夏热冬冷地区采暖末端气流组织对比

沈维龙

南京长江都市建筑设计股份有限公司

夏热冬冷地区采暖末端气流组织对比

沈维龙

南京长江都市建筑设计股份有限公司

由于散热器、热泵型空调和地面辐射采暖有着各不相同的工作方式和传热特点，室内的热环境也必定存在差异。本文通过使用Airpak商用模拟软件建立了三种采暖方式下的房间物理模型，并对三种采暖方式下房间的温度分布情况进行模拟计算分析。

采暖 Airpak温度分布

对于室内环境的模拟非常复杂，显然不能用简单的解析进行求解。随着计算机技术的发展，选用Airpak对夏热冬冷地区常用的三种末端气流组织（散热器采暖、地板辐射采暖、热泵型空调采暖）进行模拟分析，Airpak拥有自动生成非结构化和结构化网格的能力，用户能够对网格疏密随意控制，对于工程师、建筑师和室内设计师的专业领域工程师而言，这是一种较为常用且专业的人工环境系统分析软件，特别是在供暖、通风与空气调节方面发挥着巨大的作用。

1　采暖房间建模

1.1房间模型

以江宁某住宅为模型，对该房间进行数值模拟，分析其室内气流组织。该房间模型尺寸为5m×4m× 3m。房间有一面南向外墙，一面单层玻璃外窗，三面内墙，并设置有两个桌子和一个沙发。房间内存在的热源有：一个坐着的人，发热量为75W；一台发热量100W的电视机，一个日光灯，发热量30W。散热器采暖模型中散热器安装位置为南外窗下方。热泵型空调末端（以下简称空调末端）的形式为天花板内藏风管式，安装在房间吊顶中。三种采暖方式在Airpak软件中的建模如图1。

1.2网格划分

使用Airpak 3.0进行数值模拟研究，采用软件自动生成网格，为使网格划分更加合理化，增加模拟结果的准确性，采用了局部加密的处理手段。在多连接送、回风口、人员、电视、日光灯等对计算结果影响较大处进行网格加密。其余空间应对计算结果影响相对较小，网格划分较为疏松以提高计算速度。网格划分情况如图2。

图1　房间模型

图2　网格划分

1.3边界条件的处理

1）室内外设计参数的设置

根据行业相关规范规定查得：江宁区冬季供暖室外计算参数，供暖干球温度-1.6℃，相对湿度79%；冬季采暖室内设计温度取19℃，房间热负荷1.82kW[3]。

2）围护结构边界条件

模型中存在一面外墙及三面内墙，外墙为南外墙。外墙材质为夏热冬冷地区较为常见的240mm砖墙，墙体面积为10m2，设置外墙边界条件为第二类边界条件，并且适当增加外墙的耗热量，内墙及楼板为简化计算假定为绝热条件。

地板辐射采暖地板表面温度是由调整供回水平均温度、盘管间距、填充层厚度确定，该模型中地板表面温度取26℃[4]。

3）外窗、风口边界条件

模型只设一扇南外窗，外窗为玻璃铝合金外窗，面积为3.24m2；空调末端采用某品牌FJDP36NVC机型，送风口边界条件为送风温度29℃、送风速度1.9m/s、尺寸为660mm×153mm、回风速度为0.97m/s、回风口尺寸660mm×300mm。

2　模拟结果对比分析

散热器、热泵型空调末端、地板辐射这三种采暖方式下室内气流组织有很大不同，主要从室内温度进行对比分析。截取房间模型X=2.5、Y=0.1、Z=3.6的温度场如图3～5。

图3　X=2.5m截面温度云图

图4　Z=3.6m截面温度云图

图5　Y=0.1m截面温度云图

2.1散热器采暖温度场分析

从图3（a）可以看出：X=2.5m截面处散热器采暖室内竖向温度并未出现明显的分层现象，温度分布比较合理均匀。分析图4（a）发现Z=3.6m截面上温度维持在18.5～19.5℃范围内，靠近散热器所在位置出现房间高处温度较低处温度更高的现象。室内温度变化是由于散热器加热室内空气形成自然对流所致。由图5（a）可知：在Y=0.1m截面上温度范围约为17℃～18.6℃，温度总体表现出北高南低、西高东低的情况，尤其靠近房间东南角的温度较低，散热器模型室内温度分布比较均匀、良好。

2.2空调末端采暖温度场分析

分析图3（b）可知：X=2.5m截面上空调末端采暖模型温度分层较为严重，其最低温度约为17.5℃，最高温度超过23℃。这是因为室内机水平射流导致房间地面处热空气聚集，近地面处空气无法与高处热空气接触导致出现温度分层。从图4（b）可以得知：Z=3.6m截面上温度同样出现上高下低现象，温度范围约17.5～20℃。由于该截面不在室内机射流中心位置上，所以温度差较X=2.5m处小。分析图5（b）可以看出：Y=0.1m截面上空调末端采暖模型靠近南外墙处温度很低，靠近空调末端回风口处温度较高，最高温度约20℃。

2.3辐射采暖温度场分析

由图3（c）可以看出：X=2.5m截面上地板辐射采暖模型室内竖向温度分布十分均匀，室内温度未达到设计要求时，基本不存在温度分层现象。室内温度基本维持在19.2℃左右。由图4（c）可以看出：Z=3.6m截面上采暖模型靠近南外墙处温度比较低，近地面处温度较高。人体脚部会产生温暖的感觉，但又不会因为头部呼吸区温度过高而产生不适感。分析图5（c）：Y=0.1m截面上的温度较高，温度分布南侧较低，北侧较高。该截面上整体温度范围在21.5～22.5℃之间。人体脚踝附近较高的温度有利于促进人体血液循环。从Y方向上各个截面温度分布可以看出，地板辐射采暖模型温度分布均匀、合理。但是，应注意受到外墙散热的影响，靠近外墙处会出现低温区。

2.4对比分析

由X=2.5m截面处温度分布对比三种采暖模型，地板辐射采暖模型垂直温差最小，室内温度分布最为理想。散热器采暖模型在该截面处温度分布较为合理，最大温差较小。空调末端采暖模型在该截面处最大温差约6.5℃，温度出现较严重分层现象。对比Z=3.6m截面上温度分布，地板辐射采暖模型温度分布合理，散热器模型次之，空调末端模型较差。地板辐射模型和空调末端模型在靠近外墙处均出现较大的低温区，而散热器模型中把采暖散热器设置在外窗下方可以很大程度上避免该情况的发生。对比Y方向上各截面的温度可以发现，地板辐射采暖模型各平面上温度分布最理想，近地面处温度较高能给人体营造出舒适的脚部热环境。空调末端采暖模型在该方向上各截面温度存在分布不均的情况，且房间温度随高度升高而上升。散热器采暖模型在该方向上各截面温度分布优于空调末端采暖模型，各个截面温度分布较为理想。因此，对比三种采暖模型的室内温度场，地板辐射采暖模型最优，散热器采暖模型次之，空调末端采暖模型较差。

3　总结

利用Airpak模拟软件模拟了散热器、地板辐射及空调末端采暖房间的舒适性，并对不同采暖方式下室内温度进行了对比分析：温度场结果显示地板辐射房间温度分布最为均匀，近地面处温度较高，符合人体舒适感；散热器房间温度分布显示散热器周围空气温度较房间其他区域高3℃左右，房间垂直温差较小；房间空调末端模型温度分布在三种采暖模型中较差，房间温度分布不均匀，高处温度较高。对比三种采暖模型的热舒适度发现地板辐射模型室内舒适度最为良好，散热器模型次之，空调末端模型较差。

[1]张雪梅.地板采暖室内热环境的数值模拟分析及实验研究[D].上海:上海交通大学,2006

[2]韩伟国,江亿,郭非.多种供热供暖方式的能耗分析[J].暖通空调,2005,35(11):106-110

[3]李卫华,王子介.南京市建筑能耗分析用气象参数的研究[J].节能技术,2008,26(1):53-56

[4]王厚华,庄燕燕,吴伟伟.夏热冬冷地区围护结构热工性能节能分析[J].同济大学学报(自然科学版),2010,38(11):1641-1646

Simulation of Heating Terminal Air Distribution in Hot Summer and Cold Winter Region

SHEN Wei-long
Nanjing Yangtze River Urban Architectural Design Co.,Ltd.

Due to the heat sink,heat pump air conditioner and radiant floor heating has a different way of working and heat transfer characteristics of indoor thermal environment of the room,and it also exists differences.In this paper,by using Airpak commercial simulation software to set up three kinds of heating room under the way of physical model,the room air temperature distribution of these three heating means was simulated and analyzed.

heating,Airpak,indoor air temperature distribution

1003-0344（2015）06-058-4

2014-9-23

沈维龙（1989～），男，硕士，助工；江苏省南京市秦淮区洪武路328号南京长江都市建筑设计股份有限公司（210000）；E-mail:434358575@qq.com