壁面辐射供冷加独立新风空调的数值模拟研究

赵建会　张燕燕　张金明　王登山（西安科技大学　西安　710054）



壁面辐射供冷加独立新风空调的数值模拟研究

赵建会张燕燕张金明王登山
（西安科技大学西安710054）

【摘要】为提倡厉行节约，办公用房趋向小型化、简约化。对此类简约的小型单人单间办公室采用竖直壁面辐射供冷加独立新风的复合空调系统，将新风直接送至人员工作区。使用CFD软件fluent对其复合空调系统下的温度场、速度场进行数值模拟。经过模拟分析，竖直壁面辐射供冷加独立新风的复合空调系统能够提供良好的空调环境。

【关键词】竖直壁面；辐射供冷；独立新风系统；数值模拟

作者（通讯作者）简介：赵建会（1964-），男，副教授，硕士生导师，E-mail：zhaojh@xust.edu.cn

0　引言

为贯彻艰苦奋斗、勤俭节约、反对奢侈浪费的方针，对于党政机关办公用房的建设，国家多次制定了《党政机关办公用房建设标准》，现行标准《党政机关办公用房建设标准》（发改投资[2014]2674号）规定了办公用房夏季制冷温度不应低于26℃，并且还规定了各级工作人员的办公室使用面积。参照其规定的单人办公室面积大多在20平米左右。同样，大多非机关独立办公用房亦是此等规模。于是对于简约的此类单人办公室，采用分体式空调影响建筑美观且有室外机坠落的安全隐患；采用传统对流换热空调系统（如风机盘管）无法达到舒适的气流分布要求。故可尝试采用新型空调系统——竖直壁面辐射供冷加独立新风的复合空调系统。现利用CFD对简约化的小型单人办公室采用竖直壁面辐射供冷加独立新风的复合空调系统进行数值模拟研究。

1　模型

根据实际情况，将位于西安且窗户朝南的单间单人办公室做一些合理简化，建立房间几何模型见图1。房间尺寸5m×4m×3m（Y×X×Z）；窗户2000mm×1700mm，窗台居中距地板900mm；门900mm×2100mm，距边墙200mm；2张书架900mm×450mm×2000mm（W×D×H）；1张办公桌1600×800×750mm（L×W×H）；2把椅子550×500×450mm（W×D×H，靠背高900）；1台计算机400×400×400mm；根据Toshiyuki Miyanaga的简化人体模型[1]，继续简化易于建模如图2。

图1　办公室三维模型Fig.1 Office 3D mode

图2　人体简化模型Fig.2 Simplified model of human body

2　控制方程

空气调节是以创造符合人员需求的舒适空气环境为目标，这一空气环境的热舒适是基于人体的热平衡[2]。在办公室内，人体与外界的热交换形式主要以混合对流和辐射为主。辐射空调室内的空气流动与传热属于湍流流动复合换热，采用的不可压缩流体控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍流方程[3]。对于具有混合对流特征的房间，湍流方程较好的选择就是RNG k-ε模型[4]。控制方程通用形式为：

式中：ρ为密度，φ为通用变量，U为速度矢量，Г为广义扩散系数，S为广义源项。

考虑到辐射传热，采用适用性普遍的离散坐标辐射（DO）模型[5]，辐射热是作为能量源项加入到能量方程的，辐射方程为：

式中：r为位置向量，s为方向向量，s'为散射方向，S为沿程长度，a为吸收系数，n为折射系数，σs为散射系数，σ为史蒂芬玻尔兹曼常数，I为辐射强度，T为当地温度，Φ为相位函数，Ω为空间立体角。

3　数值模拟设定

3.1模拟的简化和假设

在竖直壁面辐射复合空调室内的气流可以视为不可压缩黏性湍流流动[6]，但为更好的符合实际，采用Boussinesq模型考虑浮升力的影响。在辐射供冷的办公室，Boussinesq模型基准温度T0=26℃，基准密度。

模拟对象为西安市简化的三面内墙一面外墙的单间单人办公室，根据文献[7,8]，负荷计算可得白天13:00时刻房间冷负荷最大（不含新风）见表1。

表1　 13:00时刻下房间冷负荷分配（W）Table 1 13:00 Cooling load distribution(W)

3.2边界条件

（1）外墙：根据负荷计算折合成稳定面热源q=4.3W/m2。

（2）窗户：根据计算的南外窗冷负荷折合成稳定的面热源q=49.35W/m2。

（3）门、内墙、顶板和地板：绝热边界。

（4）辐射壁面：除去书架和门所占据的墙面以及外墙，合理简化模型，3块矩形辐射壁面如图1所示。表面温度为22℃，根据文献[8]，一般物体的低温长波辐射的发射率较高，故设定所有面的内部发射率ε=1。

（5）热源：室内热源有1名办公人员、1台计算机。根据计算的冷负荷将它们都折算成稳定的面热源来计算。计算机：q=162W/m2；人员：q=92.5W/m2。

（6）风口：房间采取把新风直接送到工作区。送风口（100mm×150mm）设置在办公区域的上方。送风口为velocity inlet，0.6m/s，22℃；回风口（尺寸同送风口）为outflow。

4　模拟结果与分析

4.1室内气流分布

图3　 X=3.2处速度矢量图Fig.3 X=3.2 velocity vector distribution

图4　 Y=3.65处速度矢量图Fig.4 Y=3.65 velocity vector distribution

空气流动是直接影响人健康呼吸的因素，在单人单间办公室，采用竖直大平壁供冷，故送风只含独立新风，且新风量较小，新风需要直接送至人体呼吸区域而避免被稀释。本文采取送风口布置在办公桌与人体之间的上方，所以截取X=3.2，Y=3.65处的速度矢量场。从图3、4中可知工作区的新风下送有一个参混的过程，且在水平方向有气流场漂移的现象，这是因为有热源产生的浮升气流影响，同时也有桌、椅和计算机等摆放对气流的限制。由图3、4还可知送风是流向人体的，即新风是流向人体呼吸区域，则可满足人员对新风的需要。

我国《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012规定：舒适型空调室内风速不应大于0.3m/s。本文意图直接将新风送至人体工作区，故采取较低模拟送风速度0.6m/s，通过模拟可得人员在高度1.8m的活动区域内的风速在0.3m/s以内，满足要求。采用多大送风速度，需对气流走向以及不会引起吹风感等进行综合考虑。

4.2温度场

将新风直接送至工作区供人呼吸，故分别以人体和送风口为中心截取X=3.2，X=3.275，Y=3.65，Y=4.2675所在截面，从图5、6、7和8的温度分布图可得工作区域内，总体而言空气温度在24至25℃，室内温度满足空调供冷性要求。在送风区域有着明显的气流参混，且在竖直方向有温度分层现象。空气温度场的分布主要受到热源和送风气流的影响。

图5　 X=3.2处温度分布图Fig.5 X=3.2 temperature distribution

图6　 X=3.275处温度分布图Fig.6 X=3.275 temperature distribution

图7　 Y=3.65处温度分布图Fig.7 Y=3.65 temperature distribution

图8　 Y=4.2675处温度分布图Fig.8 Y=4.2675 temperature distribution

4.3垂直温度梯度

垂直温度梯度就是竖直方向空气温度的变化。房间采用竖直大平面辐射供冷，同时亦有竖直方向的对流换热，室内空气密度采用Boussinesq假设，故在竖直方向，温度场应该有分层现象。从图5、6、7和8，都可以印证分层现象存在。

图9　 Z=0.1处截面温度分布Fig.9 Z=0.1 temperature distribution

关于垂直温度梯度的要求，在舒适范围内，按照ISO7730标准，在工作区的地面上方0.1m至1.1m之间的温差不应大于3℃；而ASHRAE相关标准建议，竖直方向0.1m至1.8m之间的温差不应大于3℃。可知满足ASHRAE标准，则一定满足ISO7730标准。图9和图10是竖直方向0.1m和1.8m处的水平截面温度场分布图，可以明显看出大部分区域的垂直温差在2℃以内，从而可以得到良好的舒适性。

图10　 Z=1.8处截面温度分布Fig.10 Z=1.8 temperature distribution

5　结论

对西安比较具体且符合实际布置的简化办公室，不考虑湿负荷，采用fluent的三维数值模拟，分析了速度场和温度场，得出此简化办公室采取壁面辐射供冷加独立新风复合空调的一些结论。

（1）采取竖直壁面辐射供冷，相对于水平辐射供冷面，其与人体的直接辐射换热面面积更大。

（2）采取独立新风直接送至工作区，此新风利于流向人体以供健康呼吸。因办公室竖直方向的墙壁面面积大于地板面，当然也大于天花板面积，故竖直可供安装的辐射供冷的面积大，则新风可根据情况适当承担或者不承担冷负荷。这样就可以使得工作区的因新风带来的冷干扰减小。

（3）热源和家具的分布对室内气流组织的影响很大，故对于某个人、某个具体的办公室，都要做具体的分析，才能得到较优的气流组织。

（4）在小型的简约单人单间办公室，采用竖直壁面辐射供冷加独立新风复合空调，可以获得较为舒适的办公环境。

参考文献：

[1] Toshiyuki Miyanaga. Simplified human body model for evaluating thermal radiant environment in a radiant cooled space[J]. Building and Environment, 2001,36: 801-808.

[2]朱颖心.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.

[3]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社, 2001.

[4] ChenQ. Comparison of Different k-ε models for indoor airflow computations[J]. Numerical Heat Transfer, 1995, 28(3):353-369.

[5]郭磊.对FLUENT辐射模型的数值计算与分析[J].制冷与空调,2014,28(3):358-360.

[6]熊帅,汤广发,严继光,等.冷却顶板与独立新风相结合系统的CFD研究[J].建筑热能通风空调,2007,26(1): 40-43.

[7]王子介.低温辐射供暖与辐射供冷[M].北京:机械工业出版社,2004.

[8]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

The Numerical Simulation Research of the Vertical Wall Radiant Cooling
Air Conditioning System with in Dependent Fresh Air

Zhao Jianhui Zhang Yanyan Zhang Jinming Wang Dengshan
( Xi'an university of science and technology, Xi'an, 710054 )

【Abstract】To advocate saving, office space tends to miniaturization, simplification. For such small simple single office, the vertical wall radiant cooling air conditioning system with independent fresh air is used, fresh air is directly sent to the staff zone. The CFD software FLUENT is used to simulate the temperature field and velocity field of the compound air conditioning system. Through the simulation analysis, the vertical wall radiant cooling air conditioning system with independent fresh air could provide good air conditioning environment.

【Keywords】the vertical Wall; radiant cooling; independent fresh air system; numerical simulation

中图分类号TU831.6

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-095-04

收稿日期：2015-03-09