DOAS+CRCP空調系統的TRNSYS-CFD混合仿真研究

徐培璠 杜志敏 晉欣橋

上海交通大學制冷及低溫工程研究所

DOAS+CRCP空調系統的TRNSYS-CFD混合仿真研究

徐培璠 杜志敏 晉欣橋

上海交通大學制冷及低溫工程研究所

針對獨立新風結合輻射吊頂空調系統，建立了TRNSYS-CFD混合仿真平臺，在仿真中加入室內溫度分布不均的影響，使模擬結果更貼近實際。對應用于某住宅建筑的獨立新風加輻射吊頂空調系統進行模擬，結果表明，獨立新風系統的送風量對室內溫濕度有顯著影響，此種空調形式可以營造頭冷腳暖的溫度分布，符合人體舒適性需要。

TRNSYS-CFD混合仿真DOAS+CRCP空調系統氣流組織動態仿真

0　引言

獨立新風（Dedicated Outdoor Air System,DOAS）結合冷輻射吊頂（Ceiling Radiant Cooling Panel, CRCP）空調形式是非常具有發展潛力的空調系統[1]。它由獨立新風系統送風來滿足室內衛生要求，并承擔室內全部潛熱負荷和部分顯熱負荷，冷輻射吊頂承擔剩余的顯熱負荷[2]。與傳統空調相比，DOAS+CRCP空調系統具有很大的節能潛力，因為其大大減少了送風量，從而降低了輸送空氣的能量消耗，并且用水代替空氣來消除熱負荷，大大降低了輸送冷量的動力能耗。

由于DOAS+CRCP空調系統會使房間出現溫度分層現象，單單使用建筑能耗仿真軟件進行模擬會造成較大偏差。因為該類軟件在模擬時假設室內空氣混合均勻，即將整個空調房間的氣流流場看作一個空氣節點。這種單空氣節點的仿真所得到的室內環境工況、能耗等信息并不準確，也無法準確地分析室內舒適性。另一方面，雖然CFD可以對室內氣流分布、室內熱舒適性和空氣品質等進行詳細預測，得到室內空氣流速分布、溫度分布等，但其無法進行能耗分析，不能實現對空調系統在線控制的模擬。

因此，本文采用TRNSYS（建筑能耗仿真軟件）與CFD相結合的混合仿真方法，即在基于TRNSYS建立的空調系統動態仿真的基礎上，結合CFD對空調房間溫度場的模擬，通過二者的信息交換，同時分析DOAS+CRCP空調系統的運行狀況、室內熱舒適性，使模擬結果更加準確、更加具有實用性。

1　研究對象

1.1研究對象

本文所研究的對象物是位于上海的民用住宅建筑，選取其中一個代表性戶型進行仿真模擬，其布局如圖1所示，該戶型住宅總面積為85m2，高3.4m，由兩間臥室、衛生間、廚房以及客廳組成。該住宅采用地板送風，除衛生間外，每個房間各布置一塊輻射板，兩個圓形送風口。各房間輻射板面積、送風口直徑見表1。

圖1　該戶型室內房間布局3D模型

表1　各房間輻射板面積、送風口直徑

1.2獨立新風結合輻射吊頂空調系統

DOAS+CRCP系統由新風系統負責處理室內濕負荷，一般新風經過全熱交換轉輪與室內回風進行全熱交換實現能量回收，再經由冷盤管進行冷卻除濕。為避免室內產生冷吹風感，新風需再熱后再送入房間。輻射板冷水進水溫度遠遠高于新風除濕處理的冷水進水溫度，這是為了防止輻射板出現凝露，所以輻射板冷水進水溫度要高于室內露點溫度。

圖2為新風機組和輻射板獨立供水系統示意圖。當新風機組和輻射板獨立供水時，高溫制冷機組COP大大提高，可以發揮節能優勢。由于高溫機組與低溫機組獨立運行，系統的自動控制也得到了簡化。

圖2　新風機組和輻射板獨立供水系統示意圖

2　TRNSYS-CFD混合仿真平臺的建立

本文使用TRNSYS軟件建立DOAS+CRCP空調系統的各系統部件模型，而住宅的建筑模型是由CFD軟件建立的。

2.1基于TRNSYS的系統部件模型

根據圖2所示的DOAS+CRCP定風量定水量空調系統，本文在TRNSYS軟件基礎上建立了空調系統仿真器[3]，同時，利用TRNSYS軟件對整棟建筑進行負荷計算，得到每天逐時的室內負荷和墻體熱流密度等參數，連同空調系統仿真器獲得的送風溫度、送風量、輻射板表面溫度等參數，通過下述的TRNSYS-CFD之間的接口程序，送至CFD模型作為其計算的邊界條件。

本文模擬了表2所列的五種工況。在各工況下，四個房間的送風量比例、供水量比例保持不變，如表3所示。

表2　五種模擬工況

表3　各房間送風量和供水量比例

2.2基于CFD的建筑模型

如圖3所示該戶型住宅三維模型，為簡化計算，家具、人員等都簡化為長方體模型。運用GAMBIT生成網格，對送回風口、熱源等溫度梯度、速度梯度較大的地方，進行網格加密，共劃分了110867個網格。本文采用RNG k-ε湍流模型，表面輻射（S2S）模型進行計算，壓力-速度耦合的SIMPLEC算法進行方程的離散求解。其中，動量方程、能量方程、k-方程、ε-方程均采用二階迎風格式求解。計算時需要從TRNSYS得到的實時邊界條件分別為：地板送風口風速、送風溫度、輻射吊頂溫度、天花板及地板溫度、房間負荷以及太陽輻射熱等[4]。

圖3　FLUENT三維模型

2.3TRNSYS-CFD混合仿真平臺

由TRNSYS軟件建立的空調系統模型和由CFD軟件建立的建筑模型，二者所描述的對象不同，要建立整個建筑及空調系統的仿真器，必須將兩者結合起來進行仿真，即建立TRNSYS-CFD混合仿真。

在混合仿真中，TRNSYS進行每個時間步長的動態仿真模擬，然后TRNSYS輸出給CFD計算所需的邊界條件（如送風溫濕度等），CFD完成穩態計算后更新室內相關數據（如回風溫濕度等），并將這些數據再返回給TRNSYS進行下一個時間步長的仿真，實現TRNSYS和CFD的準動態結合[5]。

圖4為TRNSYS-CFD混合仿真結構圖。混合仿真中的關鍵問題在于TRNSYS軟件與CFD軟件間的數據互換。本文以TRNSYS作為混合仿真的主程序，在TRNSYS中創建一個調用CFD的子程序，即圖5中的接口程序，來實現CFD和TRNSYS之間的定時、定量的數據交換。

圖4　混合仿真結構圖

圖5　TRNSYS與CFD的接口

混合仿真開始時，TRNSYS調用接口程序，接口程序通過一個“Script”文件輸出給CFD進行初始化并啟動計算，這個“Script”文件中包含了CFD計算所需的邊界條件：房間負荷、送風溫濕度和風速、輻射板表面溫度。CFD每次計算后將計算出的“Result”文件再通過接口程序返回給TRNSYS，這個“Result”文件中包含了TRNSYS仿真所需的參數：傳感器采樣溫度和回風溫濕度，然后TRNSYS再進行下一時間步長的在線控制模擬。

本文模擬該住宅空調系統運行情況及室內氣流分布時，TRNSYS仿真時間步長為0.125小時，空調系統全天運行。由于考慮到CFD計算量較大、計算時間較長的因素，將TRNSYS與CFD數據交換的時間步長定為1小時，如圖6所示。

圖6　TRNSYS和CFD混合仿真示意圖

3　仿真試驗

3.1混合仿真的結果

基于TRNSYS-CFD混合仿真平臺建立該戶型住宅DOAS+CRCP獨立供水空調系統及CFD模型，模擬空調系統在7月某日的運行狀況及室內氣流和溫度場分布情況。各房間室內負荷不變，如表4所示，該實驗日的氣象及負荷情況如圖7、圖8所示。

表4　各房間室內負荷

圖7　室外空氣溫度及含濕量

圖8　各房間太陽輻射

分別用混合仿真和TRNSYS單獨仿真兩種方法對工況I進行模擬，模擬結果如圖9所示，其中，混合仿真的結果是室內高1.1m處溫度模擬結果，因為室內1.1m高度是人員坐著時頭部所在高度，該處的溫度變化是判斷人員是否舒適的重要依據。

圖9　工況I下TRNSYS與混合仿真模擬結果對比

從圖9的對比中可以看出，僅使用TRNSYS模擬的各房間最高溫度均高于混合仿真，在TRNSYS模擬中客廳的最高溫度接近34℃。在僅使用TRNSYS模擬中回風溫度是四個房間溫度的平均溫度，但DOAS+CRCP的空調系統主要承擔的是人員活動區域的負荷，房間內會出現溫度分層現象，因此，回風溫度不應該是四個房間的平均溫度，混合仿真中回風溫度的結果更符合實際。

圖10是采用混合仿真在工況II～V時室內高1.1m處溫度模擬結果，圖11是采用混合仿真在工況I～V時室內高1.1m處濕度模擬結果。

由圖10可以看出五種工況下，房間溫度變化趨勢一致。對比工況I～III，發現隨著送風量的增加，室內溫度有明顯的降低，這是因為DOAS系統承擔了室內部分顯熱負荷，加大送風量，DOAS系統消除的顯熱負荷增多，使得房間內溫度有了明顯降低。對比工況I、IV、V發現，改變輻射吊頂的供水量，室內1.1m處溫度變化并不明顯。

由于室內潛熱負荷全部由DOAS系統承擔，由圖11各工況下室內相對濕度變化可知，增大送風量可以降低房間內相對濕度。在這五種工況下，廚房相對濕度始終偏高，因此需進一步提高廚房的送風量，使相對濕度降低以滿足舒適性的要求。

圖10　各工況下室內溫度變化

圖11　各工況下室內相對濕度變化

3.2室內氣流分布

圖12是在工況I條件下，12:00時室內高1.1m及0.1m處水平溫度場分布情況；圖13是在工況I條件下，12:00時室內兩個垂直面溫度場分布情況。

圖12　在工況I條件下12∶00時室內兩個水平面溫度場分布

圖13　在工況I條件下12∶00時室內兩個垂直面溫度場分布

由圖12和13的室內溫度場分布情況可知，室內溫度分布并不均勻，由于太陽輻射等環境因素影響，靠近窗戶的位置溫度較高，另外，由于室內存在熱源，也造成了房間溫度分布不均。在輻射吊頂及地板送風的共同作用下，房間內有垂直溫度分層，地板及天花板附近溫度較低，但垂直溫度梯度較小。這樣的溫度分布使得人頭冷腳暖，符合人體舒適性要求。

4　結論

由于獨立新風結合輻射吊頂空調系統會造成室內溫度分層，本文建立的TRNSYS-CFD混合仿真平臺可以在模擬中加入溫度場不均勻性的影響，同步進行系統運行狀況的實時分析及室內舒適性的分析。結果表明：

1）獨立新風系統的送風量對室內溫度、濕度都有很大影響。獨立新風結合輻射吊頂的空調系統使得房間內垂直溫度梯度較小，這樣頭冷腳暖的溫度分布，符合人體舒適性要求。

2）由于該空調系統會使室內溫度分布不均，出現垂直溫度分層現象。僅使用TRNSYS軟件的單節點模擬，所得結果與實際情況相差較大，而混合仿真可以更貼近實際的運行情況。

因此，TRNSYS-CFD混合仿真平臺可以用于獨立新風結合輻射吊頂空調系統的優化控制，通過改變送風參數及輻射吊頂供水參數，將室內溫濕度控制在要求的范圍內，保證系統的安全運行，并使室內氣流分布更加均勻，滿足人員舒適性要求。

[1]Jeong J W,Mumma S A,Bahnfleth W P.Energy conservationbenefits of a dedicated outdoor air system with parallel sensible cooling by ceiling radiant panels[J].ASHRAE Transactions, 2003,109(2):627-636

[2]殷平,Mumma S A.獨立新風系統(DOAS)研究(1):綜述[J].暖通空調,2003,33(6):44-49

[3]晉欣橋,夏凊,周興禧.多區域變風量空調系統送風溫度的優化節能控制[J].上海交通大學學報,2000,34(4):507-512

[4]王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004

[5]劉巧玲.基于TRNSYS-FLUENT協同仿真的VAV空調系統多傳感器控制策略研究[D].上海:上海交通大學制冷與低溫研究所,2013

TRNSYS-CFD Coupling Simulation of DOAS+CRCP Air Conditioning System

XU Pei-fan,DU Zhi-ming,JIN Xin-qiao
Institute of Refrigeration and Cryogenies,Shanghai Jiaotong University

The coupling simulation method of TRNSYS combined with CFD software is presented.It is used to analysis the influence of the distribution of indoor airflow in DOAS+CRCP air conditioning system with the control of outdoor air flow.The results of simulation test show that the coupling simulation method is better than that using TRNSYS only for describing the indoor thermal comfort with the control of outdoor air flow.The results also show that DOAS+CRCP system can maintain indoor thermal comfort well.

combination of TRNSYS and CFD,DOAS+CRCP air conditioning system,air distribution,outdoor air control

1003-0344（2015）06-049-6

2014-7-16

徐培璠（1990～），女，碩士研究生；上海市閔行區東川路800號上海交通大學機械與動力工程學院369室（200240）；E-mail:fancy_qq@sjtu.edu.cn

國家自然科學基金（51376125）；密西根-上海交通大學聯合研究基金