孫旭杰

摘 要：采用數(shù)值仿真的方法，分析了地板輻射供冷的傳熱機(jī)理，模擬了地板輻射供冷的室內(nèi)的溫度及流場分布。研究表明：采用輻射供冷加置換通風(fēng)的形式完全可以滿足冷負(fù)荷、舒適性要求。

關(guān)鍵詞：輻射供冷;置換通風(fēng);CFD;熱環(huán)境

作為一種全新的空氣調(diào)節(jié)理念，輻射供冷供暖突破了傳統(tǒng)的以對流為主要形式的空調(diào)方式，加大了人體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的輻射換熱。隨著人民生活水平的提高，冬季供暖、夏季空調(diào)已被越來越多的人接受。將低溫輻射供暖地源熱泵系統(tǒng)用于夏季供冷，可用一套系統(tǒng)兼顧冬、夏兩季室內(nèi)環(huán)境要求，節(jié)約投資。輻射供冷最早起源于北歐，在夏季相對濕度低的地區(qū)應(yīng)用較多。研究者對地板輻射供冷的可行性等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。地板輻射供暖的研究比較成熟，地板輻射供冷的有些問題尚待進(jìn)一步研究。

低溫冷水輻射供冷系統(tǒng)的換熱主要是由輻射和對流這兩種形式完成的，其中最主要的是輻射傳熱。其傳熱過程大致可以分為三步：第一步，地板盤管管內(nèi)的冷水與管壁進(jìn)行換熱;第二步，供冷地板層內(nèi)的換熱，即管壁通過填充層、結(jié)合層、找平層、表面裝飾層與地板表面進(jìn)行換熱;第三步，以整個(gè)地板表面為輻射面，與室內(nèi)空氣、室內(nèi)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面、人體進(jìn)行換熱。此外，人體在與地板表面進(jìn)行換熱的同時(shí)，也參與和室內(nèi)其他表面，如墻面、天棚等的換熱過程。

建筑內(nèi)空氣流動(dòng)和盤管內(nèi)水流動(dòng)是紊流流動(dòng)，采用紊流 k -ε雙方程模型分析房間氣流流動(dòng)以及盤管內(nèi)水流動(dòng)。采用離散DTRM輻射模型分析冷輻射地板對室內(nèi)環(huán)境的影響。

一、物理模型

模擬對象為某公司的辦公室，如圖1所示，房間尺寸5.16m×3.65m×3m。室內(nèi)熱源包括2臺(tái)計(jì)算機(jī)、2名工作人員和4個(gè)燈管。為了簡化模型，減少網(wǎng)格數(shù)，將計(jì)算機(jī)簡化為0.4 m×0.4m×0.4m的正方體，將人簡化為0.4 m×0.4m×0.4m的立方體。置換送風(fēng)口布置在一端墻下部，大小為0.8m×0.5m，燈管布置在房間的上部，排風(fēng)口設(shè)于頂板的中部。

為了簡化計(jì)算，做下列簡化：

（一）滿足Boussinesq假設(shè)，認(rèn)為：流體密度的變化并不顯著地改變流體的性質(zhì)，僅考慮密度的變化對浮升力的影響。

（二）室內(nèi)的氣流屬于常溫常壓及低速下的流動(dòng)可以視為不可壓縮流動(dòng)，忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱。

（三）不考慮漏風(fēng)，認(rèn)為模擬房間氣密性良好。

（四）不考慮人體的濕負(fù)荷，相對濕度在很大范圍內(nèi)（30%～70%）對人體舒適性影響很小。

（五）假定地板內(nèi)盤管的供回水溫度不變，地板表面的溫度均勻恒定。

二、模型網(wǎng)格的劃分

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對室內(nèi)空氣的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格布置完畢后，整個(gè)模型的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為150538個(gè)。

三、邊界條件

Mc INTYRE（1980）作過測試：讓被實(shí)驗(yàn)者在23℃環(huán)境溫度下待一個(gè)小時(shí)，使距地面30cm處溫度小于17℃，風(fēng)速為0.2m/s，結(jié)果證明，腳和小腿對空氣溫度的敏感程度要超過對空氣流速的敏感程度。根據(jù)大量的實(shí)測研究，對于歐洲人而言，地板溫度低于18℃時(shí)，多數(shù)被測試者不滿意。加上結(jié)露的限制，冷地板的表面溫度一般控制在≥19℃。所以，本文將室內(nèi)地板的輻射溫度設(shè)為20℃。

兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的發(fā)熱量分別為108W和173W，人體發(fā)熱量為75W/人，燈管的發(fā)熱量為34W/個(gè)。外墻的散熱量為135W，外窗的散熱量為519W，門的散熱量為44W。

四、結(jié)果分析

（一）溫度場分布

由圖2和圖3可以看出，在高度y=0.1m和y=1.1m的平面上的溫度在297K～300K之間，溫差小于3℃，符合ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)要求，在0.1 m與1.1 m之間的溫差不能超過3K，此時(shí)人體的舒適性可以得到保證。

由圖4和圖5可以看出，室內(nèi)空氣分層明顯。置換通風(fēng)的特點(diǎn)之一就是在房間內(nèi)產(chǎn)生豎向的溫度梯度，由模擬結(jié)果可知，地板供冷并沒有使溫度梯度增大。

（二）速度場分析

通過以上的模擬結(jié)果可看出，室內(nèi)氣流基本沒有產(chǎn)生漩渦，新風(fēng)送入室內(nèi)后，首先向地面平鋪開來，以類似層流狀態(tài)緩慢向上移動(dòng)，貼附地面層的新鮮空氣湖置換上部污濁空氣;從z=0.75m處截圖可看出，下部單向流動(dòng)區(qū)存在明顯垂直溫度梯度，而上部紊流混合區(qū)溫度場則比較均勻。人員工作區(qū)域的風(fēng)速在0.16m/s范圍，符合規(guī)定風(fēng)速小于0.25m/s的要求。使人體在房間內(nèi)不會(huì)有吹風(fēng)感，滿足工作區(qū)人員舒適性要求。

五、結(jié)束語

（一）普遍觀點(diǎn)認(rèn)為地面供冷在技術(shù)上是不合理的，其主要理由有二：一是不符合冷氣流向下流動(dòng)因而比頂板輻射供冷量小;二是腳冷，影響舒適感。通過上文的分析可知，地板供冷和置換通風(fēng)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，并未使溫度梯度增大，在控制好地面溫度，設(shè)置合理的送風(fēng)參數(shù)的情況下，這種技術(shù)完全是可行的。

（二）置換通風(fēng)作為一種新型的通風(fēng)方式 ，具有通風(fēng)效率高、空氣品質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，與地板輻射供冷技術(shù)相結(jié)合，既可大大降低地板結(jié)露的可能性，提高地板供冷能力，又可充分發(fā)揮它們舒適、健康、節(jié)能的優(yōu)勢。

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