辐射供冷方式室内舒适性数值模拟

康丽艳，张智文，张启林

（上海海事大学，上海201306）

辐射供冷方式室内舒适性数值模拟

康丽艳，张智文，张启林

（上海海事大学，上海201306）

辐射供冷系统中辐射板的布置位置对人体舒适性有较大的影响。本文以辐射板-置换通风空调房间为例，采用计算流体力学 （CFD）软件，运用两方程湍流模型进行模拟，比较6种组合方式下的室内热湿环境。研究结果表明，辐射板布置在顶板或者墙面与置换通风组合的供冷方式均能满足人体舒适度要求，地板辐射供冷与置换通风结合供冷方式舒适性较差，单独顶面辐射+置换通风这一组合方式是6种组合方式中最舒适的方式。

辐射供冷；置换通风；温度分布；速度分布

0 引言

随着社会经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，人们对室内热湿环境的要求也越来越高，并且大量数据表明，人们在室内的时间不断增加，使得暖通空调系统提供良好的室内热湿环境变得很重要。辐射板-置换通风系统在提高室内品质和提高热舒适性方面具有一定的优势，从而得到业界人士的关注。但是辐射供冷系统的结露问题限制了冷辐射技术在我国的推广应用［1］，研究人员［2］主要针对辐射板布置在顶板的方式进行研究，对地板以及墙面辐射板供冷的研究很少。本文将对地板式、墙面式以及顶板式的情况进行研究，采用FLUENT软件对该系统进行数值模拟，对6种组合方式下的热湿环境进行比较，为工程设计提供依据。

1 模拟房间几何模型

某建筑位于上海地区，进行模拟计算的空调房间，四面为内墙，见图1；房间大小为5000mm× 4000mm×3600mm，两个回风口在后墙的上部，左右对称布置，风口上边距顶棚100mm，回风口的大小为1000mm×1000mm。两个送风口在前墙的下部，风口大小为1000mm×1000mm，左右对称布置，内热源包括人体散热和照明散热。

2 模拟计算条件

（1）房间内的气体流态为稳态湍流；

（2）房间内空气为不可压缩气体，符合Boussinesq假设考虑重力作用；

（3）墙体：由于内墙的传热量很小，与室内的热负荷相比可以忽略，故模拟时不考内墙的传热；所有壁面绝热；

（4）内热源采用固定热流密度的方法；

（5）其他边界条件见表1。

图1 模拟房间几何模型

表1 边界条件的设置

3 数学模型

室内空气的控制方程［3］

式中各通量的意义见表2，每一行对应一个方程。其中t是时间，ρ是密度，μ是速度矢量。

表2 各符号的意义

在表2中，μeff=μ1+u1，μ1为层流粘滞系数；

各常数分别为C1=1.44，C2=1.92，CD= 0.09，σk=1.0，σε=1.3；μj代表三个不同的坐标下的速度分量，i=1，2，3即动量方程为三个方程。

4 模拟结果分析

根据所设定的边界条件及计算参数，对不同组合方式下的复合供冷模型进行模拟分析。取房间内竖直截面x=2.5m和水平截面z=1m作为分析面，通过分析6种组合下的竖直温度分布、速度分布和水平下的温度分布、速度分布情况，比较其舒适性，找出最佳组合方式。

图2 顶面辐射板+置换通风组合的温度速度分布图

通过模拟计算，6种不同组合情况下x= 2.5m截面处的温度、速度分布情况如图2～图7所示。

对模拟结果进行分析，可以得到：

（1）顶面辐射板+置换通风组合 （见图2），在竖直方向上，温度分布上没有明显的分层现象，除了局部区域有影响，室内温度分布都很均匀。在该组合下竖向温度梯度和横向温度梯度都小于1K，在BSEN ISO 7730 1995［4］中规定，在人体活动区域，竖向温度梯度在3K左右，横向温度梯度在1K左右，基于满足舒适度要求。从速度分布图上，可以看出室内主导气流是热源产生的热羽流，热源附近的空气流速较大，但速度在0.2m/s左右，其余部分的区域的气流速度都在0.1m/s以下，同时由于送风温度高，因此不会使人体有吹风感。

（2）地面辐射板+置换通风组合 （见图3）在竖直方向上，温度分布上有明显的分层现象，竖直方向上有较大的温度梯度，靠近地板处的温度最低，呈倒温度梯度分布，该组合在人体活动区域竖向温度梯度小于3K，横向温度梯度小于1K，基本满足舒适度要求。但是由于地板温度过低，给人以“头暖脚凉”的不舒适感。并且结露风险也比较大。从速度分布图上，可以看出室内主导气流是热源产生的热羽流，热源附近的空气流速较大，速度高于0.25m/s，其余部分的区域的气流速度都在0.1m/s以下，送风温度高，因此不会使人体有吹风感。

（3）左侧墙辐射板+置换通风组合 （见图4）在竖直方向上，温度分布上有明显的分层现象，室内温度分布相对于地面辐射板较均匀。在该组合下竖向温度梯度和横向温度梯度都小于1K，基本满足舒适度要求。从速度分布图上，可以看出室内主导气流是热源产生的热羽流，热源附近的空气流速较大，速度在0.25m/s左右，其余部分的区域的气流速度都在0.1m/s以下，送风温度高，因此不会使人体有吹风感。

图3 地面辐射板+置换通风组合的温度速度分布图

图4 左侧墙辐射板+置换通风组合的温度速度分布图

图5 左侧墙面辐射板+顶面辐射板+置换通风组合的温度速度分布图

图6 左侧墙面辐射板+地面辐射板+置换通风组合的温度速度分布图

图7 左侧墙面辐射板+右侧墙面辐射板+置换通风组合的温度速度分布图

（4）将其两两组合后，分析室内的温度分布和速度分布，可以发现，采用左侧墙辐射板+顶面辐射板+置换通风组合 （见图5）的房间无论竖直还是水平方向上温度分布没有明显的分层现象。但是它在热源整个右侧区域的速度分布超过了0.2m/s。没有单独顶部辐射+置换通风组合和单独墙面辐射+置换通风组合舒适度高。采用左侧墙辐射板+地面辐射板+置换通风组合 （见图6）的房间与单独地面辐射+置换通风组合一样存在下冷上热的温度分布，在竖直方向上的温度梯度不符合人体舒适度要求，并且地板温度较低，相对湿度较大，存在地板结露风险。而对于左侧墙辐射板+右侧墙辐射板+置换通风组合 （见图7）这种组合的热源附近人体活动区域内速度大于0.25m/s，不满足人体舒适度要求。

5 结论

综合前面的分析结果可以得到，在6种不同组合下，采用单独顶板辐射+置换通风这一组供冷方式时，房间竖直方向上没有出现温度分层现象，整个房间的温度分布和速度分布非常均匀，人体舒适性最高，是最佳的组合方式。

［1］苏夺，陆琼文.辐射空调方式及其发展方向 ［J］.制冷空调与电力机械，2003，（5）：26-30

［2］马景骏，孙丽颖.冷却吊顶系统的热舒适性分析［J］.哈尔滨工程大学学报，2001，22（5）：27-30

［3］陶文铨.数值传热学 ［M］.第二版.西安：西安交通大学出版社，2005

［4］BSEN ISO 7730.Modeate thermal environments-determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort［S］

Numerical Simulation of Radiation Cooling M ode Indoor Com fort

KANG Liyan，ZHANG Zhiwen，ZHANG Qilin
（ShanghaiMaritime University，Shanghai201306）

Radiant panel layout position have a greater impact on human com fort radiant cooling system.In this paper，Examples to the use of radiant panel and displacement ventilation systems，air-conditioned room，using computational fluid dynamics（CFD）software，and two-equation turbulence model to simulate，Comparison of six kinds of combinations of indoor thermal environment.The results show，Radiant panels arranged in a roof orwall displacement ventilation and coolingmode combinations can meet the requirements for human comfort.Radiant floor cooling combined with displacement ventilation is poor com fort coolingmode.Roof radiation and displacement ventilation system in this combination are six combinations of themost com fortable way.

Radiant cooling；Displacement ventilation；Temperature distribution；Velocity distribution

TU831［文献标示码］A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.012

ISSN1005-9180（2015）03-065-00

2015-3-14；

2015-4-5

康丽艳（1993-），女，硕士研究生。研究方向：辐射板和置换通风复合空调的应用研究。E-mail：18201793080@163.com