应用辐射供暖的列车车厢气流组织研究

赵明明，孙丽颖，贺 征，郭昊霖

(哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院，哈尔滨 150001)

辐射板供暖具有节能性和舒适性的特点逐渐得到了广泛的关注[1]，而如今在国内辐射板供暖还只是应用在建筑室内，在列车等交通工具上的模拟研究则相对较少.Wang G等人运用模拟软件对软卧车厢进行了数值模拟，验证了标准k-ε模型可以应用于卧铺车厢数值模拟[2].张登春研究了空调列车软卧包厢内的气流组织，给出了孔板送风时的最佳参数为送风温度18 ℃，送风速度1.0 m/s[3].张剑对卧铺的孔板送风进行了相关试验和模拟，优化了孔板孔口面积并对送风均匀性进行了模拟研究[4].DO辐射模型已经被证明可以很好的模拟辐射板的问题[5].本文以某列车卧铺车厢为研究对象，分析冬季工况下联合应用辐射板供暖和空调送风系统对车厢内热环境的影响，进而给出辐射板和送风参数的应用形式，以期为辐射供暖与空调送风系统联合应用于列车提供参考.

1 数值模拟理论

本文采用标准k-ε模型和DO辐射模型对列车车厢气流进行模拟.控制方程如下[6]：

(1)

当φ为1时，上式为连续性方程，φ为u,v,w时，上式为动量方程，φ为T时，上式为能量方程，φ为C时，C为体积分数，上式为传质方程.

2 试验结果与数值模拟结果的对比与分析

2.1 试验研究

试验主要是在人工环境试验室测试辐射板与空调送风联合应用时的室内温度分布，试验时将辐射板放置在卧铺靠墙处，如图1所示.

图1 辐射板实物图

试验时的室外气温为-25 ℃，温度为试验实时测定，且此时天气温度恒定，有利于试验的进行，此温度将作为之后模拟的边界条件.试验所用测试仪器包括二氧化碳记录仪(TPJ-26P)、安捷伦数据采集仪，温度测定采用pt100探头.根据实验室面积和室内空气质量标准中采样布点的要求[7]，房间平面对角线三等分，其中两个等分点为检测位置，由于风口处于房间中心，因此在风口下方也放置一束测点，因此试验时在室内一共选择了三束测点，每束共有5个测点，高度分别为0.1、0.6、1.1、1.7、2.2 m，测点高度分别对应人体脚部、膝盖、腰部、呼吸区以及头部上方这五个人体较为敏感的区域.测点的空间位置坐标如图2所示.

1—灯；2—回风口；3—门；4—桌子；5—卧铺；6—电脑主机；7—辐射板；8—桌子；9—键盘；10—电脑屏幕；11—人；12—束1；13—束2；14—束3

2.2 数值模拟的试验验证

根据试验的实际情况，运用CFD软件进行模拟，将试验数据与模拟数据进行比较[8].模拟过程中如果按照孔板的实际尺寸建模会导致模型网格数量过大，因此选取了传统模型，5 cm孔板模型和基本模型分别进行模拟[9].传统模型简化后的风口为实际外形尺寸;基本模型简化后的风口面积与原风口有效面积相等；5 cm孔板模型简化后风口的面积为孔板模型，孔板小孔尺寸为5 cm，送风速度均采用风量除以有效面积.对比结果如图3、4所示.

图3 温度场模拟值与试验值对比

图4 二氧化碳体积分数模拟值与试验值对比

由图3、4可知：采用CFD模拟的结果与实测结果存在一定误差，但是温度变化趋势基本一致.从CO2体积分数分布、温度分布的单值误差和整体趋势上可知，传统模型要比其他两个模型更接近试验值.实测数据和模拟结果的对比可以表明，标准k-ε模型可以模拟室内空气的流动情况，在卧铺车厢模拟中，可以使用传统模型作为孔板送风的简化模型.

3 模拟计算

3.1 物理模型

卧铺包厢的物理模型如图5所示，其尺寸为：长2 m，宽1.99 m，高2.53m.舱室的送风口采用孔板风口，尺寸为350 mm×400 mm；包厢门的回风口采用百叶风口，尺寸为300 mm×130 mm.辐射板设置在下铺床板下方[10].

1—回风口；2—送风口；3—窗；4—床板；5—门；6—人；7—桌子

3.2 边界条件

室外设计温度-25 ℃，与试验时室外温度一致；按照采暖室内温度标准，室内设计温度为20 ℃.室内其余热源主要包括人员和照明，单人热负荷为130 W，日光灯散热量取80W.室内南墙、天花板、地板的传热系数为1.16 W/(m2·℃)，其余墙面为绝热表面，外窗传热系数为2.23 W/(m2·℃)[11].

送风不承担热负荷，孔板送风温度采用18、20、22 ℃三个工况.每个送风温度对应40、60、80、100 m3/(h·人)四种送风量，因此共有12种计算工况.辐射板表面温度Tb采用24、28、32 ℃三种工况[8]，每个辐射温度下对应12种工况，因此共有36个计算工况.

4 计算结果与分析

4.1 温度场分析

作用温度是平均辐射温度与室内空气温度综合作用的参数[12].选取房间典型截面y=1.3处的yz平面(孔板中心平面)和z=1.0处的xy平面(房间中间截面)进行分析，室内温度分布情况如图6所示.平均作用温度如图7所示，各辐射温度下的平均作用温度分布如图8～10所示.

图6 室内典型截面温度分布图

图7 平均作用温度分布图

图8 Tb为24 ℃时平均作用温度分布图

图9 Tb为28 ℃时平均作用温度分布图

图10 Tb为32 ℃时平均作用温度分布图

从图6中可以看出，沿着垂直方向形成了温度梯度.而在车厢的中间卧铺区域，温度差异不超过2 ℃.

从图7中可以看出，辐射板表面温度对车厢内温度影响非常明显，并且送风气流加大了车厢内气流的扰动，加强了对流传热，可以更好的去除热负荷.从图7中可以看出，不同辐射温度下的人员附近区域作用温度范围为20～25 ℃，人员附近的温度都在舒适范围内.

从图8～10中可以看出，人员附近的温度分布范围为17.5～23.8 ℃.人员附近的温度随着送风量的增加而逐渐降低.在辐射采暖系统中，室内的设计温度可比常用的散热器和空调系统低1～2 ℃，也能满足人员的热舒适要求[8]，因此结合人体舒适温度范围，可以得出，在辐射温度为24 ℃时，送风温度可以选择20 ℃，送风量为60～80 m3/(h·人)；在辐射温度为28 ℃时，送风温度可以选择22 ℃，送风量为100 m3/(h·人)；在辐射温度为32 ℃时，送风温度可以选择18 ℃，送风量为60～80 m3/(h·人).

4.2 气流分布性能指标的比较

PMV评价指标将人体的舒适指标量化为一种回归公式, 并提出了评价室内舒适性的具体指标.影响因素有空气温度，空调送风风速以及人体的新陈代谢率与穿衣热阻等[13].计算时选取的人员的新陈代谢率为M=1.0 met，人员衣着热阻为1.91 clo[14].室内PMV分布情况，包括人员身体附近区域PMV如图11～14所示.

图11 室内典型截面PMV分布图

图12 Tb为24 ℃时人员附近平均PMV值

图13 Tb为28 ℃时人员附近平均PMV值

图14 Tb为32 ℃时人员附近平均PMV值

从图11中可以看出，辐射供暖的热感觉较温暖，但车厢内部的上铺PMV则相对较低，PMV范围在0.55～0.96附近，大部分区域的PMV值在0.96左右，符合人体舒适区域.

从图12～14中可以看出，人员附近PMV受送风温度影响较大，送风温度为22 ℃时PMV值都大于0.3，但PMV同时也受风量的影响，风量加大时PMV的变化也较大，最大变化范围为0.35～0.95，所有工况的PMV值都符合人体舒适性范围.

4.3 污染物排除有效性对比分析

以二氧化碳为空调通风系统中主要的污染物体积分数指标，对比分析不同工况下的污染物体积分数变化[15].图15为某工况下室内典型截面CO2体积分数分布图.送风温度和送风量不变时，人员呼吸区平均污染物体积分数如表4所示.

图15 室内典型截面CO2体积分数分布图

表1 人员呼吸区平均污染物体积分数(%)

从图15中可知，孔板送风能有效的减少人员周围的二氧化碳体积分数，人周围环境的污染物体积分数都符合室内环境要求，CO2体积分数均在0.335%～0.372%之间，污染物体积分数相对较高的区域出现在人员附近，下铺区域污染物相对较高.从表4可以看出，影响污染物分布的主要因素是送风量，污染物体积分数随送风量的增大而减小，当送风温度为22 ℃时，CO2体积分数变化在0.314% ～0.349%之间，同一种送风量的污染物体积分数分布则相差不大，可知孔板送风方式可以满足车厢室内环境的要求.

4.4 能量有效利用系数对比分析

不同辐射温度下的平均能量利用系数(ηt)如图16～18所示.

图16 Tb为24 ℃时ηt分布图

图17 Tb为28 ℃时ηt分布图

图18 Tb为32 ℃时ηt分布图

从图16～18中可知，平均能量利用系数(ηt)主要受送风量的影响，送风量为80 m3/(h·人)时平均能量利用系数最高，数值都在0.65以上.辐射温度为次要影响因素，多数方案的系数值在0.5以上.当辐射板表面温度为28 ℃，送风量为80 m3/(h·人)时的评价能量利用系数可达到0.95.

4.5 工况分析与最佳范围选择

在通过软件模拟了辐射板供暖加孔板送风联合运行的36种工况，并通过对室内作用温度、PMV、排污效率等参数的对比得出了满足设计要求及人体舒适度的最佳工况组合，如表2所示，分别为：当辐射板辐射温度为24 ℃时，推荐的孔板送风温度为20 ℃，送风量为80～100 m3/(h·人).或孔板送风温度为22度.送风量为100 m3/(h·人)；当辐射板辐射温度为28 ℃时，推荐的孔板送风温度为18 ℃，送风量为100 m3/(h·人)，或孔板送风温度20 ℃，送风量为60～80 m3/(h·人)；当辐射板辐射温度为32 ℃时，推荐的孔板送风温度为18 ℃，送风量为60～80 m3/(h·人).

表2 复合系统中适宜的工况

5 结 语

1)由实测数据和模拟结果的对比表明，在卧铺车厢气流分布模拟过程中，可以使用传统模型作为孔板送风的简化模型.

2)辐射供暖时的人体热感觉较温暖，车厢上铺的PMV相对低于下铺，在辐射板表面温度为24～32 ℃、送风温度为18～22 ℃、送风量为40～100 m3/(h·人)时，各工况的PMV值都符合人体舒适性范围.

3)在采用辐射供暖与空调通风的卧铺车厢内，车厢内污染物体积分数主要受送风量的影响，辐射温度起次要作用.当送风量为40～100 m3/(h·人)时，人体周围的污染物体积分数都符合室内环境要求；

4)在采用辐射供暖与空调通风的卧铺车厢内，系统的能量利用系数主要受送风参数的影响，辐射温度起次要作用，采用不同送风量时，能量利用系数均随着送风温度的降低而升高，对于本文的计算工况，当送风量为80 m3/(h·人)时的能量利用系数最高.

5)通过各个指标的综合对比，得出了此联合系统的最佳运行工况组合：当辐射板表面温度为24 ℃时，推荐的孔板送风温度为20 ℃，送风量为80～100 m3/(h·人).或孔板送风温度为22 ℃时，送风量为100 m3/(h·人)；当辐射板表面温度为28 ℃时，推荐的孔板送风温度为18 ℃，送风量为100 m3/(h·人)，或孔板送风温度为20 ℃，送风量为60～80 m3/(h·人)；当辐射板表面温度为32 ℃时，推荐的孔板送风温度为18 ℃，送风量为60～80 m3/(h·人).