冷辐射板布置方式对办公室热环境影响的模拟研究

杨雨佳，刘金祥,牛晓峰，张 恺

(南京工业大学，江苏南京 100044)

冷辐射板布置方式对办公室热环境影响的模拟研究

杨雨佳，刘金祥,牛晓峰，张 恺

(南京工业大学，江苏南京 100044)

辐射供冷常与置换通风系统结合使用以达到良好的舒适性和节能性。辐射供冷/置换通风系统用于办公环境时，冷辐射板的布置方式会对室内热环境产生影响。本文采用CFD方法，通过Airpak对冷辐射板分别置于办公室内顶棚、地板、侧墙上部和侧墙下部四种情况的换热过程进行模拟分析，得出了冷辐射板不同布置方式对应的室内温度场和流场。结果表明，在本文研究的4种布置方式中，垂直墙壁上侧布置的供冷效果最佳，其湍流浑浊区范围最小、热力分层高度最高，同时得到了最低的活动区域温度。

辐射供冷；置换通风；温度分布；数值模拟

1 前言

辐射供冷技术已经引入中国近20年，现已广泛应用在办公楼、地铁站、航站楼、医院、公寓等场所[1]。随着辐射供冷应用的逐渐增多，系统的供冷效率、室内空气质量、夏季结露等问题也引起了设计者、研究者以及使用者的广泛关注。因此，国内外的学者也开始针对辐射空调室内热环境的负荷分配[2]、防结露措施、热舒适性分析、室内热环境控制方式等方面进行了研究。

辐射供冷通常以冷辐射板作为末端装置承担室内显热负荷，由于露点温度限制了其制冷能力，通常与其它系统结合使用[3]。置换通风是将新鲜空气由送风口直接送入工作区，在地面形成空气湖，在室内热源的作用下使新鲜空气向上部运动[4]。置换通风系统具有提高室内空气品质、节能效果好的优点，同时也存在温度梯度影响人体舒适性的缺点[6]。将辐射供冷与置换通风系统复合，可以弥补各自缺陷，使供冷能力、室内空气质量、人体舒适度得以兼顾。

目前针对辐射供冷/置换通风复合系统的研究主要集中在热舒适性、防结露对策以及控制策略等方面[5～7]。但是辐射供冷环境属于非均匀热环境，辐射末端铺设方式对系统的温度分布响较大[8]。因此，本文通过对比冷辐射板采取不同布置方式时所对应的室内热环境特性进行分析，得出不同布置方式时室内的温度与风速分布，给出最优的布置方案，为系统设计提供依据。

2 物理模型

本文以某办公室为案例，该办公室的尺寸为7.2 m×4.2 m×3.2 m(长×宽×高)，室内有电脑4台，功率为180 W/台，分别置于0.8 m高的办公桌上；4人处于坐姿轻度劳动状态，坐于桌前，显热负荷为84 W/人；6盏荧光灯，每盏功率为80 W，置于天花板上，均匀分布；南墙为外墙，一面南窗置于南墙之上，北、东、西墙为内墙；矩形送风口置于北墙下部，排风口置于房间顶部，以形成置换通风气流形式。本文分别对冷辐射板布置于办公室顶部(方案1)，地板(方案2)，东、西两墙下侧(方案3)，东、西两墙上侧(方案4)4种方案进行模拟分析。

3 数学模型

不可压缩流体控制方程：

(1)

(2)

=▽·[(k+kt)▽T]+Sh

(3)

(4)

式中P——压力，PaT——应力张量，Paρg——单位体积重力，N/m2k——分子间导热系数kt——湍流输运导热系数Sh——体积热源Yi——组分质量分数

控制方程中涉及的参量计算公式如下：

(5)

(6)

kt=cpμt/Prt

(7)

(8)

Sct=μt/(ρDt)

(9)

μt=0.03847ρυL

(10)

数值模拟中将流体假设为不可压缩流体，使用Boussinesq近似处理浮力影响，采用室内零方程模型，室内零方程湍流模型是专门对于室内气流模拟发展出来的。此外，在数值计算中，选择辐射模型为S2S辐射模型。辐射换热量的计算基于角系数[5～9]。

依据对该办公室空调系统的选择和负荷计算确定模型的边界条件和初始条件[10]。南外墙的热流设置为8.8W/m2；南窗设置温度边界为34.4 ℃，冷辐射板温度边界20 ℃，内墙温度为28 ℃ ，地板和顶棚在不设置辐射板时为绝热边界；4种方案中冷辐射板面积相同，均为30.24m2。

数值计算中，用有限体积法将控制方程离散化，各阶导数的差分采用二阶迎风格式，并使用SIMPLE算法(压力-速度耦合修正算法)求解离散方程，使用Gauss-Seidel迭代计算收敛，判断收敛的标准为X，Y，Z方向的速度残差和连续性残差达到10-4，能量残差达到10-6[5]。

4 结果与讨论

结合截面温度云图和速度矢量对模拟结果进行分析，选取位置为x=2.1 m截面以及x=3.3 m截面，分别对应垂直于x轴房间中心平面，以及垂直于x轴电脑所在位置平面。具体位置如图1所示。

图1 结果截面位置示意

4.1 冷辐射板置于顶棚

图2为x=2.1 m(房间正中)和x=3.3 m(人所在位置)处的温度分布。从图中可以看出室内温度自下而上逐步变高，出现温度分层，人员活动区的温度在26～27.1 ℃。在人员所在的位置，可以观察到明显的热羽流，热羽流的温度高于周围环境的温度，形成了明显的上升气流。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

图2X轴方向截面上的温度分布(方案1)

图3为速度矢量截面图，其位置与图2中温度分布截面位置对应。图3(a)中气流方向表明在人员上部出现了明显的空气流动，湍流浑浊区范围较大，热源形成的热羽流破坏了温度分层，空气在房间上部混合，使湍流浑浊区的空气趋于均一，而气流漩涡使得空气品质无法保证。人员位置的速度矢量图更加清晰地反映了热羽流对室内流畅的影响以及空气容易滞留的区域。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

图3X轴方向截面上的速度矢量(方案1)

4.2 冷辐射板置于地面

冷辐射板置于地面时，采用辐射供冷/置换通风的空调形式，房间内人员工作区的温度偏高，房间下部温度低，图4(a)表明人员活动区的温度在27.5～28.8 ℃范围内，也就是说，相同的供冷条件无法使房间达到舒适的温度，下部空气温度最低为25 ℃。在人员所在的位置(x=2.7 m处)，室内温度为26～28.2 ℃，温度最高处出现在人员周围的热羽流中。由于房间上部温度较高，热羽流现象不明显。在远离送风口的房间上部温度最高，远离送风口的人员周围，未出明显的温差。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

图4X轴方向截面上的温度分布(方案2)

当冷辐射板置于地面时，房间内的流场如图5所示，温度扩散方式主要依靠热对流，人员位置存在的向上气流是室内空气流动的主要诱因。低温新风沉于房间底部。从图5(b)中可以看出，人员周围产生了明显的热羽流，使得人员活动区上部空气可以较好的排出。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

图5Z轴方向截面上的速度分布(方案2)

由于房间上部空气温度较高，因此想使室内温度降低，就需要更低的辐射板温度或者送风温度，而受到房间舒适度及地板结露等因素的制约，房间下部温度不宜过低，因而在使用地面布置的冷辐射板时，需要进一步的考虑。

4.3 冷辐射板置于相对两墙壁上部

为了使房间内的环境更加均匀，在垂直壁面设置冷辐射板时，本文对面对面两垂直墙壁的情况进行研究。从图6的计算结果可以看到较为满意的温度情况：人员活动区的温度范围在25.3～26.1 ℃之间，热羽流的温度为26.6 ℃。房间整体的温度分层情况明显，在房间上部的湍流混合区，仍存在温度分层，且温度未超过27 ℃，达到了较好的供冷效果。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

图6X轴方向截面上的温度分布(方案3)

速度矢量反映的室内空气流动情况，从图7可见，较明显的空气流动出现在热羽流存在的位置，房间内其他位置的空气流速较小，置换通风的形式较好的呈现。冷辐射板置于相面对两面墙壁上侧时，房间上部空气混合现象较冷辐射板布置于顶部时更弱，因此房间上部的温度也较低。在离送风口远端的空间，空气流动明显，远端空气也能顺利地排出室外。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

图7Z轴方向截面上的速度分布(方案3)

4.4 冷辐射板置于相对两侧墙下部

如图8所示，当设置于两相对墙壁的冷辐射板置于墙壁下部时，房间内的温度范围略高于置于上部时的情况，为25.6～27.5 ℃。房间内的温度自下而上逐渐上升，出现了离送风口远端的活动区温度低于近端的情况。在人员所在的区域，热羽流的现象已不明显，热羽流处的温度为26.6 ℃。

结合图9的速度矢量图，x=2.1 m处靠近送风口侧空气流动弱，空气混合不明显，底部空气温度较低，与上部有明显的温差。在人员所在的截面，人员作为热源形成的上升热气流带动了周围空气的流动，然而置换通风没有很好的形成，房间上部的空气湍流浑浊区较大。

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

图8X轴方向截面上的温度分布(方案4)

(a)x=2.1 m截面

(b)x=3.3 m截面

图9Z轴方向截面上的速度分布(方案4)

通过上述分析可以发现，当冷辐射板的位置在房间上部(置于顶棚和置于墙壁上部)时，房间内的温度分布更令人满意，存在温度分层，但温度梯度较小，人员活动区的温度更加均匀。当冷辐射板置于房间下部(置于地板和置于墙壁下部)时，房间仍存在温度分层，但温度梯度很大，室内下部温度低，上部温度高，且上部的湍流浑浊区域大，这将影响舒适性以及室内空气质量。

比较冷辐射板置于房间上部的2种情况，顶棚布置的情况有较小的温度梯度，但上部的混合现象强，因此空气质量较差的混合区域也更大。垂直墙壁上侧布置时，温度分层更加明显和稳定，但温度梯度较顶棚布置时稍大。由于热羽流的温度较低，因此形成的空气对流更弱，使得热力分层高度上升，湍流混合区的位置更高、范围更小。人员活动区的温度低于冷辐射板置于顶棚的情况，这意味着提供相同的辐射板温度、面积以及新风，垂直墙壁上侧布置冷辐射板的情况供冷效果更好。

5 结论

(1)当冷辐射板置于办公室上部时，室内温度梯度小，具有较好的舒适性。其中，冷辐射板布置于垂直墙壁上部与布置于顶棚时，前者温度分层明显，湍流浑浊区小，室内空气质量优于后者；前者人体活动区的温度比后者低约1℃，相同的冷辐射板面积，前者具有更大的供冷能力。

(2)当冷辐射板置于办公室下部时，人体活动区空气对流明显。其中，将冷辐射板布置于地板的室内热环境情况不佳，人体活动区的温度高于设计温度(26 ℃)1～2 ℃，室内下部空气温度低、上部温度高，舒适度受到影响。而将冷辐射板布置于垂直墙壁下部时，靠近送风口的区域空气对流不明显，同一高度下，温度高于远离送风口的区域，辐射供冷效果不佳。

(3)垂直布置冷辐射板时，布置于墙壁上部和下部形成的不同室内热环境差异明显，前者条件下室内的温度分层明显，温度梯度小，热羽流稳定且湍流浑浊区域小、位置高，辐射供冷效果好。

在办公室环境中，结合置换通风系统，将冷辐射板置于上部空间可以得到最优的辐射供冷效果，综合考虑舒适性、空气质量和供冷效果，布置于垂直墙壁上侧最佳。

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Simulation Study on the Influence of Radiant Cooling Panel Layout on Office Thermal Environment

YANG Yu-jia，LIU Jin-xiang,NIU Xiao-feng， ZHANG Kai

(Nanjing Technology University)

Radiant cooling is often collaborated with displacement ventilation system to achieve good thermal comfort and energy conservation.When a radiant cooling/ displacement ventilation system is used in the office environment,the layout of the radiant cooling panels has effect on the indoor thermal environment.In this paper,simulations on the heat transfer process of four different layout ways of the radiant cooling panels in the office room,including in the ceiling,on the floor,on the upper-vertical walls and on the lower-vertical walls,were conducted by CFD method respectively via the software of Airpak.The corresponding indoor temperature field and flow field of the indoor air were obtained.Results show that among the four types of radiant cooling panel layout,the cooling efficiency of the case with the radiant cooling panels on the upper-vertical walls is the best,which has the smallest turbulent zone,the highest thermal stratification height and the lowest temperature in the occupied zone.

radiant cooling;displacement ventilation;temperature distribution;numerical simulation

1005-0329(2017)01-0077-05

2016-06-22

2016-08-24

国家自然科学基金项目(51406076)；江苏省自然科学基金项目(BK20140942)

TH138

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.014

杨雨佳(1992-)，女，在读硕士研究生，E-mail:yang.yujia@163.com。

刘金祥(1964-)，男，教授，通讯地址：210009 江苏南京市鼓楼区中山北路200号南京工业大学虹桥校区，E-mail:zeyaoliu@126.com。