墙体辐射换热空调系统的设计与模拟分析

蒋达华，许 艳，张鑫林

(江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000)

随着我国经济的快速增长，环境污染、能源短缺问题也相继显露出来，越来越多的人开始追求健康、舒适、经济的人居环境。因此，发展绿色建筑，提倡建筑节能成为顺应建筑行业发展的主流。

由于建筑能耗占我国全社会总能耗的 1/3左右，其中空调与采暖能耗约占建筑总能耗的65%[1]。且随着我国经济的不断发展，这一数值还将呈继续上升的趋势，所以有必要建设绿色建筑和发展暖通空调节能。传统空调容易产生不适的吹风感、室内空气温度分布不均匀、湿度调节效果不佳等情况，不满足人们对舒适环境的需求。而现今涌现出了许多利用墙体实现通风空调功能的建筑：龚光彩等人提出了一种空气载能辐射空调末端系统，以空气作为能量载体，孔板作为辐射末端对室内进行温度调节[2]；陶红霞等人提出了一种毛细管辐射空调系统，通过将围护结构的表面设置在一定温度形成冷热辐射面，以辐射换热的方式进行供暖制冷[3]；辐射空调系统通过加热(冷却)辐射末端，使其表面温度升高(降低)以辐射、对流方式调节室内空气[4]。一方面，墙体通风空调经济节能；另一方面，辐射换热系统高效稳定。因此，本文提出墙体辐射换热空调系统。

1 模型介绍

1.1 几何模型

墙体辐射换热空调系统作为一种新型的空气调节形式，不同于传统空气调节方法，其工作原理为在建筑墙体内设置有通风夹层I、通风夹层Ⅱ、辐射换热夹层和保温隔墙。当系统开始运行时，首先经湿度独立控制空调机组处理后所形成的新风，由进风口I送入通风夹层I内；其中部分新风直接由底层送风口送入室内，对室内进行湿度调节；而剩余新风，则由各个楼层的送风口送入各个楼层室内进行湿度调节，送风量分别由各层相对应的湿度调节阀进行控制。同时，经温度独立控制空调机组处理后所形成的冷或热空气由进风口Ⅱ送入通风夹层Ⅱ内；其中部分冷或热空气直接由底层补风口进入到辐射换热夹层内，进入辐射换热夹层内的冷或热空气以对流换热方式将能量传递给辐射板，承担室内冷或热负荷；对流换热后的冷或热空气与该层顶部回风口的回风混合，经通风口送入上方的楼层辐射换热夹层内，实现对各个楼层房间的温度调节；若上方的楼层辐射换热夹层内的冷或热空气不足时，可从通风夹层Ⅱ内进行补充，补充风量由该层补风口所设的风量调节阀进行控制，实现能量的梯级利用，图1为该系统运行原理图。

图1系统运行原理图图2空间模型示意图

2 案例计算与辐射板表面温度选取

2.1 案例模型

设空间模型的尺寸为长l、宽b、高h。辐射板位于外墙三分之一处，如图2所示。

模型说明：

(1)辐射板表面的温度为t0；

(2)内墙壁、地板和天花板表面温度相同均为t1；

(3)辐射板所靠外墙内表面温度为t2；

(4)辐射板所在外墙为换热面，热量通过辐射板与室内及外界进行交换，定义为稳态传热，其余墙均设为绝热表面；

(5)辐射板的表面辐射率，墙的表面辐射率ε=0.9[5]；

(6)送风口的温度冬季为tds=20 ℃，夏季为txs=26 ℃，风速均为0.5 m/s[6]。

2.2 案例计算

根据文献[7]提供的计算方法进行计算。

2.2.1 制热工况

(1)实例模型的热负荷

以江西省赣州市20 m2的办公房间为例进行设计计算，令图2中的l=5 m，b=4 m，h=3 m。按照办公类型冬季采暖热负荷指标设定采暖热指标为50 w/m2[8]，室内空气设计温度为18 ℃，则房间的热负荷为1 kW，翅片自然对流换热量可根据估算值计算[9]。

(2)其他项换热量

其他换热量计算见表1。根据计算可得，辐射板表面温度为38 ℃，可满足供热需求。

表1 制热工况计算

2.2.2 制冷工况

(1)实例模型的冷负荷

仍以此房间为例进行计算，设定夏季供冷负荷为100 w/m2，室内空气设计温度为26 ℃，则房间的冷负荷为2 kW。

(2)其他项换热量

其他换热量计算见表2。由表2可知，辐射板表面温度为7 ℃便可以满足制冷需求，且辐射板的表面温度低于室内空气露点温度24.88 ℃。若减小结露对换热的影响，可改变表面的亲水特性，在辐射表面及翅片表面喷涂一层特殊的材料，以降低结露对辐射的影响。

表2 制冷工况计算

3 数值模拟结果与分析

通过流体动力学数值计算方法，将辐射换热空调系统及传统空调系统应用于设计的空间模型进行温度场和速度场的模拟计算，由此验证辐射换热空调系统的特性。在模拟计算中，只做冬季状况下的模拟对比分析，设定传统空调系统送风速度为0.5 m/s，温度为20 ℃；设定辐射换热空调系统辐射板温度为38 ℃，进风口温度为20 ℃，风速为0.5 m/s；其他设定为室内温度18 ℃，外墙3℃，地板、顶板、内墙温度均为18 ℃。选取离地面高1.5 m(此时为室内人们坐姿下头部所处高度)和高0.15 m(此时为室内人们坐姿下脚踝所处高度为温度敏感区)两处的高度水平面作为温度场与速度场的比较平面。

3.1 两种系统在距离地面1.5 m处的温度场模拟分析

图3辐射换热空调系统z=1.5 m温度场图4传统空调系统z=1.5 m温度场

由图3、图4可以看出，辐射换热空调系统只有在辐射板处温度场等温线较为稀疏，每条等温线间的落差几乎很小，整个区域的温度场无波动现象，室内空气温度均匀；而传统的空调系统温度场等温线分布相对不均匀，区域温度有明显变化。两种系统水平面的大部分区域温度保持在20℃左右，满足规定的冬季室内温度18℃～25℃要求。

3.2 两种系统在距离地面0.15 m处的温度场模拟分析

图5辐射换热空调系统z=0.15 m温度场图6传统空调系统z=0.15 m温度场

由图5、图6可以看出：两种系统温度变化较均匀，但传统空调系统的温度较辐射换热空调系统的温度低1 ℃～2 ℃。

3.3 两种系统在距离地面1.5m处的速度场模拟分析

图7辐射换热空调系统z=1.5 m速度场图8传统换热空调系统z=1.5m速度场

由图7、图8可以看出：辐射换热空调系统的速度变化较均匀，而传统空调系统速度变化有一部分分层现象。但总体都维持在0.05 m/s左右。

3.4 两种系统在距离地面0.15m处的速度场模拟分析

图9辐射换热空调系统z=0.15 m速度场图10传统换热空调系统z=0.15 m速度场

由图9、图10可以看出：辐射换热空调系统的速度在此高度上有送风口，因此可以看到射流现象，但中心区域无吹风感影响，传统空调系统速度中间部分有速度分层现象。

3.5 两种系统在中心处垂直高度上的温度场、速度场曲线分析

图11辐射换热空调系统与传统空调系统在中心处z=0～3 m温度变化曲线图12辐射换热空调系统与传统空调系统在中心处z=0～3 m速度变化曲线

由图11、图12可以看出：在人体活动范围0.15～1.5 m之间，辐射换热空调系统的温度、速度变化较传统空调系统的温度变化缓慢，传统空调系统温度、速度变化整体波动较大。辐射换热空调系统的温度变化在290.4～290.5 K，速度变化在0～0.02 m/s；传统空调系统的温度变化在290～290.5 K，速度变化在0～0.03 m/s。因此，辐射换热空调系统温度变化较为均匀，而传统空调系统给人有一定的吹风感，辐射换热空调系统较传统空调系统更为舒适。

4 结论

(1) 本文所设计的墙体辐射换热空调系统，辐射板在辐射换热夹层侧的表面上合理设置换热翅片，换热性能好，安装高度达到人员活动区域，在保证清洁卫生、高舒适度的同时，减少了辐射空调的热损失，实现了建筑室内温湿度的独立控制。另外，合理利用室内回风，适当地引入新风，基于建筑墙体，减少了原有空调系统的管材及设备耗材，降低了能量损耗，达到能量的梯级利用。

(2) 通过理论设计与计算分析，得到辐射板温度控制在夏季7 ℃、冬季38℃，即可满足室内夏季设计温度26℃，冬季设计温度18℃。

(3) 运用数值模拟，对比传统空调系统温度场与速度场可以看出，本系统更为稳定舒适、清洁卫生，有利于推广应用。

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