DOAS+CRCP空调系统的TRNSYS-CFD混合仿真研究

徐培璠 杜志敏 晋欣桥

上海交通大学制冷及低温工程研究所

DOAS+CRCP空调系统的TRNSYS-CFD混合仿真研究

徐培璠 杜志敏 晋欣桥

上海交通大学制冷及低温工程研究所

针对独立新风结合辐射吊顶空调系统，建立了TRNSYS-CFD混合仿真平台，在仿真中加入室内温度分布不均的影响，使模拟结果更贴近实际。对应用于某住宅建筑的独立新风加辐射吊顶空调系统进行模拟，结果表明，独立新风系统的送风量对室内温湿度有显著影响，此种空调形式可以营造头冷脚暖的温度分布，符合人体舒适性需要。

TRNSYS-CFD混合仿真DOAS+CRCP空调系统气流组织动态仿真

0　引言

独立新风（Dedicated Outdoor Air System,DOAS）结合冷辐射吊顶（Ceiling Radiant Cooling Panel, CRCP）空调形式是非常具有发展潜力的空调系统[1]。它由独立新风系统送风来满足室内卫生要求，并承担室内全部潜热负荷和部分显热负荷，冷辐射吊顶承担剩余的显热负荷[2]。与传统空调相比，DOAS+CRCP空调系统具有很大的节能潜力，因为其大大减少了送风量，从而降低了输送空气的能量消耗，并且用水代替空气来消除热负荷，大大降低了输送冷量的动力能耗。

由于DOAS+CRCP空调系统会使房间出现温度分层现象，单单使用建筑能耗仿真软件进行模拟会造成较大偏差。因为该类软件在模拟时假设室内空气混合均匀，即将整个空调房间的气流流场看作一个空气节点。这种单空气节点的仿真所得到的室内环境工况、能耗等信息并不准确，也无法准确地分析室内舒适性。另一方面，虽然CFD可以对室内气流分布、室内热舒适性和空气品质等进行详细预测，得到室内空气流速分布、温度分布等，但其无法进行能耗分析，不能实现对空调系统在线控制的模拟。

因此，本文采用TRNSYS（建筑能耗仿真软件）与CFD相结合的混合仿真方法，即在基于TRNSYS建立的空调系统动态仿真的基础上，结合CFD对空调房间温度场的模拟，通过二者的信息交换，同时分析DOAS+CRCP空调系统的运行状况、室内热舒适性，使模拟结果更加准确、更加具有实用性。

1　研究对象

1.1研究对象

本文所研究的对象物是位于上海的民用住宅建筑，选取其中一个代表性户型进行仿真模拟，其布局如图1所示，该户型住宅总面积为85m2，高3.4m，由两间卧室、卫生间、厨房以及客厅组成。该住宅采用地板送风，除卫生间外，每个房间各布置一块辐射板，两个圆形送风口。各房间辐射板面积、送风口直径见表1。

图1　该户型室内房间布局3D模型

表1　各房间辐射板面积、送风口直径

1.2独立新风结合辐射吊顶空调系统

DOAS+CRCP系统由新风系统负责处理室内湿负荷，一般新风经过全热交换转轮与室内回风进行全热交换实现能量回收，再经由冷盘管进行冷却除湿。为避免室内产生冷吹风感，新风需再热后再送入房间。辐射板冷水进水温度远远高于新风除湿处理的冷水进水温度，这是为了防止辐射板出现凝露，所以辐射板冷水进水温度要高于室内露点温度。

图2为新风机组和辐射板独立供水系统示意图。当新风机组和辐射板独立供水时，高温制冷机组COP大大提高，可以发挥节能优势。由于高温机组与低温机组独立运行，系统的自动控制也得到了简化。

图2　新风机组和辐射板独立供水系统示意图

2　TRNSYS-CFD混合仿真平台的建立

本文使用TRNSYS软件建立DOAS+CRCP空调系统的各系统部件模型，而住宅的建筑模型是由CFD软件建立的。

2.1基于TRNSYS的系统部件模型

根据图2所示的DOAS+CRCP定风量定水量空调系统，本文在TRNSYS软件基础上建立了空调系统仿真器[3]，同时，利用TRNSYS软件对整栋建筑进行负荷计算，得到每天逐时的室内负荷和墙体热流密度等参数，连同空调系统仿真器获得的送风温度、送风量、辐射板表面温度等参数，通过下述的TRNSYS-CFD之间的接口程序，送至CFD模型作为其计算的边界条件。

本文模拟了表2所列的五种工况。在各工况下，四个房间的送风量比例、供水量比例保持不变，如表3所示。

表2　五种模拟工况

表3　各房间送风量和供水量比例

2.2基于CFD的建筑模型

如图3所示该户型住宅三维模型，为简化计算，家具、人员等都简化为长方体模型。运用GAMBIT生成网格，对送回风口、热源等温度梯度、速度梯度较大的地方，进行网格加密，共划分了110867个网格。本文采用RNG k-ε湍流模型，表面辐射（S2S）模型进行计算，压力-速度耦合的SIMPLEC算法进行方程的离散求解。其中，动量方程、能量方程、k-方程、ε-方程均采用二阶迎风格式求解。计算时需要从TRNSYS得到的实时边界条件分别为：地板送风口风速、送风温度、辐射吊顶温度、天花板及地板温度、房间负荷以及太阳辐射热等[4]。

图3　FLUENT三维模型

2.3TRNSYS-CFD混合仿真平台

由TRNSYS软件建立的空调系统模型和由CFD软件建立的建筑模型，二者所描述的对象不同，要建立整个建筑及空调系统的仿真器，必须将两者结合起来进行仿真，即建立TRNSYS-CFD混合仿真。

在混合仿真中，TRNSYS进行每个时间步长的动态仿真模拟，然后TRNSYS输出给CFD计算所需的边界条件（如送风温湿度等），CFD完成稳态计算后更新室内相关数据（如回风温湿度等），并将这些数据再返回给TRNSYS进行下一个时间步长的仿真，实现TRNSYS和CFD的准动态结合[5]。

图4为TRNSYS-CFD混合仿真结构图。混合仿真中的关键问题在于TRNSYS软件与CFD软件间的数据互换。本文以TRNSYS作为混合仿真的主程序，在TRNSYS中创建一个调用CFD的子程序，即图5中的接口程序，来实现CFD和TRNSYS之间的定时、定量的数据交换。

图4　混合仿真结构图

图5　TRNSYS与CFD的接口

混合仿真开始时，TRNSYS调用接口程序，接口程序通过一个“Script”文件输出给CFD进行初始化并启动计算，这个“Script”文件中包含了CFD计算所需的边界条件：房间负荷、送风温湿度和风速、辐射板表面温度。CFD每次计算后将计算出的“Result”文件再通过接口程序返回给TRNSYS，这个“Result”文件中包含了TRNSYS仿真所需的参数：传感器采样温度和回风温湿度，然后TRNSYS再进行下一时间步长的在线控制模拟。

本文模拟该住宅空调系统运行情况及室内气流分布时，TRNSYS仿真时间步长为0.125小时，空调系统全天运行。由于考虑到CFD计算量较大、计算时间较长的因素，将TRNSYS与CFD数据交换的时间步长定为1小时，如图6所示。

图6　TRNSYS和CFD混合仿真示意图

3　仿真试验

3.1混合仿真的结果

基于TRNSYS-CFD混合仿真平台建立该户型住宅DOAS+CRCP独立供水空调系统及CFD模型，模拟空调系统在7月某日的运行状况及室内气流和温度场分布情况。各房间室内负荷不变，如表4所示，该实验日的气象及负荷情况如图7、图8所示。

表4　各房间室内负荷

图7　室外空气温度及含湿量

图8　各房间太阳辐射

分别用混合仿真和TRNSYS单独仿真两种方法对工况I进行模拟，模拟结果如图9所示，其中，混合仿真的结果是室内高1.1m处温度模拟结果，因为室内1.1m高度是人员坐着时头部所在高度，该处的温度变化是判断人员是否舒适的重要依据。

图9　工况I下TRNSYS与混合仿真模拟结果对比

从图9的对比中可以看出，仅使用TRNSYS模拟的各房间最高温度均高于混合仿真，在TRNSYS模拟中客厅的最高温度接近34℃。在仅使用TRNSYS模拟中回风温度是四个房间温度的平均温度，但DOAS+CRCP的空调系统主要承担的是人员活动区域的负荷，房间内会出现温度分层现象，因此，回风温度不应该是四个房间的平均温度，混合仿真中回风温度的结果更符合实际。

图10是采用混合仿真在工况II～V时室内高1.1m处温度模拟结果，图11是采用混合仿真在工况I～V时室内高1.1m处湿度模拟结果。

由图10可以看出五种工况下，房间温度变化趋势一致。对比工况I～III，发现随着送风量的增加，室内温度有明显的降低，这是因为DOAS系统承担了室内部分显热负荷，加大送风量，DOAS系统消除的显热负荷增多，使得房间内温度有了明显降低。对比工况I、IV、V发现，改变辐射吊顶的供水量，室内1.1m处温度变化并不明显。

由于室内潜热负荷全部由DOAS系统承担，由图11各工况下室内相对湿度变化可知，增大送风量可以降低房间内相对湿度。在这五种工况下，厨房相对湿度始终偏高，因此需进一步提高厨房的送风量，使相对湿度降低以满足舒适性的要求。

图10　各工况下室内温度变化

图11　各工况下室内相对湿度变化

3.2室内气流分布

图12是在工况I条件下，12:00时室内高1.1m及0.1m处水平温度场分布情况；图13是在工况I条件下，12:00时室内两个垂直面温度场分布情况。

图12　在工况I条件下12∶00时室内两个水平面温度场分布

图13　在工况I条件下12∶00时室内两个垂直面温度场分布

由图12和13的室内温度场分布情况可知，室内温度分布并不均匀，由于太阳辐射等环境因素影响，靠近窗户的位置温度较高，另外，由于室内存在热源，也造成了房间温度分布不均。在辐射吊顶及地板送风的共同作用下，房间内有垂直温度分层，地板及天花板附近温度较低，但垂直温度梯度较小。这样的温度分布使得人头冷脚暖，符合人体舒适性要求。

4　结论

由于独立新风结合辐射吊顶空调系统会造成室内温度分层，本文建立的TRNSYS-CFD混合仿真平台可以在模拟中加入温度场不均匀性的影响，同步进行系统运行状况的实时分析及室内舒适性的分析。结果表明：

1）独立新风系统的送风量对室内温度、湿度都有很大影响。独立新风结合辐射吊顶的空调系统使得房间内垂直温度梯度较小，这样头冷脚暖的温度分布，符合人体舒适性要求。

2）由于该空调系统会使室内温度分布不均，出现垂直温度分层现象。仅使用TRNSYS软件的单节点模拟，所得结果与实际情况相差较大，而混合仿真可以更贴近实际的运行情况。

因此，TRNSYS-CFD混合仿真平台可以用于独立新风结合辐射吊顶空调系统的优化控制，通过改变送风参数及辐射吊顶供水参数，将室内温湿度控制在要求的范围内，保证系统的安全运行，并使室内气流分布更加均匀，满足人员舒适性要求。

[1]Jeong J W,Mumma S A,Bahnfleth W P.Energy conservationbenefits of a dedicated outdoor air system with parallel sensible cooling by ceiling radiant panels[J].ASHRAE Transactions, 2003,109(2):627-636

[2]殷平,Mumma S A.独立新风系统(DOAS)研究(1):综述[J].暖通空调,2003,33(6):44-49

[3]晋欣桥,夏凊,周兴禧.多区域变风量空调系统送风温度的优化节能控制[J].上海交通大学学报,2000,34(4):507-512

[4]王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004

[5]刘巧玲.基于TRNSYS-FLUENT协同仿真的VAV空调系统多传感器控制策略研究[D].上海:上海交通大学制冷与低温研究所,2013

TRNSYS-CFD Coupling Simulation of DOAS+CRCP Air Conditioning System

XU Pei-fan,DU Zhi-ming,JIN Xin-qiao
Institute of Refrigeration and Cryogenies,Shanghai Jiaotong University

The coupling simulation method of TRNSYS combined with CFD software is presented.It is used to analysis the influence of the distribution of indoor airflow in DOAS+CRCP air conditioning system with the control of outdoor air flow.The results of simulation test show that the coupling simulation method is better than that using TRNSYS only for describing the indoor thermal comfort with the control of outdoor air flow.The results also show that DOAS+CRCP system can maintain indoor thermal comfort well.

combination of TRNSYS and CFD,DOAS+CRCP air conditioning system,air distribution,outdoor air control

1003-0344（2015）06-049-6

2014-7-16

徐培璠（1990～），女，硕士研究生；上海市闵行区东川路800号上海交通大学机械与动力工程学院369室（200240）；E-mail:fancy_qq@sjtu.edu.cn

国家自然科学基金（51376125）；密西根-上海交通大学联合研究基金