夏熱冬冷地區采暖末端氣流組織對比

沈維龍

南京長江都市建筑設計股份有限公司

夏熱冬冷地區采暖末端氣流組織對比

沈維龍

南京長江都市建筑設計股份有限公司

由于散熱器、熱泵型空調和地面輻射采暖有著各不相同的工作方式和傳熱特點，室內的熱環境也必定存在差異。本文通過使用Airpak商用模擬軟件建立了三種采暖方式下的房間物理模型，并對三種采暖方式下房間的溫度分布情況進行模擬計算分析。

采暖 Airpak溫度分布

對于室內環境的模擬非常復雜，顯然不能用簡單的解析進行求解。隨著計算機技術的發展，選用Airpak對夏熱冬冷地區常用的三種末端氣流組織（散熱器采暖、地板輻射采暖、熱泵型空調采暖）進行模擬分析，Airpak擁有自動生成非結構化和結構化網格的能力，用戶能夠對網格疏密隨意控制，對于工程師、建筑師和室內設計師的專業領域工程師而言，這是一種較為常用且專業的人工環境系統分析軟件，特別是在供暖、通風與空氣調節方面發揮著巨大的作用。

1　采暖房間建模

1.1房間模型

以江寧某住宅為模型，對該房間進行數值模擬，分析其室內氣流組織。該房間模型尺寸為5m×4m× 3m。房間有一面南向外墻，一面單層玻璃外窗，三面內墻，并設置有兩個桌子和一個沙發。房間內存在的熱源有：一個坐著的人，發熱量為75W；一臺發熱量100W的電視機，一個日光燈，發熱量30W。散熱器采暖模型中散熱器安裝位置為南外窗下方。熱泵型空調末端（以下簡稱空調末端）的形式為天花板內藏風管式，安裝在房間吊頂中。三種采暖方式在Airpak軟件中的建模如圖1。

1.2網格劃分

使用Airpak 3.0進行數值模擬研究，采用軟件自動生成網格，為使網格劃分更加合理化，增加模擬結果的準確性，采用了局部加密的處理手段。在多連接送、回風口、人員、電視、日光燈等對計算結果影響較大處進行網格加密。其余空間應對計算結果影響相對較小，網格劃分較為疏松以提高計算速度。網格劃分情況如圖2。

圖1　房間模型

圖2　網格劃分

1.3邊界條件的處理

1）室內外設計參數的設置

根據行業相關規范規定查得：江寧區冬季供暖室外計算參數，供暖干球溫度-1.6℃，相對濕度79%；冬季采暖室內設計溫度取19℃，房間熱負荷1.82kW[3]。

2）圍護結構邊界條件

模型中存在一面外墻及三面內墻，外墻為南外墻。外墻材質為夏熱冬冷地區較為常見的240mm磚墻，墻體面積為10m2，設置外墻邊界條件為第二類邊界條件，并且適當增加外墻的耗熱量，內墻及樓板為簡化計算假定為絕熱條件。

地板輻射采暖地板表面溫度是由調整供回水平均溫度、盤管間距、填充層厚度確定，該模型中地板表面溫度取26℃[4]。

3）外窗、風口邊界條件

模型只設一扇南外窗，外窗為玻璃鋁合金外窗，面積為3.24m2；空調末端采用某品牌FJDP36NVC機型，送風口邊界條件為送風溫度29℃、送風速度1.9m/s、尺寸為660mm×153mm、回風速度為0.97m/s、回風口尺寸660mm×300mm。

2　模擬結果對比分析

散熱器、熱泵型空調末端、地板輻射這三種采暖方式下室內氣流組織有很大不同，主要從室內溫度進行對比分析。截取房間模型X=2.5、Y=0.1、Z=3.6的溫度場如圖3～5。

圖3　X=2.5m截面溫度云圖

圖4　Z=3.6m截面溫度云圖

圖5　Y=0.1m截面溫度云圖

2.1散熱器采暖溫度場分析

從圖3（a）可以看出：X=2.5m截面處散熱器采暖室內豎向溫度并未出現明顯的分層現象，溫度分布比較合理均勻。分析圖4（a）發現Z=3.6m截面上溫度維持在18.5～19.5℃范圍內，靠近散熱器所在位置出現房間高處溫度較低處溫度更高的現象。室內溫度變化是由于散熱器加熱室內空氣形成自然對流所致。由圖5（a）可知：在Y=0.1m截面上溫度范圍約為17℃～18.6℃，溫度總體表現出北高南低、西高東低的情況，尤其靠近房間東南角的溫度較低，散熱器模型室內溫度分布比較均勻、良好。

2.2空調末端采暖溫度場分析

分析圖3（b）可知：X=2.5m截面上空調末端采暖模型溫度分層較為嚴重，其最低溫度約為17.5℃，最高溫度超過23℃。這是因為室內機水平射流導致房間地面處熱空氣聚集，近地面處空氣無法與高處熱空氣接觸導致出現溫度分層。從圖4（b）可以得知：Z=3.6m截面上溫度同樣出現上高下低現象，溫度范圍約17.5～20℃。由于該截面不在室內機射流中心位置上，所以溫度差較X=2.5m處小。分析圖5（b）可以看出：Y=0.1m截面上空調末端采暖模型靠近南外墻處溫度很低，靠近空調末端回風口處溫度較高，最高溫度約20℃。

2.3輻射采暖溫度場分析

由圖3（c）可以看出：X=2.5m截面上地板輻射采暖模型室內豎向溫度分布十分均勻，室內溫度未達到設計要求時，基本不存在溫度分層現象。室內溫度基本維持在19.2℃左右。由圖4（c）可以看出：Z=3.6m截面上采暖模型靠近南外墻處溫度比較低，近地面處溫度較高。人體腳部會產生溫暖的感覺，但又不會因為頭部呼吸區溫度過高而產生不適感。分析圖5（c）：Y=0.1m截面上的溫度較高，溫度分布南側較低，北側較高。該截面上整體溫度范圍在21.5～22.5℃之間。人體腳踝附近較高的溫度有利于促進人體血液循環。從Y方向上各個截面溫度分布可以看出，地板輻射采暖模型溫度分布均勻、合理。但是，應注意受到外墻散熱的影響，靠近外墻處會出現低溫區。

2.4對比分析

由X=2.5m截面處溫度分布對比三種采暖模型，地板輻射采暖模型垂直溫差最小，室內溫度分布最為理想。散熱器采暖模型在該截面處溫度分布較為合理，最大溫差較小。空調末端采暖模型在該截面處最大溫差約6.5℃，溫度出現較嚴重分層現象。對比Z=3.6m截面上溫度分布，地板輻射采暖模型溫度分布合理，散熱器模型次之，空調末端模型較差。地板輻射模型和空調末端模型在靠近外墻處均出現較大的低溫區，而散熱器模型中把采暖散熱器設置在外窗下方可以很大程度上避免該情況的發生。對比Y方向上各截面的溫度可以發現，地板輻射采暖模型各平面上溫度分布最理想，近地面處溫度較高能給人體營造出舒適的腳部熱環境?？照{末端采暖模型在該方向上各截面溫度存在分布不均的情況，且房間溫度隨高度升高而上升。散熱器采暖模型在該方向上各截面溫度分布優于空調末端采暖模型，各個截面溫度分布較為理想。因此，對比三種采暖模型的室內溫度場，地板輻射采暖模型最優，散熱器采暖模型次之，空調末端采暖模型較差。

3　總結

利用Airpak模擬軟件模擬了散熱器、地板輻射及空調末端采暖房間的舒適性，并對不同采暖方式下室內溫度進行了對比分析：溫度場結果顯示地板輻射房間溫度分布最為均勻，近地面處溫度較高，符合人體舒適感；散熱器房間溫度分布顯示散熱器周圍空氣溫度較房間其他區域高3℃左右，房間垂直溫差較?。环块g空調末端模型溫度分布在三種采暖模型中較差，房間溫度分布不均勻，高處溫度較高。對比三種采暖模型的熱舒適度發現地板輻射模型室內舒適度最為良好，散熱器模型次之，空調末端模型較差。

[1]張雪梅.地板采暖室內熱環境的數值模擬分析及實驗研究[D].上海:上海交通大學,2006

[2]韓偉國,江億,郭非.多種供熱供暖方式的能耗分析[J].暖通空調,2005,35(11):106-110

[3]李衛華,王子介.南京市建筑能耗分析用氣象參數的研究[J].節能技術,2008,26(1):53-56

[4]王厚華,莊燕燕,吳偉偉.夏熱冬冷地區圍護結構熱工性能節能分析[J].同濟大學學報(自然科學版),2010,38(11):1641-1646

Simulation of Heating Terminal Air Distribution in Hot Summer and Cold Winter Region

SHEN Wei-long
Nanjing Yangtze River Urban Architectural Design Co.,Ltd.

Due to the heat sink,heat pump air conditioner and radiant floor heating has a different way of working and heat transfer characteristics of indoor thermal environment of the room,and it also exists differences.In this paper,by using Airpak commercial simulation software to set up three kinds of heating room under the way of physical model,the room air temperature distribution of these three heating means was simulated and analyzed.

heating,Airpak,indoor air temperature distribution

1003-0344（2015）06-058-4

2014-9-23

沈維龍（1989～），男，碩士，助工；江蘇省南京市秦淮區洪武路328號南京長江都市建筑設計股份有限公司（210000）；E-mail:434358575@qq.com