送風方式對輻射供冷系統防結露效果的模擬研究

趙英博 章文杰 貢桐丹 周建偉

（南京理工大學能源與動力工程學院 南京 210094）

0 引言

隨著我國人民生活水平的不斷提高，人們對室內環境的要求也越來越高，各式各樣與室內環境控制有關的空調系統應運而生，它們以新穎的理念和先進的技術水平活躍在各種場合的建筑應用中，輻射空調在其中具有舉足輕重的地位。

與傳統空調相比，輻射供冷空調因其獨特的供冷方式，以熱舒適性好、換熱效率高、運行安靜和節能性高等諸多優點[1]受到了人們的青睞，然而在系統運行中也存在著冷表面易結露和單位面積換熱量不足等問題[2,3]。針對輻射空調冷表面易結露的問題，國內外學者從供水控制、獨立送風和輻射板優化等方面做了大量的研究：袁玉潔[4]提出了輻射供冷加新風復合系統中提高供水溫度、匹配新風除濕系統等基礎設計措施是防止輻射供冷空調系統結露的有效舉措；Kang[2]對比并分析了兩種復合輻射冷卻空調系統對室內熱舒適性的影響，并列出了置換通風通過承擔室內部分負荷以提高輻射板水溫等多項防結露的優勢，Yin[5]等人設計了三塊0.16m 的輻射冷板，通過對比實驗研究發現與金屬輻射冷板和純管板相比，石膏輻射冷板的傳熱性能最好，并且相同條件下其防結露性能最佳。

由此可見，國內外對輻射冷板的防結露問題進行了大量的研究，在增加能耗或改變能源輸入形式的情況下，很多方法的確能起到很好的防結露效果，本文所考慮的是在現有新風承擔室內全部濕負荷的情況下，不通過高能耗諸如置換通風的手段，僅通過改變新風的送風方式來達到防結露目的。首先探究南京市夏季新風貼附射流與輻射供冷復合空調系統理想的防結露工況點，隨后建立貼附射流送風和普通散流器送風的建筑模型，并對兩種送風方式復合的輻射冷板空調系統防結露效果進行模擬驗證和對比分析。

1 模型及計算條件

1.1 物理模型

本文以南京市某辦公樓的標準辦公室為建模參考依據進行模擬分析。辦公室的房間規格（長×寬×高）為5m×4m×2.5m。辦公室僅南墻為外墻，且南墻中間裝有規格（長×高）為2m×1.5m 的單層玻璃鋁合金窗，該窗戶設有密織布深色內遮陽。辦公室東、西、北面均為內隔墻，假設相鄰房間的室內情況與該辦公室相同。

該辦公室采用新風貼附射流和輻射供冷復合的空調系統，考慮到輻射冷板的結露問題，濕負荷全部由新風承擔，氣流組織方式為上送下回，條縫形送風口的尺寸（長×寬）為2000mm×50mm，排風口的尺寸（長×寬）為250mm×200mm，與之形成對照的普通形式的新風散流器送風與輻射供冷復合空調系統送風口與排風口尺寸（長×寬）均為250mm×200mm。

辦公室內設備負荷情況如下：照明設備為兩盞熒光燈，有效發熱功率為36W/盞；雙人辦公室配備兩臺電腦，有效發熱功率為120W/臺。辦公室內人員設備簡化為兩個尺寸（長×寬×高）為0.4m×0.2m×1.2m 的六面體，折合發熱功率為281W。辦公室的人員設備及送排風口位置如圖1所示。

圖1 辦公室模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the office model

1.2 數學模型

1.2.1 模型假設

為使計算在保證精確性的情況下避免模擬過程的復雜化，對模型進行如下理想化假設：

（1）由于辦公室內空氣處于常溫、常壓、低速的狀態，因此假設辦公室內的空氣近似為理想氣體，不考慮空氣調節過程中細微溫度變化帶來空氣相關參數的變化，計算中相關參數設置為常數；

（2）假設輻射冷表面溫度均勻恒定，冷板的邊界條件設置為恒溫邊界；

（3）除南墻以外的其他內墻，假設相鄰辦公室及走廊的室內環境與研究房間完全一致，沒有來自相鄰房間的熱量傳遞，因此內墻設為絕熱邊界；

（4）簡化人體設備模型為兩個尺寸（長×寬×高）為0.4m×0.2m×1.2m 的穩定體熱源。

1.2.2 控制方程

求解過程中采用的控制方程包括動量方程、能量方程和連續性方程，動量守恒方程如式（1）-（3）所示：

其中，τ為時間，s；u、v、ω分別表示x、y、z軸方向的速度，m/s；μ為動力粘性系數，取1.81×10-5N·s/m ；g為重力加速度，取9.8m/s 。

能量守恒方程如式（4）所示：

其中，t為溫度，℃；c為比熱容，kJ/kg·℃；q為單位體積的熱源發熱功率，J/s·m3。

連續性方程如式（5）所示：

考慮內熱源的影響，輻射模型采用可以計算散射介質并能考慮邊界發射率影響的Do 模型。

1.3 計算條件

1.3.1 計算參數

南京市夏季室外和室內設計參數如表1所示，其中，室內相對濕度的選擇主要考慮輻射供冷空調的特點，室內的相對濕度越小，則輻射空調的冷板結露可能性越小。

表1 相關設計及計算參數Table 1 Related design and calculation parameters

新風量選取30m3/h·人，則雙人辦公室的新風總量為60m3/h，人體的散熱和散濕量選取按照普通事務工作下成年男子的活動情況，即散熱量60W/人，散濕量110g/h·人。

外墻為240mm 厚的磚墻，內外兩側有水泥砂漿抹面，其傳熱系數為1.94W/（m ·K）；窗體為單層玻璃鋁合金窗，傳熱系數為6.64W/(m ·K)，窗戶設有深黃密織布材料的內遮陽。

1.3.2 邊界條件

首先根據以上計算參數，確定房間的負荷情況，采用冷負荷系數法，應用HDY-SMAD 空調負荷計算及分析軟件V4.0 進行計算得到結果如下：夏季最大總冷負荷發生時刻為14:00，總冷負荷Q=1483W，其中新風冷負荷Qx=615W，輻射冷板承擔負荷Qf=868W，濕負荷W=210g/h。

輻射冷板的表面溫度可由文獻《綠色建筑視野下輻射冷量計算方法》[6]的ASHRAE handbook 理論計算公式獲得：

其中，QF為單位面積的輻射傳熱量，W/m ；TEP為輻射體表面的平均熱力學溫度，K；TPJ為室內非加熱表面的面積加權平均熱力學溫度，K。

采用室內空調設計溫度替代其他表面的加權平均溫度，根據上述公式可獲得輻射冷板表面溫度TEP=292.7K，即19.7℃。

在新風貼附射流和輻射供冷復合的空調系統中，由于室內全部濕負荷由新風承擔，據此獲得獨立新風的送風狀態點。具體分析計算如下：

其中，dl為室內新風處理至機器露點的含濕量，g/kga；G為室內新風的質量，kg。

根據獲得的新風處理至機器露點的含濕量dl可以獲得該狀態點的溫度tl，取風管設備溫升為1℃，則可確定新風的送風溫度ti。

求得含濕量dl=6.51g/kga，此時的狀態點溫度tl=9.23℃，考慮風管設備溫升，取1℃，則新風送風溫度to=10.23℃。

根據送回風風量和送回風口尺寸，可確定模擬的送回風口空氣流速，將貼附射流送風口設置為速度入口邊界條件（velocity inlet），回風口為壓力出口邊界條件（pressure outlet），出入口邊界條件參數如下表所示。

表2 送回風設計參數Table 2 Design parameters of supply air and return air

透過玻璃窗進入的太陽輻射得熱形成的逐時冷負荷按照下列公式計算：

其中，CLc為透過玻璃窗進入的太陽輻射得熱形成的逐時冷負荷，W；C clC為透過無遮陽標準玻璃太陽輻射冷負荷系數；Cz為外窗綜合遮擋系數；Cw為外遮陽修正系數；Cn為內遮陽修正系數；C s為玻璃修正系數；Djmax為夏季日射得熱因數最大值；FC為窗玻璃凈面積，m 。

使用Ansys Fluent 軟件完成模擬內容，計算過程中進行的設置情況如下：求解器采用壓力基求解器，壓力速度耦合采用半隱式鏈接壓力方程的SIMPLE 算法，動量方程和能量方程采用計算穩定性較好的一階迎風格式，控制方程的離散格式采用標準離散模型，湍流模型根據氣流特征選擇k-epsilon 雙方程中的標準k-ε模型，輻射模型采用可以計算散射介質并能考慮邊界發射率影響的的Do 模型。當能量殘差值低于10-6，其余監測變量的殘差值低于10-3時，認為計算收斂。

2 模擬結果及分析

2.1 室內熱舒適性分析

室內空調設計的根本目的是保證室內環境的舒適性，因此在討論輻射供冷空調的防結露效果和能耗狀況前應先保證該環境的舒適程度符合標準規定，根據上述邊界條件，本研究對室內0.1m（腳踝處）、1.1m（人處于坐姿狀態時溫度感知位置）和1.7m（人處于站姿狀態時溫度感知位置）的室內溫度及風速分布進行分析，以確保所選擇計算邊界條件的合理性，同時根據輻射冷板的表面溫度分布情況對防結露效果進行具體分析，室內不同高度的空氣溫度及速度分布情況如圖2所示。

圖2 不同高度空氣溫度模擬結果Fig.2 Simulation results of air temperature at different aititudes

根據圖2（a）-（c）可以看出，高度為0.1m處（人體腳踝位置）的溫度分布受南墻的輻射和室內人員設備熱源的影響較大，加上距離輻射冷板和貼附射流最遠，受南墻和室內熱源的影響較大，溫度分布并不均勻，但絕大部分區域的溫度區間在23℃-27℃之間，所處溫度范圍仍在可接受的舒適范圍內；1.1m 處和1.7m 處的溫度分布較為均勻，且溫度大多位于23℃-25℃之間，所處溫度范圍在人體熱舒適范圍內，此外1.1m 處和1.7m 處靠近南墻的位置出現了溫度陡降的區域，結合后面的室內空氣流速分布圖推測，是新風射流在受到熱源加熱的抬升效果后將自身的低溫空氣和沿程卷吸的輻射冷板降溫的空氣輸送到南墻位置，被南墻阻擋后跌落形成的局部冷域；此外人員設備模型周圍的空氣溫度較高，是因為將該模型設置為體熱源的緣故。

根據《民用建筑供暖通風空氣調節設計規范》[7]的相關規定，室內風速應不大于0.3m/s，由圖3（a）-（c）速度分布云圖可以看出，由于輻射供冷的均勻性特點和新風射流的風量小、出風速度低的原因，室內各高度的速度分布絕大部分在0.04m/s 以下；根據室內環境國際標準ISO7730 的標準要求，工作區內（即0.1m-1.1m 高度區間內坐姿辦公的空間區域）的垂直溫度差不應大于3℃，由圖4可以看出，除前文分析的冷域部分，模擬辦公環境的2m 以下的絕大部分區域溫度分布較為均勻，溫度在296K-298K 之間，除去所假設熱源的集中影響，認為辦公環境的熱舒適性符合要求，因此所選擇的送回風參數及輻射冷板的表面溫度等設計參數是合理的。

圖3 不同高度空氣流速模擬結果Fig.3 Simulation results of air velocity at different altitudes

圖4 z=1.1m 處溫度分布云圖Fig.4 Cloud map of temperature distribution at z=1.1m

2.2 輻射冷板結露情況對比分析

分析圖5（a）可知，輻射冷板表面假設為溫度均勻的恒溫邊界，且模擬結果在比19.7℃稍高的溫度下進行輻射傳熱，該結果可以由貼附射流在冷板表面加強了對流換熱得到解釋，此時的輻射冷板下方空氣溫度分布如圖5（b）所示，可以看出該高度區間的溫度分布受貼附射流的影響較大，從風口向外送風的過程中，射流的溫度逐漸提高，并在接觸南墻后向四周墻壁擴散，假設室內空氣組分均勻，除輻射冷板與送風口接觸位置的溫度區域受10.4℃的新風影響外，其余絕大部分溫度區域在19℃以上，高于室內狀態點露點溫度13.3℃，溫差在6℃以上，因此輻射冷板在設定工況下不會結露。且從溫度分布的占比情況來看，14℃-17℃以及17℃-19℃的溫度區域主要受低溫的新風貼附射流影響，由于新風的露點溫度更低，為7.8℃，且19℃-21℃的溫度區間占貼壁處總體的面積很小，絕大部分的溫度區域分布在21℃-25℃之間，可以認為貼壁處空氣的結露可能性極低。

圖5 新風貼附射流冷板表面及貼壁處空氣分布Fig.5 Air distribution on the surface of the cold plate attached to the jet and adhering to the wall

分析圖6（a）可知，普通送風方式下的輻射冷板表面由于受新風的氣流組織影響較小，因此冷板表面溫度穩定在19.7℃的設定工況下運行，且此時輻射冷板下方貼壁處的空氣溫度分布如圖6（b）所示，從圖中可以看到，新風對貼壁處空氣溫度的影響在房間的后半部分開始出現，且沿新風輸送的方向核心溫度呈下降趨勢，最低降到了17℃左右，該溫度同樣高于室內狀態點的露點溫度13.3℃，在設定工況下也不會結露，然而，從溫度分布的占比情況來看，新風影響的低溫核心區（17℃-19℃）面積相比較貼附射流房間的低溫區面積要大很多，且絕大部分的溫度分布于19℃-23℃，和貼附射流房間比較貼壁處的整體平均溫度下降2℃左右。因此，當辦公室內濕負荷陡增，例如室內人員突然增加時，普通送風方式的輻射空調房間結露可能性將大大提高。

圖6 普通送風冷板表面及貼壁處空氣溫度分布Fig.6 Air temperature distribution on the surface of the common air supply cold plate and the wall

3 結論

總結以上對比分析，在南京市氣象條件下，本文模擬的辦公室在新風承擔室內全部濕負荷時，無論是貼輻射流送風還是普通送風方式對輻射冷板都有防結露的作用，但是新風貼附射流送風強化了輻射冷板表面的對流換熱，使貼壁處整體溫度比普通送風方式的貼壁處溫度更高，更加遠離室內露點溫度，由此在室內濕負荷突然增大的情況下結露風險更小。