基于CFD的局部輻射空調節能性和熱舒適性研究*

杜璟，毛穎，徐淳，胡翱翔，劉淑月，吳沛樺

基于CFD的局部輻射空調節能性和熱舒適性研究*

杜璟，毛穎*，徐淳，胡翱翔，劉淑月，吳沛樺

（深圳職業技術學院 建筑工程學院，廣東 深圳 518055）

針對傳統吊頂冷輻射空調在睡眠環境下熱利用效率低的問題，提出了局部冷輻射空調系統．基于CFD模型，研究了局部冷輻射空調和吊頂冷輻射空調的節能性和熱舒適性．結果表明，局部輻射空調系統的能量利用效率高于吊頂冷輻射空調系統，且在相同舒適度下，局部輻射空調系統的總換熱量顯著降低．研究結果可用于進一步改善局部輻射空調系統的實際工作參數和運行策略．

輻射空調系統；CFD；能量利用效率；熱舒適

近年來，隨著新冠肺炎病毒在全球的肆虐，以對流換熱為主的中央空調系統由于多采用一次或二次回風系統而備受詬病[1]，而輔以新風系統的冷輻射空調開始越來越受學者們的關注．冷輻射空調加新風系統的模式采用輻射換熱為主的制冷方式，回避了可能導致病菌擴散的回風系統，從而極大提高室內空氣品質，同時在熱舒適性和節能性方面也具有顯著的優勢[2]．另一方面，在睡眠環境下，人體通常是不動的且占用空間小，這使得局部空調系統的應用成為可能．以前開發的用于睡眠環境的局部空調系統[3,4]主要采用對流方法來冷卻人體活動區，向活動區提供速度較高的冷風，從而導致嚴重的吹風感，影響舒適性．因此，針對睡眠環境下局部對流空調吹風感問題，結合冷輻射空調的優勢，提出了適用于睡眠環境的局部冷輻射空調系統[5]．該空調系統可由使用者根據自身的熱舒適度調節，以輻射換熱為主，即避免了吹風感，相比于傳統的吊頂冷輻射空調，又可以降低空調能耗．

為了研究睡眠環境下局部冷輻射空調系統的節能性和熱舒適性，本文采用CFD數值模擬方法，與吊頂冷輻射空調作比較，研究了兩個輻射空調系統下臥室的能量利用效率、換熱量和操作溫度場．

1 模型簡介

1.1 幾何模型

在局部輻射空調系統和吊頂輻射空調系統下，臥室的幾何模型分別如圖1和圖2所示．在尺寸同為2600 mm×3700 mm×3290mm（寬×深×高）的實驗室里，有一堵模擬的外墻和模擬的外窗（1220 mm×1220mm）作為熱源，臥室的其他五個面都視為絕熱層．臥室內如圖左側，有一張床（1840 mm×920 mm×180mm），距地面高400mm．床上有一個用于模擬睡眠狀態下平躺姿勢的假人．不同的是，圖1中的輻射板（2000 mm×1200 mm）放置在距地1580mm的高度，作為冷源，而圖2中的吊頂則作為輻射冷板．

為了更好地研究人體周圍的熱環境，床墊上方的長方體空間（1840 mm×920 mm×600 mm）被定為人體活動區，而臥室剩余空間被定為無人的空置區．

圖1 局部冷輻射空調系統

圖2 吊頂冷輻射空調系統

1.2 CFD模型

本文采用ANSYS Fluent軟件研究局部冷輻射空調和吊頂冷輻射空調下的流場和換熱情況．考慮到臥室預期的溫差，且瑞利數（R）大于1010，臥室會發生湍流現象．在選用湍流模型時，由于SST湍流模型在預測室內溫度場和速度場方面的表現均優于模型和模型[6]，因此用于本文數值模擬中．考慮到自然對流發生在臥室的大部分空間，因此Boussinesq模型用于計算浮力項[7]．計算對流項時，求解方法采用基于壓力的SIMPLE算法，離散格式采用二階迎風格式．計算流場的穩態、黏性、3D控制方程列出，見公式1～4．

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

公式3中，k是有效導熱系數W/(m·℃)，是總能量(J)，可得出公式4．

1.3 邊界條件

表1列出了模擬案例中所設置的邊界條件．其中，局部輻射空調系統中冷板的表面溫度選用了17℃、19℃、21℃，吊頂輻射空調系統中的表面溫度選用了22℃、24℃、26℃．其他邊界條件在兩個空調系統中均相同．參考亞熱帶夜間平均氣溫，室外空氣溫度設定為30℃．為了保證室內的新風量，根據ASHARE規定，送風口的新風量設為7.5 L/s．送風溫度為23℃，相對濕度設為50%，可降低冷輻射板結露風險．

表1 邊界條件的設置

1.4 模型驗證

根據Chen和Srebric學者推薦的CFD驗證步驟和標準[8]，局部冷輻射空調系統在冷板17oC時的模擬數據與本文作者過去的實驗結果相驗證并得到證實[5]．因此，使用CFD方法得出的模擬結果可以反映冷輻射空調系統下臥室的真實熱環境和流場．

2 模擬結果

操作溫度集成了對流換熱和輻射換熱對熱環境的影響，因而被用作評估室內熱環境的指標，如公式5所示．

t是平均輻射溫度(℃)；t空氣溫度(℃)；h輻射傳熱系數(W/m2K)；一般情況下，h=4.7[1]對流傳熱系數(W/m2K)，當0.15<<1.5 m/s時，h=2.7+8.70.67，當0<≤0.15 m/s時，h=5.1．

能量利用系數()[4]可以作為評價局部空調系統能量利用效率的指標，它反映了活動區與空置區熱環境的差別，如公式6．當>1時，說明活動區操作溫度低于空置區．當越大，說明節能潛力越大．

其中t和t分別是空置區和活動區的操作溫度(℃)；t是輻射冷板的表面溫度(℃)．

圖3和圖4反映了在使用不同輻射空調系統下活動區和空置區的熱環境以及能量利用效率．在局部冷輻射空調系統下（見圖3），活動區的操作溫度在不同冷板溫度下均低于空置區的操作溫度約1.5℃，均大于1.2且隨著冷板溫度的升高而增加，表明使用局部冷輻射空調系統時，能量的利用效率高，具有極大的節能潛力．在吊頂冷輻射空調系統下（圖4），人體活動區和空置區的操作溫度近乎一致，在0.95～1.05范圍內，甚至當冷板溫度等于22℃和24℃時，EUC小于1．這說明在使用吊頂冷輻射空調系統時，臥室內的熱環境較為均勻，能量利用率不高．

在局部冷輻射空調和吊頂冷輻射空調系統中，分別使用17℃和22℃冷板溫度時，兩個案例活動區的操作溫度僅相差0.05℃，因此，選擇這兩個案例進行后續節能和熱舒適的研究．

圖5比較了兩種空調系統下臥室內冷板的對流、輻射換熱以及新風系統換熱情況．如圖所示，輻射冷板的輻射換熱是兩個輻射空調系統中的主要換熱方式，約占總換熱量的三分之二，而對流換熱約占總換熱量的20%．新風系統由于送風量小，因而新風換熱量只占總換熱量的很小一部分．在達到相同熱舒適的情況下，局部冷輻射空調系統的總換熱量比吊頂冷輻射空調系統少了33.3%．這是因為在使用局部冷輻射空調系統時，大量能量被用來去除活動區的散熱量，而無需考慮空置區的熱環境，從而極大地提高了能量利用效率．

為了更好地比較兩個輻射空調系統的熱環境，選用圖6中截面X和截面Y研究臥室的操作溫度場，如圖7和圖8所示．在局部冷輻射空調系統下，輻射冷板下部區域溫度較低，人體活動區與空置區之間的溫差存在顯著差異，且以輻射冷板高度為界線，溫度分層現象較為明顯．在吊頂冷輻射空調系統下，除了送風口處溫度較低、假人附近溫度略高之外，整個臥室的操作溫度差別不大．

圖3 局部冷輻射空調系統下操作溫度和能量利用效率

圖4 吊頂冷輻射空調系統下操作溫度和能量利用效率

考慮到局部冷板面積較小且受到外墻影響，人體有可能產生由于輻射不對稱而造成的不舒適情況．因此，圖9和圖10顯示了垂直于軸的剖面圖操作溫度場．可以看出，雖然受外墻影響，右手邊的溫度高于左側的溫度，但在人體活動區的操作溫度是均勻的．因此，使用兩種輻射空調系統均不會產生由輻射不均勻引起的不舒適情況．

圖5 不同空調系統下的換熱量比較

圖6 臥室中截面X和截面Y的位置

圖7 局部冷輻射空調下截面X的操作溫度場

圖8 吊頂冷輻射空調下截面X的操作溫度場

圖9 局部冷輻射空調系統下截面Y的操作溫度場

圖10 吊頂冷輻射空調系統下截面Y的操作溫度場

3 結 論

本文對睡眠環境下使用局部冷輻射空調系統和吊頂冷輻射空調系統時的熱舒適度和節能性進行了比較．采用經過驗證的CFD模型，模擬結果表明，在局部冷輻射空調系統中，在不同冷板溫度下，人體活動區的操作溫度明顯低于空置區的操作溫度，而吊頂冷輻射空調系統中的兩個區域之間的溫度沒有明顯差異．在相同的熱舒適度下，局部冷輻射空調系統與吊頂冷輻射空調系統相比，總換熱量顯著降低，有助于節省空調能耗，減少碳排放．

致謝：本文研究受深圳職業技術學院創新工程項目資助（項目編號：cxgc2020c0006）．

[1] 張朝暉，王若楠，劉慧成，等．新冠疫情下制冷空調行業應對挑戰的思考[J]．制冷與空調，2021，21（01）：1-6．

[2] 余紅英．輻射空調末端+新風系統的醫院空調系統設計探討[J]．制冷與空調，2020，20（11）：51-53．

[3] Mao N, Song M, Deng S. Application of TOPSIS method in evaluating the effects of supply vane angle of a task/ambient air conditioning system on energy utilization and thermal comfort[J]. Applied Energy, 2016，180：536-545．

[4] Ning M, Dongmei P, Mingyin C, et al. Experimental and numerical studies on the performance evaluation of a bed-based task/ambient air conditioning (TAC) system[J]. Applied Energy, 2014，136：956-967．

[5] Du J, Chan M, Pan D, et al. A numerical study on the effects of design/operating parameters of the radiant panel in a radiation-based task air conditioning system on indoor thermal comfort and energy saving for a sleeping environment[J]. Energy and Buildings, 2017，151：250-262．

[6] Zhai Z J, Zhang Z, Zhang W, et al. Evaluation of Various Turbulence Models in Predicting Airflow and Turbulence in Enclosed Environments by CFD: Part 1—Summary of Prevalent Turbulence Models[J]. HVAC&R Research, 2007，13（6）：853-870．

[7] Mayeli P, Sheard G J. Buoyancy-driven flows beyond the Boussinesq approximation: A brief review[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2021，125：105316．

[8] Chen Q, Srebric J. A Procedure for Verification, Valida- tion, and Reporting of Indoor Environment CFD Analyses [J]. HVAC&R Research, 2002，8（2）：201-216．

Numerical Study on Energy Saving and Thermal Comfort Performances Using a Radiation-Based Task/Ambient Air Conditioning (R-TAC) System in Sleeping Environments

DU Jing, MAO Ying, XU Chun, HU Aoxiang, LIU Shuyue, WU Peihua

（）

To solve the problem of low energy utilization efficiency existing in ceiling radiant cooling panel systems, a radiation-based task/ambient air conditioning (R-TAC) system was proposed. The energy and thermal comfort performances when using the R-TAC systems and the ceiling radiant cooling panel (CRCP) systems were studied with CFD model. The results show that, under the same thermal comfort situations, the energy utilization efficiency when using R-TAC systems was higher than that when using CRCP systems, and the cooling load in R-TAC systems was dramatically reduced.

radiant air-conditioning system; CFD; energy utilization efficiency; thermal comfort

TU201.5

A

1672-0318（2022）01-0003-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2022.01.001

2021-09-03

深圳職業技術學院創新工程項目資助（項目編號：cxgc2020c0006）．

杜璟，女，山東諸城人，博士，講師，主要從事建筑節能、人體熱舒適、CFD模擬研究工作．

毛穎，女，湖南岳陽人，碩士，講師，主要從事綠色建筑、空調能耗分析研究工作．

（責任編輯：羅歡）