某實訓樓輻射空調系統供冷的熱濕環境模擬研究

曹振 傅允準

摘要：為了研究輻射空調系統供冷工況下送風方式對室內熱濕環境的影響，采用數值模擬的研究方法進行相關研究。以上海市某高校的一個實驗室為研究對象，利用天正暖通軟件對該房間進行負荷計算，得到其冷負荷及濕負荷，根據計算結果設計了輻射吊頂以及新風系統，其中送風方式分為頂板送風和地板送風。利用Airpak建立模型并模擬分析在輻射吊頂供冷與這兩種送風方式新風復合系統聯合運行下房間內溫度特性分布、相對濕度特性分布及風速特性分布，并對采用這兩種送風方式的輻射空調系統的結露特性進行對比分析。研究結果表明，采用地板送風比采用頂板送風室內溫度和相對濕度分布更均勻，風速也更符合設計標準。此外，采用地板送風比采用頂板送風的輻射吊頂發生結露的風險更小。本項研究結果可為用于供冷的輻射空調系統的設計、風口位置的布置及輻射空調系統的在中國南方地區的推廣應用提供一定的參考價值。

關鍵詞： 負荷計算; 模擬分析; 溫度特性分布; 濕度特性分布; 結露特性分析

【Abstract】 In order to study the relationship between the indoor heat and humidity environment and the air supply mode under the radiant cooling system， numerical simulation method is used to research. A laboratory of a university in Shanghai is used as the research object， and the load calculation of the room is performed by Tianzheng HVAC software. The radiation ceiling and the fresh air system are designed according to the calculation results， and the air supply mode including ceiling air supply and floor air supply. The model is built by Airpak software. And the temperature distribution， relative humidity distribution and wind speed distribution in the room under the radiant cooling system and the two air supply modes are also analyzed by Airpak software. The condensation characteristics of the two air supply methods are compared and analyzed. The research results show that temperature and relative humidity distribution of floor air supply is more uniform than that of ceiling air supply， and the wind speed of floor air supply is more in line with the design standard. In addition， there is less risk of condensation on the radiant panel using floor air supply. The results of this study can provide some reference value for the design of radiant air conditioning system for cooling， the layout of air inlet location and the promotion and application of radiant air conditioning system in the south of China.

【Key words】 ? load calculation; simulation analysis; temperature distribution; humidity distribution; condensation analysis

0 引 言

過度使用化石燃料帶來的能源緊張與環境污染問題越來越嚴重，為此，中國政府在“十二五”期間提出了單位GDP能耗下降16%的要求[1]。在各個行業中建筑行業的能源消耗量比較大，中國的建筑行業對能源的消耗比例接近1/3[2]。而在建筑能耗中，暖通空調的能耗比例最大，占建筑總能耗的65%左右[3]，輻射空調系統具有節能和舒適高的優點，受到了國內外科研工作者的廣泛關注[4]。輻射空調屬于溫濕度獨立控制空調系統，與傳統集中空調系統相比，輻射空調系統的節能可達30%左右[5-8]。Imanari等人[9]對日本東京某辦公樓的辦公室進行了研究，通過對頂板輻射供冷系統進行能耗模擬，結果發現頂板輻射系統比全空氣系統節省10%的能耗，此外，房間內垂直溫度梯度比較小，人體感覺比較舒適，后來通過實驗驗證了模擬結果的正確性。

輻射空調系統通常是由輻射末端與獨立新風系統聯合運行工作，目前使用最多的送風方式是地板送風和頂板送風，對于這兩種送風方式對輻射空調系統供冷性能的影響，有學者進行了相關的研究。王亮等人[10]利用了實驗與數值模擬相結合的方法分別研究了地送風和踢腳送風與地板輻射供冷相結合時室內的溫度及風速分布情況，結果表明踢腳送風與地板供冷的結合方式可以使人體獲得更高的熱舒適性。張巖[11]通過數值模擬的方法研究了單獨使用輻射吊頂供冷和地板送風與輻射吊頂聯合供冷的運行特性，研究發現，單靠輻射吊頂供冷會發生結露，而吊頂與地板送風結合后不僅不會發生結露，而且室內舒適性較高。袁永莉等人[12]通過數值模擬與實驗結合的方法研究了地板送風與輻射吊頂夏季供冷時室內的溫度梯度情況，結果發現高度2.0～2.7 m范圍內溫度梯度變化劇烈。王瑋等人[13]通過研究了地板送風與置換送風在住宅內的應用發現，與地板送風相比，置換通風能夠更好地達到室內的溫度要求。盡管關于地板送風及頂板送風的研究都不少，然而卻沒有對輻射吊頂分別與地板送風和頂板送風的聯合供冷運行特性的對比分析研究，地板送風與頂板送風作為比較常用的2種送風方式，缺少相關研究就使得空調設計人員在設計送風口的位置時會缺少參考，因此有必要進行該項研究。

本次研究采用數值模擬的研究方法，這是由于數值模擬的方法具有變量因素都是可控的，而且可以避免干擾因素對研究結果的影響的優點，這里以上海某高校的一間實驗室為研究對象，本次主要模擬了穩態時地板送風與頂板送風室內的溫度、相對濕度以及氣流速度等等，模擬結果以豎直方向和水平方向的云圖展現。根據模擬結果得出這兩種送風方式中舒適性更高、結露風險更小的送風方式。研究成果可以為輻射空調系統的設計及風口布置提供參考，同時也是對輻射空調系統領域研究的有力補充。

1 負荷計算

1.1 相關參數

該實驗室位于實訓樓的第一層，房間的面積為33.6 m2，南側、北側和西側墻體為內墻，東側墻體為外墻和外窗，房間長8.4 m，寬4 m，高3.1 m。上海室外氣象參數和辦公樓的室內設計參數見表1、表2。

1.2 計算結果

采用天正暖通軟件按逐時法計算夏季房間內冷負荷和濕負荷，計算結果為室內冷負荷為3 486 W，濕負荷為332.1 g/h。

2 系統設計

房間的空調系統采用的是輻射吊頂與獨立新風系統相結合的空調系統，輻射吊頂主要由輻射金屬板組成。

2.1 輻射吊頂設計

輻射吊頂采用的是某公司標準化定制的輻射板，單塊輻射板尺寸為1.2 m×0.6 m，本項目中輻射板單位輻射板面積換熱量為85.62 W/m2，則單塊板換熱量為61.65 W，房間內布置輻射板的數量為39塊，輻射吊頂承擔的顯熱負荷為 2 404.35 W，新風承擔的顯熱負荷為1 081.65 W。

2.2 新風系統設計

由給定參數可知，房間內人員密度為0.1人/m2，房間面積為33.6 m2，則房間內人數為3.36人，取人數為4人。由于新風承擔的顯熱負荷為1 081.65 W，承擔濕負荷為332.1 g/h，取送風狀態點O的含濕量為10 g/kg，則可根據焓濕圖得到室內狀態點及送風狀態點的具體參數，按消除顯熱負荷所需風量為207 m3/h，此新風量消除余濕負荷的能力為422.28 g/h，由上文可知，室內的余濕負荷為332.1 g/h，計算結果大于室內的余濕負荷，可以滿足除濕要求。總新風量207 m3/h，也滿足人均新風量30 m3/（h·p）的要求。

3 數值模擬

Airpak模擬采用了軟件為Fluent公司開發的Airpak模擬軟件，該軟件具有面向對象的建模功能，有很多模塊可以自行選擇，如：房間、墻壁、送風口、排風口、人體等，而且對紊流、層流、穩態、瞬態問題均適用，同時采用FLUENT求解器進行求解，采用有限體積法對控制方程進行離散，求解速度較快，計算結果準確。Airpak軟件的模擬結果包括了室內溫度場、速度場、空氣齡、氣流組織、PMV-PPD等，方便用戶對房間進行全面綜合的評價。

3.1 物理模型

房間模型的具體尺寸是根據房間的真實尺寸確定的，其尺寸為8.4 m（x）×4 m（z）×3.1 m（y），該辦公室的吊頂由3排金屬輻射板構成，每一排板數為13塊，單塊金屬板的尺寸為1.2（m）×0.6（m）。為簡化模型，建模時將每一排相連的13塊輻射板簡化成一整塊板，建立的模型如圖1所示。

3.2 數學模型

假設室內流體為穩態、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。研究內容詳見如下。

3.5 網格劃分

采用六面體非結構化網格對模型進行網格劃分，對空調區域做網格局部加密處理，對非空調區域做稀疏處理，X方向網格單元最大尺寸為0.415 m，Y方向網格單元最大尺寸為0.155 m，Z方向網格最大單元尺寸為0.2 m，地板送風模型的網格單元數為107 016，網格節點數為116 090;頂板送風模型的網格單元數為100 737，網格節點數為109 618。

4 模擬結果

模擬結果選取了2種工況下y=1.5 m水平面的溫度分布、相對濕度分布、風速大小分布以及z=-2.1 m豎直面的溫度分布、相對濕度分布、風速大小分布。y=1.5 m高度跟人體的頭部大致相當，選取此平面分析更具有代表性。同時也繪制出了2種工況下距南墻不同距離的溫度和相對濕度變化情況以及距地面不同高度的溫度和相對濕度變化情況。

4.1 室內溫度場

地板送風與頂板送風室內溫度分布如圖3和圖4所示。

圖3（a）和圖4（a）為地板送風和頂板送風y=1.5 m水平截面房間內溫度分布圖，由兩工況溫度分布圖可以看出，靠近人體和電腦的區域溫度都略高于其他區域的溫度，室內區域整體溫度為25 ℃左右，溫度分布比較均勻。地板送風房間左側區域溫度為25.3℃左右，而頂板送風室內左側區域溫度為24.6 ℃左右，比地板送風溫度偏低。圖3（b）和圖4（b）為地板送風和頂板送風z=-2.1 m豎直截面房間內溫度分布圖，由圖中的數據可知，房間內整體溫度在24 ℃～25 ℃，豎直方向靠近輻射板附近區域溫度較低。地板送風室內下方的溫度較低，均為24 ℃左右，豎直方向溫差為1 ℃左右，頂板送風房間內整體上豎直方向溫度分布均勻。根據國際標準ISO 7730，對于房間高度方向每米溫差不能超過3 K時人體才能夠得到舒適性，所以模擬結果表明該系統滿足人體舒適度的要求。

4.2 室內濕度場

地板送風與頂板送風室內相對濕度分布如圖5和圖6所示。

圖5（a）和圖6（a）為地板送風和頂板送風工況y=1.5 m高度水平面的相對濕度分布圖，從圖中數據可以發現2種工況室內大部分區域相對濕度范圍在57.5%～61.5%，其中地板送風室內左側區相對濕度為58%左右，右側區域相對濕度為60.5%左右。頂板送風室內左側區域相對濕度為61%左右，而右側區域為60%左右。圖5（b）和圖6（b）為地板送風和頂板送風工況z=-2.1 m位置豎直面相對濕度分布圖，由圖可知，地板送風房間下方靠近地板區域的相對濕度在64%～65%左右，上方大部分區域的相對濕度為60%左右。頂板送風室內只有送風口下方部分區域的相對濕度偏高為62%左右，其他區域均為60%左右。

4.3 室內風速分布

地板送風與頂板送風室內風速分布如圖7和圖8所示。

圖7（a）和圖8（a）為地板送風和頂板送風y=1.5 m平面風速分布，由圖可看出，風速的大部分在0.05 m/s到0.1 m/s之間，其中地板送風室內整體風速分布均勻，頂板送風室內送風口附近區域風速較大，風速最大值達到了0.5 m/s。圖7（b）和圖8（b）為地板送風和頂板送風z=-2.1 m豎直截面風速分布，由圖可知兩工況下室內風速大部分在0.02 m/s～0.1 m/s左右，地板送風室內風速分布比較均勻，室內靠近進風口區域風速為0.18 m/s左右。根據文獻[14]中設計要求，室內風速不宜太大，夏季室內設計風速v≤0.30 m/s，所以地板送風更加滿足要求。

4.4 溫濕度變化分析

地板送風與頂板送風室內溫濕度變化趨勢分別如圖9和圖10所示。

南墻為玻璃幕墻，圖9（a）為y=1.5 m水平截面溫濕度變化，由圖9（a）可知，隨著與玻璃幕墻之間距離的逐漸增加，室內溫度從25.5 ℃緩慢降低至25 ℃，降低的幅度為0.5 ℃左右，相對濕度則從60%緩慢上升至63%，升高幅度為3%左右;圖9（b）為z=-2.1 m豎直截面溫濕度變化，由圖9（b）可知，隨著與地面的距離的增加，室內溫度從24.5 ℃緩慢降低至22.5 ℃，降低幅度為2 ℃左右，相對濕度從62%逐漸上升至67%左右，靠近輻射板時又迅速降低至60%左右。

圖10（a）為y=1.5 m水平截面溫濕度變化，由圖10（a）可知，隨著與玻璃幕墻之間距離的逐漸增加，室內溫度從24.5 ℃緩慢升高至25.5 ℃，升高幅度為1 ℃左右，相對濕度則從63%緩慢降低至60%，降低幅度為3%左右;圖10（b）為z=-2.1 m豎直截面溫濕度變化，由圖10（b）可知，隨著與地面的距離的增加，室內溫度先在25 ℃左右保持穩定，接近輻射板時溫度則迅速降低，高度為2.9 m時溫度僅為22 ℃左右，室內相對濕度在60%左右保持穩定，靠近輻射板時相對濕度緩慢上升至62%左右。

4.5 結露分析

為了研究表明輻射吊頂是否結露主要受到輻射吊頂貼附層（距離輻射板0.01 m）空氣參數的影響，因此選取輻射吊頂貼附層（距離輻射板0.01 m）內12個測點位置進行研究，對輻射空調系統以地板送風方式和頂板送風方式輻射板的結露情況進行分析[15]。測點位置如圖11所示，2種送風方式的露點溫度與輻射板溫度如圖12所示。

由圖12可知，室內輻射吊頂的溫度穩定在19 ℃，地板送風和頂板送風的露點溫度都比較穩定，地板送風的露點溫度為11.5 ℃左右，頂板送風的露點溫度為12 ℃左右，地板送風和頂板送風的露點溫度都遠低于輻射板溫度，所以在輻射空調系統穩定運行時，采用這兩種送風方式輻射板均不會出現結露現象，而地板送風貼附層露點溫度比頂板送風貼附層露點溫度低0.5 ℃左右，所以采用地板送風出現結露現象的風險更小。

5 結束語

通過對地板送風和頂板送風的輻射吊頂供冷空調系統的模擬研究，得出了以下結論：

（1）從溫度分布來看，地板送風房間溫度與頂板送風房間溫度分布范圍基本相同，均為24.5 ℃～25.5 ℃，而由溫度變化可以發現，從南墻到北墻以及從地面到輻射吊頂，頂板送風房間內溫度逐漸降低，降低幅度較大，地板送風溫度變化則很小，溫度比較穩定。所以相比較頂板送風而言，地板送風室內溫度更加均勻。

（2）從相對濕度分布來看，地板送風與頂板送風房間內相對濕度平均值為60%左右，由濕度變化則可以看出，從南墻到北墻，頂板送風和地板送風室內相對濕度都比較穩定。而從地面到輻射吊頂，地板送風室內相對濕度逐漸升高，頂板送風室內相對濕度則比較穩定。

（3）從風速分布來看，頂板送風的進風口下方部分區域風速超過0.3 m/s，風速最大值達到了0.5 m/s，地板送風室內風速分布比較均勻，室內靠近進風口區域風速為0.18 m/s左右，所以使用地板送風比頂板送風可以獲得更高的人體舒適性。

（4）地板送風和頂板送風的露點溫度都遠低于輻射板溫度，所以在輻射空調系統穩定運行時，采用這兩種送風方式輻射板均不會出現結露現象，但地板送風的貼附層內露點溫度比頂板送風貼附層內露點溫度更低，所以采用地板送風出現結露現象的風險更小。

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