輻射吊頂空調系統中結露特性的數值研究

王 倩，金梧鳳，于志浩

(天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134)

輻射吊頂空調系統中結露特性的數值研究

王 倩，金梧鳳，于志浩

(天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134)

摘要：采用Fluent數值模擬的研究方法，對輻射吊頂空調房間內貼附層的濕量分布情況在不同濕源位置和濕源散濕強度下進行了對比分析研究，研究了濕源位置和散濕強度對輻射板結露時間的影響。結果表明：在系統穩定階段，濕源上方的輻射板比其他位置處的輻射板早發生結露現象，平均提前5min左右；濕源的散濕強度會影響各輻射板的結露時間，當增加一個成年男子輕度勞動時的散濕量時，結露時間大約提前8min。

關鍵詞：數值模擬；濕量擴散特性；露點溫度；結露時間

收稿日期：2014-12-17 2015-01-08

作者簡介：王倩(1988—)，女，河北滄州人，天津商業大學碩士研究生。 劉釗(1978—)，女，山東濟寧人，博士，編輯，主要從事期刊傳播學研究。

中圖分類號：TU831.3

文獻標識碼：A

文章編號：：1674-9944(2015)02-0267-04

基金項目：中國高校科技期刊研究會編輯學研究資助項目(編號：MGKJQY1401)資助

1引言

近年來毛細管輻射供冷空調系統作為一種新型式的空調系統在國內引起了廣泛關注，其主要依靠冷輻射面提供冷量使室內溫度下降，采用輻射供冷系統的房間內溫度場分布較均勻，垂直方向上溫差梯度較小，提高了人體的舒適度[1]。在相同的熱感覺下，輻射供冷空調系統可以將室內設計溫度提高1~2℃，輻射供冷空調系統可比常規空調系統節能15%以上[2,3]。

雖然毛細管輻射供冷空調系統具有以上舒適、節能等優點，但該系統存在的一些問題也不容忽視：單純的輻射供冷空調系統當供水溫度較低或者室內濕度較高時，在輻射板表面容易出現結露現象。另外，當門窗開啟時，室外的熱濕空氣進入，接觸到低溫輻射板也容易產生結露現象，輻射板表面結露不僅會影響室內衛生，且會間接導致毛細管輻射供冷系統的供冷能力的降低，如何有效地解決輻射板表面結露問題是輻射供冷推廣的關鍵問題之一[4]。國內外已有許多學者對于毛細管輻射供冷系統防結露問題進行了理論和實驗的研究，主要包括輻射供冷的控制方式、新型末端結構的開發、耦合系統運行策略等[5~11]，但對于輻射供冷系統中水蒸氣傳播和室內空氣濕度分布規律的研究很少，而只有從根本上掌握輻射供冷系統中輻射板結露的過程，進而采取相應的措施才能防止結露現象的發生，所以研究室內濕量擴散特性對提出防結露措施具有重要意義。

在建筑室內環境中，濕空氣中水蒸氣一般處于過熱狀態，且含量通常很低，可以近似當做理想氣體[12]。由于其密度較低，其擴散作用可以被忽略，因而就物理過程而言，其在空間內的傳播可以當作被動氣體來處理，遵守組分傳播的控制方程。在室內空氣中的水蒸氣傳播規律中，可引入污染物傳播的送風可及度、源可及度、初始條件可及度概念，用于描述室內非均勻濕環境中各類邊界、濕源等對室內任意點水蒸氣濃度瞬時值的貢獻程度[13]。

本文應用Fluent計算流體軟件模擬濕源對室內濕量分布規律的影響，主要從濕源位置和濕源散濕強度兩個方面對貼附層的濕量分布進行研究，并探究其對輻射板結露時間的影響。

2模型的建立和計算

2.1　物理模型

本課題數值模擬房間幾何模型依照本學校裝有輻射吊頂空調系統的辦公室的幾何尺寸建立，即3.95m(長)×3.0m(寬)×2.1m(高)，吊頂共有9塊輻射板，每一塊輻射板的尺寸設為1.65m×1.0m，輻射板直接定義為面邊界，濕源為0.05m(長)×0.01m(寬)×0.3m(高)的長方體(圖1、圖2)。

圖1　毛細管輻射吊頂空調房間模型

圖2　輻射板編號

2.2　數學模型

假設室內流體為瞬態、不可壓縮流體，流動的方式為湍流，由于此模型中考慮因密度差引起的自然對流問題，因此在模擬中啟用浮力模型[14]。本模擬中采用質量連續性方程、動量方程、能量方程及標準模型。

(1)

(2)

(3)

(4)k-ε模型：

(4)

(5)

式中：ρ為流體密度；U為氣流速度向量；SM為體積力總和；ueff為紊流粘性系數，N·s/m2；Ρ'為修正壓力；μt為紊流黏度；k代表紊流動能，ε為紊流損耗；Cε1、Cε2、σk、σε均為常數；Pkb和Pεb表示浮力的影響。

2.3　邊界條件及相關參數的設置

(1)本模擬采用非穩態模型，湍流方程采用標準k-ε方程，采用DO輻射模型，激活能量方程；

(2)組分輸運方程開啟species下transport and reaction模型，在材料的選擇上選用mixture，組分設置為兩種成分水蒸氣vapor和空氣air，且水蒸氣位于空氣上方；

(3)在自然對流的條件下，由于溫度差的存在會引起浮升力，本模擬考慮到這一問題采用boussinesq模型，并且考慮重力的作用；

(4)圍護結構的邊界條件按實驗測得的數據進行設置：均設置成定溫邊界條件，東、西、北墻溫度為295K，南墻為外墻，由于采取了遮陽保溫措施，忽略了太陽輻射的影響，溫度為297.5K，地板采用水泥直接鋪設，溫度為292.5K，假設輻射板傳熱為理想狀態，溫度分布均勻，設定為293K；

(5)濕源出口設置成質量流量邊界條件，假設室內初始含濕量分布均勻，為11 g/kg(干空氣)。

3模擬結果分析

3.1　濕源位置對結露特性的影響

本文分別對濕源位于房間南、北兩側的地板上時進行數值模擬，研究濕源的位置對濕量擴散和結露特性的影響，房間內濕源的散濕強度約為6個成年男子極輕勞動時的散濕量，即600g/h(圖3)。

圖3　含濕量分布云圖

圖3(a)、(b)分別為濕源位于房間南側、北側地面中央位置，擴散5min時刻的含濕量分布云圖，從以上云圖中可以看出水蒸氣離開濕源之后在初動量的作用下

向上擴散，在向上擴散的同時也有向水平方向擴散的趨勢，擴散到房間頂部時，由于受到冷輻射板的影響，溫度降低的水蒸氣有向下擴散的趨勢。

利用Fluent軟件對9塊輻射板下方0.01m處的貼附層處溫濕度進行監測，導出監測點的模擬數據進行整理分析，得出各測點的露點溫度，濕源位于南側地板中央工況下的貼附層露點溫度變化情況如圖4所示，濕源位于北側地板中央工況下的貼附層露點溫度變化情況如圖5所示。

圖4　南側地板中央工況下貼附層露點溫度變化曲線

圖5　北側地板中央工況下貼附層露點溫度變化曲線

比較不同時刻貼附層的露點溫度和輻射板表面溫度，得出各輻射板結露時間，結露時間如表1所示。

表1　不同濕源位置時各輻射板結露時間

由表1中可以看出位于濕源上方的輻射板比其它位置處的輻射板早發生結露現象，這主要是因為在濕源出口的初動量的作用下，濕量向上擴散的強度較大，在濕量到達頂板后才會沿水平方向擴散，因此濕源上方貼附層處的含濕量較其他位置處大，而之前已假定在理想狀況下各輻射板的表面溫度相同，各貼附層處的干球溫度也相差很小，因此濕源上方貼附層處的露點溫度較高，濕源上方輻射板比其他位置處輻射板先發生結露，平均提前5min左右。

3.2　濕源散濕強度對濕量擴散特性的影響

模擬濕源位于房間地面中間位置時，散濕強度分別為400 g/h、500 g/h、600g/h，即約為4、5、6個成年男子極輕勞動時的散濕量。利用Fluent軟件對9塊輻射板下方貼附層處溫濕度進行監測，導出監測點的模擬數據進行整理分析，得出不同時刻各測點的露點溫度。3種工況下輻射板的溫度均維持在20℃，取散濕強度為500 g/h為例，該工況下貼附層的露點溫度變化情況如圖6所示。

圖6　房間地面中間位置貼附層露點溫度變化曲線

比較不同散濕強度下輻射板表面溫度和貼附層露點溫度，得出三種工況下輻射板的結露時間，結露時間如表2所示。

表2　不同散濕強度下各輻射板結露時間

如表2中所示，從表中可以看出，隨著散濕強度的增加，各輻射板首次結露時間都有所提前，每增加一個成年男子輕度勞動時的散濕量，結露時間平均提前8min左右，因此在室內潛熱負荷增加時，可以根據增加的潛熱負荷動態預測采取防結露措施的時間，從而在防止結露發生的同時達到提高輻射空調制冷能力的目的。由表2中數據還可以得出，隨著濕量強度的增加，同一輻射板結露時間的差值也逐漸減小。

4結論

(1)在空調系統穩定階段，隨著濕源散濕強度的增加，各輻射板的結露時間都有所提前，每增加一個成年男子輕度勞動時的散濕量時，結露時間平均提前8min左右，因此當室內的潛熱負荷增加時，可以根據增加的潛熱負荷值動態預測需要采取防結露措施的時間，從而可以在防止結露的同時增大輻射空調制冷能力。

(2)在空調系統穩定階段，在理想狀況下各處輻射板的表面溫度相同，輻射板對應的貼附層處的干球溫度相差很小，濕源上方的貼附層處含濕量比其他位置處的含濕量高，所以濕源上方的貼附層處露點溫度較高，濕源上方的輻射板較早發生結露，比其他位置處的輻射板結露時間提前4min左右，所以在防結露時，應當將濕源上方區域的輻射板作為重點區域監測其表面溫度。

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