辐射与对流一体化空调末端供暖舒适性研究

袁旭东，张秀平，吴俊峰，贾磊，宋有强，程立权

（1-合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2-合肥通用环境控制技术有限责任公司，安徽合肥 230088）

0 引言

目前空调末端工作模式主要分为对流方式和辐射方式，其中，对流方式主要以风机盘管、变风量末端、室内空调机送风等形式为代表[1-2]；辐射方式主要以换热管（盘管）贴附在金属板或其他材料上以形成辐射地板、顶板、墙面等形式为代表[3-5]。

对流方式的优点是热负荷处理能力强、室内温度响应速度快，但是舒适性较差；辐射方式的优点是舒适性高、稳定性好[6-9]，但是受辐射板的材料寿命等限制，供暖时辐射面温度不宜过高，因此具有响应速度慢、启动时间过长、热负荷处理能力弱等缺点。

为弥补各自缺点，充分发挥对流、辐射两种方式的优势互补，目前以风机盘管与辐射地板、顶板或墙面的组合方式进行供暖（冷）成为主要研究方向[10-14]，然而风机盘管与辐射地板（顶板）的组合结构较为复杂，易造成整体结构庞大、施工与检修难度大、设备占用空间多等缺点，若形成辐射与对流统一整体的一体化末端形式，将有利于解决上述问题。

本文根据一种辐射与对流一体化空调末端的设计方法，对一体化末端的位置、数量、运行参数进行供暖动态仿真与理论分析，通过研究室内达到舒适性温度的所需时间、室内温度和风速的分布情况，总结一体化末端对室内热环境的影响规律，为一体化末端的研究建立理论基础与参考。

1 辐射与对流一体化空调末端简介

图1显示的是一种辐射与对流一体化空调末端的结构示意图，其将辐射与对流两种方式形成整体统一的末端形式，其中，辐射板、换热器均可以通过流入换热介质（如热水）来实现辐射和对流换热；为实现对流方式供暖，通过风机形成空气流动，空气从回风口流入，经换热器加热后从送风口送出。

图1 辐射与对流一体化空调末端结构示意图

2 CFD动态仿真建模

2.1 几何建模

结合一体化空调末端（以下简称末端）和室内空间建立供暖动态仿真模型，选择某一建筑房间尺寸（长度9 m×宽度6 m×高度3.3 m）进行几何建模，有窗户的墙为外墙，其它为内墙，供暖房间如图 2所示，末端简化成长方体形，8个末端各向尺寸相同且贴墙安装，在宽度X=3 m截面两侧分别对称安放4个末端，其占用人体活动空间小，并对每个末端进行编号（1#～8#），编号在图3中所示，通过控制不同编号末端的启动工作与否，以研究末端的位置、数量对室内热环境的影响，不同的启动模式在表1中所示。

图2 用于供暖仿真的房间几何模型

图3 用于供暖仿真房间的俯视图

表1 不同编号末端的启动模式（启动为“√”，不启动为“X”）

2.2 仿真建模

室内空气视为不可压缩流体，针对室内空气湍流流动，采用标准k-ε（Turbulence Kinetic Energy-dissipation Rate）方程并结合连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程进行三维动态仿真，选择压力的隐式算子分割（Pressure Implicit Split Operator，PISO）算法，离散格式选用二阶迎风格式，辐射换热采用离散坐标（Discrete Ordinates，DO）辐射模型，壁面函数选择增强壁面函数法，对室内空间进行结构网格划分，在气流变化剧烈的送风口和回风口附近的网格进行局部加密。

2.3 边界条件

若末端启动工作，其送风口采用速度入口边界条件，送风方向与送风口垂直，回风口采用自由出流边界条件，辐射面和窗户在模拟中设为第一类边界条件（即温度恒定），末端机壳、不启动工作的末端送风口、回风口与辐射面均假设为绝热壁面，基于楼层结构，其它围护结构的边界条件设定为第三类（如表2所示）。依据国家标准GB 50736-2012[15]附录A，选取上海地区的供暖室外计算温度（-0.3 ℃）作为室外温度，取内墙、顶板和地板外侧温度比室外温度高5 ℃，窗户温度为-0.3 ℃。

表2 供暖仿真模型第三类边界条件设定

3 末端供暖动态特性分析

3.1 室内达到舒适性温度的所需时间

图4显示的是在房间对角方向 4个末端启动（启动模式2）和送风风速0.5 m/s的情况下，人体坐姿头部高度（1.1 m）平面[16]的平均温度随时间的动态变化图。图 4表明，当末端开始启动工作时，室内温度迅速上升，随着时间的推移，室内温度上升速度越来越小并逐步趋于稳定，当末端运行参数不同时，供暖能力不同，会造成室内的温度上升速度和达到稳定后温度值的不同。

图4 人体坐姿头部高度平面的平均温度动态变化图（送风温度Ta、辐射面温度Tf）

GB 50736-2012[15]规定了供暖室内热环境至少要满足Ⅱ级舒适度：风速不大于0.2 m/s，且温度为18 ℃～22 ℃。图5显示的是在房间对角方向4个末端启动和送风风速 0.5 m/s的情况下，不同送风温度、辐射面温度对人体坐姿头部高度平面的平均温度达到 18 ℃的所需时间（以下简称所需时间）的影响。当辐射面温度不变、送风温度增加时，所需时间降低明显且降低幅度逐渐变小；当送风温度不变、辐射面温度增加时，所需时间降低很小，因此，所需时间受送风温度影响更大，且随着送风温度的增加，所需时间受送风温度的影响逐步减小。

图5 送风温度和辐射面温度对达到舒适性温度所需时间的影响

3.2 启动模式对室内热环境的影响研究

在送风风速0.5 m/s、送风温度24 ℃、辐射面温度24 ℃不变的情况下，针对不同的启动模式，分析室内热环境在第25分钟时刻的均匀度与舒适性。

3.2.1 温度分布

图6(a)和图6(b)分别显示长度方向中间截面在房间对角方向2、4个末端启动（启动模式1、2）下的温度分布图。在房间对角方向2个末端启动运行时，长度方向中间截面仍有大部分区域温度未达到 18 ℃，室内中心区域的温度梯度低于 2 ℃/m，温度分布均匀度较好。在房间对角方向4个末端启动运行时，长度方向中间截面大部分区域温度都超过 18 ℃，室内中心区域的温度梯度低于 1 ℃/m，相对于房间对角方向2个末端启动情况，其室内温度分布更加均匀，因此，在相同的送风风速、送风温度和辐射面温度的情况下，当合理增加末端数量时，不仅有利于提高室内温度，也能够更好地改善室内温度均匀度，提高舒适性。

3.2.2 风速分布

图7(a)～图 7(c)分别显示宽度方向中间截面在房间对角方向启动4个、6个和8个末端（启动模式2、模式3和模式4）工况下的风速分布图。

在房间对角方向4个末端启动的情况下，宽度方向中间截面在人体活动区域（高度小于 2 m）的大部分风速小于0.1 m/s，满足舒适性标准[15]的风速要求，因此人体无吹风感。

在房间对角方向6个末端启动的情况下，在宽度方向中间截面的中心位置出现了风速超过0.2 m/s的区域，而在房间对角方向8个末端启动（即末端全部启动）的情况下，宽度方向中间截面的大部分区域风速都大于0.2 m/s。

图6 长度方向中间截面的温度分布图

图7 宽度方向中间截面的风速分布图

由上可知，当靠墙面单独一侧的末端送风时，室内人体活动区域的风速易维持在很小范围，而当处于对称位置的两侧末端同时送风时，易造成室内风速过大，导致达不到舒适性标准的风速要求，造成强烈的吹风感。

4 结论

本文对辐射与对流一体化空调末端及室内热环境进行 CFD供暖动态仿真，分析了室内达到舒适性温度（18 ℃）的所需时间和室内热环境的分布情况，得到以下结论：

1）所需时间受辐射面温度的影响较小而受送风温度的影响更大，随着送风温度的增加，所需时间受送风温度的影响逐步减小；

2）一体化空调末端能够使室内实现较好的舒适性和温度均匀度，当合理增加末端数量时，一方面有利于提高室内温度，另一方面可以更好地改善室内温度均匀性；

3）靠墙面单独一侧的末端送风时，室内风速易处于很小范围，而处于对称位置的两侧末端同时送风时，易造成室内风速过大，造成强烈的吹风感。

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