新風量為100%時，滿足了室內除濕量的條件，貼附層空氣露點溫度從16.1 ℃上升至16.9 ℃，系統運行1 h后趨于穩定的狀態，該條件下輻射板不結露；新風量為80%時，貼附層空氣最大露點溫度在逐漸上升，在系統運行至80 min時貼附層空氣露點溫度上升至17.8 ℃，此時該露點溫度等于輻射板表面溫度，輻射板有結露風險。新風量為60%時，系統運行24 min時，輻射板開始結露。當新風量為40%和20%時，系統分別運行18 min和15 min時，輻射板出現結露現象。因此當新風量降低至60%以下時，貼附層空氣最大露點溫度上升的速率明顯加快，在30 min內，輻射板會出現結露現象。

通過上述分析可知，在設計人數條件下，新風可根據室內衛生條件要求（監測CO2）使新風量在80%～100%范圍內間歇調節，即在80%風量下運行1 h，然后在100%新風量下運行，待含濕量降低后，再按80%新風量運行，避免輻射板結露的同時實現新風節能。

3.3 人員變化時變新風量對貼附層露點溫度的影響

系統在運行過程中，在室人員數會發生變化，假設室內人員減少50%（3人），改變送入新風量的大小，此時貼附層空氣露點溫度變化趨勢如圖10所示。從圖中可以看出，室內人員數量減少，室內的散濕量也同步減少，當新風量為100%（180 m3/h）、80%（144 m3/h）時，系統運行 80 min，由于送入室內的新風量遠大于室內除濕所需新風量，貼附層空氣露點溫度逐步下降至14.8 ℃和15.4 ℃后趨于穩定；當新風量為60%（108 m3/h），此時新風量剛好滿足室內所需的除濕新風量，此時貼附層空氣露點溫度維持在室內的初始階段不變；當新風量減少至40%運行80 min時，該貼附層空氣露點溫度上升至17.4 ℃，具有一定的結露風險。當風量減少至20%運行35 min時，輻射板表面出現了結露現象。

圖10 貼附層空氣露點溫度隨新風量變化的變化曲線Fig.10 Variation curve of the air dew point temperature of the attached layer with the change of fresh air volume

因此，在室人員數量減少時，可根據CO2傳感器相應降低新風量，當新風量降低至室內除濕所需新風量時，應根據貼附層露點溫度上升的速率適當調節新風量大小，避免結露。

4 結語

通過對冷輻射頂板結合誘導式新風口系統進行CFD模擬，分析室內人員變化，變新風量運行時冷輻射頂板結露特性。在設計人數條件下，當滿足室內衛生條件時，可調節新風量至80%運行1 h，隨后增加新風量至100%，當室內的露點溫度降至16.8 ℃穩定后，再調節新風量至80%交替運行。當室內人數減少50%時，可通過監控CO2濃度降低新風量，使新風量在60%條件下穩定運行，或在40%及20%條件下交替運行。在冷輻射頂板結合新風誘導送風貼附射流供冷模式下，調節新風量既可以滿足室內衛生及防結露要求，又可以加大輻射板的供冷能力，達到節能目的。