地板輻射供冷與置換通風空調房間熱環境模擬與能耗分析

李紅偉（寧波市鄞州區建筑工程質量監督站，浙江寧波315100）

地板輻射供冷與置換通風空調房間熱環境模擬與能耗分析

李紅偉（寧波市鄞州區建筑工程質量監督站，浙江寧波315100）

本文建立了地板輻射供冷與置換通風空調房間熱環境模擬模型，利用fluent軟件對室內的熱濕分布情況進行了模擬；并且在室內冷負荷達到最大值時，通過模擬等溫和非等溫送風情況下不同的地板表面溫度所形成的溫度場和相對濕度場；運用PMV-PPD熱舒適指標進行分析，得出了人體在基本滿足熱舒適情況下的空調系統參數的變化。

地板供冷；置換通風；熱舒適；能耗模擬；數值分析

引言

最近幾年，輻射供冷得到了人們的廣泛關注，因為它具有高效、舒適等優點，而地板輻射供冷加置換通風空調方式是現在非常有應用前景的空調方式。地板輻射供冷主要原理是由供冷部件與維護結構內表面和人體進行的輻射換熱。研究調查表明，1.8m處的人體溫度場分布基本接近理想狀態。空調房間就是通過地板輻射供冷與置換通風兩個條件提供制冷制熱功能，但是輻射供冷在空調使用過程中暴漏出單位熱強度低、易結露等等問題。置換通風的工作原理是利用空氣的密度差形成的熱氣流上升而冷氣流下降，它的送風分布器一般都是安裝在地板附近，送風的面積較大，出風口風速一般低于是0.5m/s。置換通風用于采暖時，對于送風就沒有濕度的要求。據相關研究表明，置換通風能夠將地面與室內的對流換熱效果強化，使用地板輻射供冷加置換通風空調方式復合系統時，地面與室內空氣的對流換熱系數高出單獨使用地板供冷時約45%，導致總換熱系數高出約30%，也就是說，溫差相同時，復合系統的供冷能力要高約30%[1]。本文為了解決這些問題，現對“地板輻射供冷加置換通風空調方式”下的室內熱環境進行數值模擬，研究室內的溫度、濕度、速度分布規律，為這種空調方式的設計提供理論依據。

1 空調房間熱環境數值模擬模型的建立

空調房間熱環境數值模擬模型依據中部地區夏季氣象參數，研究對象是一間普通的兩人辦公室，室內設計溫度為26℃，設計相對濕度為60%，其對應的露點溫度為18.03℃；房間內人體的散熱、散濕量都是以成年男子為基本標準值；其中，末端送回風設備是由單層格柵回風口、半圓柱型置換通風器等構成。

1.1 模擬房間模型

模擬房間尺寸長×寬×高為4.2m×3.3m×2.8m，如圖1所示。

圖1 模擬房間立體

1.2 室內模擬參數的確定

1.2.1 房間送風溫度確定

現階段，國外已有很多學者將目光投入到置換通風系統的研究上，國內諸多的理論研究和工程實踐表明，置換通風系統中的溫差是可以得到保證的。置換通風系統的送風溫度可以低至18℃，一般而言，地板供冷系統的地面溫度不會低于ASHRAE提出對坐著的輕體力勞動者的溫度，所以地面適用的溫度為18～26℃，因而地板供冷中的對流成份約為20%，并不會使房間的負溫度梯度增大，地板表面溫度分布一般也比較均勻，不會對室內溫度梯度造成顯著的影響[2]。當采用置換通風時，根據冷濕負荷計算來確定送風溫、濕度的參數，基本上置換通風系統采用的送風溫度保持在23～l9℃，相對于室內溫度26℃來說，送風溫差控制在3～7K范圍內。室內除人員外無其他發濕源時送風濕差可采用4～5g/kg。

1.2.2 地板表面溫度的確定

本文中的模型的地板表面溫度是根據北京建筑工程學院邱林等人實驗測量的干式結構地板情況進行數據取樣，地表面溫度見表1。

表1 模型模擬參數

2 空調房間熱環境數值模擬結果分析

本次模型中的狀態1和狀態2，通過改變地板表面溫度，送入比室內設計溫度相對較低的溫度來模擬輻射供冷的情況；狀態3和狀態4通過改變地板表面溫度，送入比室內設計溫度相對較高的溫度來模擬輻射供冷情況。

2.1 室內溫度場的模擬結果及分析（見圖2）

由圖2所示，通過以上溫度場模擬的結果中進行比較，結果可以看出，送風溫度與地板表面溫度溫差較大時，室內工作區域的溫度場分布較為均勻；送風溫度與地板表面溫度溫差較小時；室內的溫度分層較為明顯。

2.2 室內相對濕度場模擬結果及分析（見圖3）

由圖3所示，通過以上濕度場模擬的結果中進行比較，結果可以看出，室內的濕度場均按層分布，隨高度增加相對濕度減小，溫差較大時，室內工作區的相對濕度較小；地面與送風溫差較小時，室內工作區的相對濕度較大。

2.3 不同的送風溫度和地板表面溫度下模擬結果分析

圖2 y=1.3m處相對溫度場

圖3 y=1.3m處相對濕度場

本次模型中的數據通過的分析結果得出，狀態1和狀態3通過改變地板輻射表面溫度和送風溫度，當地板表面溫度較高時，可降低送風溫度，保證室內人員的熱舒適，同時送風溫度不要太低，可以避免室內產生結露現象；在地板表面溫度達到較低狀態時，提高送風的溫度，實現節能[3]。接下來，筆者就研究人體的熱舒適分布。在此情況下，由溫度場圖2a），2c）和相對濕度場圖3a），3c）可以得出以下結論：大溫差送風時，室內的溫度場和濕度場模擬的結果顯示濕度較小，溫度分布均勻是我們想要的理想狀態。

2.4 不同的送風溫度和相同的地板表面下模擬結果分析

狀態2和狀態4是通過改變送風溫度來比較相同的地板輻射供冷的情況下，送風溫度對室內人體的熱舒適的影響程度。由溫度場圖2b），2c）及相對濕度場圖3b），3c）可知：在相同的地板溫度條件下，送風溫度相對較高時，室內溫、濕度場分布較理想，此時，室內既不會有結露現象，又達到節能的目的。

綜合分析前面得出的溫度場和相對濕度場模擬結果，取人員工作區域的地板表面、離地0.1m，1.1m及1.8m處的溫、濕度數據進行比較，得出具體的室內溫濕度分布及熱舒適情況，溫濕度圖表如圖4a）和4b）所示。

圖4 工作區域溫、濕度表

由圖4可知，根據國際標準IS07730的推薦值，人體在0.1～1.1m之間的的熱濕環境中，溫差不能超過3℃，才能保證人體的舒適性。

2.5 PMV與PPD模擬結果及分析

本文模擬辦公室工作人員狀態為坐立辦公（（sedentary activity），新陳代謝率為1.2met；其衣著情況，如表2所示。

表2 人體衣著及熱阻分布情況單位（clo）

分別模擬在casel-4情況下PMV與PPD值。為了較為直觀的反映人體的熱舒適性，如下的面截圖是人體中間y=2.6m處及腳部位點c（1.5，2.0）至點d（（1.5，2，2.8）的截圖、模型中央點e（2.1，1.65，0）至點f（2.1，1.65，2.8）。

根據Fanger提出的人體的熱感覺PMV和預測不滿意百分比PPD，見表3所示PMV熱感覺標尺。

表3 PMV熱感覺標尺

當PMV=0時，PPD為5%。它表示，在最佳熱舒適狀態的室內熱環境中，仍有5%的人感到不滿意。因此IS07730對PMV-PPD指標推薦值在-0.5～+0.5之間，相當于人群中允許有10%的人感覺不滿意。由以上的PMV值可看出：在點a～b的0.6～1.2m處，由于電腦和人體的散熱源比較集中，其PMV值較大，在0.1～1.1m的PMV值在-0.2～1.2；在室內中央點c～d處0.1～1.1m的PMV值在-0.6～0.6[4]。

在現實生活中，地板材料不同，會影響傳熱系數，傳熱系數大的材料，自腳底傳熱更涼一些同樣，穿鞋和沒穿鞋的人，對熱的感覺也是不一的。

結果表明：典型工況和casel狀態下人員最舒適，case2相對較case3舒適，case3模擬了地板輻射溫度較低時，送入6℃溫差新風，置換通風送風溫度過高，達不到設計要求；case4由于送風溫度和地板表面溫度過高，人員熱舒適得不到保證。

3 結束語

本文利用Fluent軟件建立輻射模型，運用Tecplot后處理軟件進行處理。通過模擬結果，分析了不同情況下的氣流組織、溫度場、濕度場，并運用PMV-PPD熱舒適性模擬進行分析。保證人員覺得熱舒適的前提下，為防止地板表面結露，得出了置換通風與地板輻射供冷復合式空調系統的運行參數，數據表明，置換通風的送風溫度只能低于或者等于室內設計溫度，一般要低于2～4℃，同時地板表面溫度控制在19～23℃，送風相對濕度控制在50～55%范圍內較適宜。

[1]高治國.置換通風條件下地板輻射供冷的熱環境數值模擬[D].山東建筑大學，2013.

[2]魏艷立.羽毛球館地板輻射供冷數值模擬與分析[D].西華大學，2014.

[3]楊 蘇.地板供冷-置換通風空調房間熱環境模擬研究[D].山東建筑大學，2014.

[4]安迎超.置換通風-地板輻射供冷系統分析與研究[D].河北工程大學，2013.

TU831

A

2095-2066（2016）24-0241-02

2016-8-10