辐射供暖方式室内热环境模拟
2018-03-21黄小君
黄小君
辐射供暖方式室内热环境模拟
黄小君
(中国建筑西南设计研究院有限公司 成都 610041)
以辐射供暖房间为例,通过使用CFD软件Airpak数值模拟的方法,建立三种不同方式的辐射供暖空调系统模型,对三种辐射供暖空调系统运行情况下的室内空气速度场,温度场情况进行模拟分析对比。结果表明三种情况下室内空气速度均能达到热舒适要求,其中当辐射板布置在地板时,得到更均匀的室内空气温度场。
辐射供暖;空气温度场;空气速度场;计算流体力学
0 引言
随着现代化科学技术的发展,人们在室内的时间不断增加,人们对室内环境的要求也越来越高,这使得学者们很重视对暖通空调系统的研究。辐射空调末端无论是在节能方面还是在保证室内空气质量方面都具有一定的优势,被认为是实现舒适与节能的空调新技术,具有一定的发展潜力[1,2]。
在辐射供暖方面,刘艳峰[3]等通过建立供暖房间内空气对流二维空气湍流流动与传热数学模型,利用PHOENICS3.3计算软件对低温辐射供暖房间和散热器供暖房间的温度场进行仿真模拟,结果反映出低温地板辐射供暖房间的室内热环境优于散热器供暖房间。刘成林等[4]根据室内空气和围护结构内表面的热平衡,建立描述采暖房间室内传热过程的热网模型,对采暖空间热环境动态分析和采暖系统能耗分析评价,得出低温热水地板辐射采暖系统的性能和能耗指标随相关参数变化规律。杨进 等[5]利用Fluent软件,以计算流体力学和传热学为基础,建立了四种不同的供暖方式(顶棚辐射供暖、地板辐射供暖、散热器供暖、空调供暖)的数学模型,运用SIMPLE方法对室内热环境进行了三维数值模拟,结果表明散热器供暖和辐射供暖各有特点,辐射供暖在热舒适性显示了其优势,而空调供暖是一种不宜采用的供暖方式。王丽丽[6]等对地板辐射采暖方式和散热器采暖方式、风机盘管加新风系统采暖方式分别进行了对比研究,研究结果表明地板辐射采暖比其他两种方式节能,通过模拟发现,顶板辐射采暖和供冷共用一套系统可以实现夏季供冷、冬季供暖的要求。高艳娜[7]等对成都地区一户式空气源热泵毛细管地板辐射采暖系统运行工况进行测试,测得了间歇运行模式下毛细管地板辐射采暖运行特性、规律以及室内热湿环境参数,并以所测参数为基础,对毛细管辐射采暖的热舒适性从一般热舒适性指标和局部热舒适性指标两方面进行分析。
本文将对地板式、墙面式以及顶板式三种辐射板供暖布置形式进行研究,采用CFD软件Airpak对系统进行数值模拟,对三种布置方式下的室内空气温度场和速度场进行比较,为工程设计提供参考依据。
图1 模拟房间几何模型
1 模拟房间几何模型
进行模拟计算的空调房间实验房间位于湖南省长沙市,如图1所示;房间大小为4.3m×3.4m×3.1m,南墙为外墙,其余均为内墙,且相邻房间均为空调房间。北墙上开有尺寸为0.9m×2.1m的内门,北墙上开尺寸为1.5m×2.1m的外窗。房间中心有一大小为0.15m×0.9m×0.3m的内热源代表室内人体散热。
2 模拟计算条件
为了简化模型和计算,本文需在以下条件下进行模拟:
(1)室内空气流态设定为稳态湍流;
(2)室内空气为不可压缩气体且Boussinesq假设需考虑重力作用;
(3)由于相邻房间均为空调房间,内墙的传热量与室内热负荷相比可以忽略,所以模拟时将内墙和内门均设定为绝热条件;
(4)由于内热源表示室内活动的人,故采用固定表面温度方法;
(5)其余边界条件见表1。
表1 模拟边界条件
3 模拟数学模型
采用CFD软件AIRPAK进行模拟计算,把能量方程、连续性方程、动量方程写成式(1)所示的通用控制方程形式[8]:
4 模拟结果分析
根据上文中的模拟计算条件和边界条件,对三种不同的辐射板布置供暖形式模型进行模拟分析。取房间内穿过内热源的中心竖直界面=1.65m和房间距地面高0.6m处(=0.6m)水平截面作为分析面,分别模拟三种情况下空气温度和室内风速的水平分布和竖直分布情况,比较其热环境。三种不同情况下=1.65m截面上的温度分布如图2所示。
图2 辐射墙面侧板供暖(上)、辐射顶板供暖(中)、辐射地板供暖(下)情况下,Z=1.65m截面处室内空气温度分布图
在竖直方向上,三种情况下均出现温度分布分层现象,其中顶板供暖较为明显,侧板供暖次之,地板供暖分布较为均匀。这是由于热空气密度较低的缘由,在顶板供暖时热空气向上沉积,导致较大的温度分层。但三种情况下房间中心处空气垂直温差在0.4℃左右,在民用建筑室内热湿环境评价标准[9]中的规定,在人体活动区域,竖向温度差在3K左右满足热舒适要求。
三种不同情况下=1.65m截面上的室内风速分布如图3所示。
图3 辐射墙面侧板供暖(上)、辐射顶板供暖(中)、辐射地板供暖(下)情况下,Z=1.65m截面处室内风速分布图
从图中可以看出,由室内热源产生的热羽流和由于靠近外围护结构部分空气温度相对较低与周围空气产生密度差导致的流动是室内的主导气流。室内大部分区域内的风速小于0.2m/s,满足民用建筑室内热湿环境评价标准[9]的规定,不会使人感觉到吹风感,只有在内热源上方小部分区域内由于热羽流左右产生漩涡,漩涡中心分数超过0.2m/s。在房间下部,热源与外围护结构壁面之间区域由于周围空气温度差相对较大,导致风速相对较大。
三种不同情况下=0.6m截面上的室内空气温度分布如图4所示。
图4 辐射墙面侧板供暖(上)、辐射顶板供暖(中)、辐射地板供暖(下)情况下,Y=0.6m截面处室内温度分布图
从图中看出在水平方向上,顶板供暖方式条件下的温度场分布较为不均匀,侧板供暖和地板供暖相对较为均匀。在顶板辐射供暖的靠近外围护结构部分区域和在侧板供暖情况下一侧侧板附近区域内温度偏低。但在室内主要活动区域内,三种情况下水平方向上的室内空气温度差均在1K左右,满足民用建筑室内热湿环境评价标准[9]的规定,基于满足热舒适的要求。
三种不同情况下=0.6m截面上的室内风速分布如图5所示。
图5 辐射墙面侧板供暖(上)、辐射顶板供暖(中)、辐射地板供暖(下)情况下,Y=0.6m截面处室内风速分布图
从图中可以看出,在水平方向上,三种情况下大部分区域内的风速均在0.1m/s以下,满足民用建筑室内热湿环境评价标准[9]的规定,不会使人感觉到吹风感。只有在热源附近由于热羽流和靠近外围护结构部分空气温度相对较低与周围空气产生密度差导致的风速偏大。其中在地板辐射供暖条件下,由于靠近供热源,水平风速分布左右对称性较好,较为均匀。
5 结论
综合本文上述模拟分析结果可以得到,在三种不同辐射供暖布置方式下,室内空气温度的垂直和水平温差较小均能达到相关标准,室内大部分区域内空气风速在0.2m/s以下达到相关标准,由此可以反映出辐射供暖在室内热环境上的优势。
其中顶板辐射供暖由于热空气密度较低的缘由,热空气向上沉积,导致出现温度分层现象较为明显,是三种布置方式中温度分布情况较差的一种。地板辐射供暖条件下,整个房间内温度分布和风速分布较为均匀,人体舒适性最高,是最佳的布置方式。
[1] 刘剑.辐射空调系统应用及发展现状研究[J].建筑节能与绿色建筑,2016,14(23):82-83.
[2] 魏稷,吴薇兰.工业废热在地面辐射供暖中的利用[J].制冷与空调,2014,(6):654-657.
[3] 刘艳峰.采用散热器和低温地板辐射供暖的室内热环境与能耗研究[J].能源技术,2004,25(1):27-30.
[4] 刘成林.低温热水地板辐射采暖系统的节能性分析及系统的优化设计[D].长沙:湖南大学,2003.
[5] 杨进.辐射采暖热舒适研究[D].武汉:华中科技大学,2006.
[6] 王丽丽.辐射板供冷供暖的模拟研究[D].北京:北京工业大学,2008.
[7] 高艳娜,全柏铭.成都地区毛细管采暖系统运行特性与热舒适性分析[J].制冷与空调,2014,28(2):107-111.
[8] 王献孚,熊鳌魁.高等流体力学[M].武汉:华中科技大学出版社,2003.
[9] GB/T 50785-2012,民用建筑室内热湿环境评价标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
Numerical Simulation of Radiation Heating Mode Indoor Thermal Environment
Huang Xiaojun
( China Southwest Architectural Design and Research Institute Co., Ltd, Chengdu, 610041 )
Based on the radiation heating room, by using the method of numerical simulation CFD software Airpak, set up three different radiant heating and air conditioning system models, in three kinds of radiation heating and air conditioning system running situation, compared the simulation analysis of indoor air velocity field, air temperature field. The results showed that the indoor air speed can meet the thermal comfort requirement in three conditions, and the radiant panel is arranged on the floor can obtained a more uniform indoor air temperature field.
Radiation heating; Air velocity field; Air temperature field; Computational fluid dynamics
1671-6612(2018)01-078-04
TU832.1
A
黄小君(1988.11-),男,硕士,助理工程师,E-mail:xiaojunhuang1988@sina.com
2017-08-03