基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统室内热环境模拟验证

张玉东

(甘肃省建筑设计研究院，甘肃 兰州 730030)

1 引言

在我国西北地区，夏季空气炎热干燥，室外空气含湿量低于室内设计参数下的含湿量值，蒸发冷却冷水机组可以提供18℃左右甚至更低的高温冷水，蒸发冷却新风机组对室外干燥空气进行处理，获得温度较低且相对室内空气比较干燥的新鲜空气[1-2]。辐射供冷/暖系统节能、卫生、舒适的特点已经得到广泛认可，但是受自身供冷能力和缺少新风的限制，需要将辐射供冷暖系统与其他空调系统结合，工位空调系统直接为人员工作区提供高品质的新鲜空气，个性化控制创造良好的室内环境[3]，由于直接为人员工作区提供新风，很容易使人产生冷吹风感，影响热舒适性，因此，将蒸发冷却技术和辐射供冷/暖、工位空调相结合形成基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统，是蒸发冷却技术在我国西北地区新的探索。

Ⅰ：蒸发冷却冷水机组 Ⅰ-1：蒸发冷却冷水机组间接一级 Ⅰ-2：间接二级 Ⅰ-3：蒸发冷却冷水机组直接蒸发冷却段 Ⅱ：蒸发冷却新风机组 Ⅱ-1：蒸发冷却新风机组过滤段 Ⅱ-2：蒸发冷却新风机组过滤段间接一级 Ⅱ-3：表冷段 Ⅱ-4：蒸发冷却新风机组过滤段直接蒸发冷却段 Ⅱ-5：再热段 Ⅱ-6：送风段 Ⅲ：辅助冷热源图1 基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统

已经对基于蒸发冷却的辐射供冷暖工位空调系统进行了理论分析、设计方法的探讨，本文利用Airpak软件模拟基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统室内热环境的方法，建立复合系统的室内热环境模型，并与实验数据进行对照[4]，探讨模拟方法的可行性。

2 系统的介绍

图1是基于蒸发冷却的辐射供冷/暖工位空调系统的结构示意图。蒸发冷却冷水机组Ⅰ夏季制取高温冷水，通过分集水器以供辐射末端装置，蒸发冷却新风机组制取新风送入室内工位空调末端装置，辅助冷热源Ⅲ在蒸发冷却无法满足制冷时开启，制取的低温冷水，一部分和蒸发冷却冷水机组Ⅰ制取的高温冷水相混合供给室内辐射末端，另一部分供给蒸发冷却新风机组Ⅱ表冷器制取新风。

3 系统的运行模式

夏季运行时，室外空气状态点在室内状态点左侧，如图2(a)所示，开启蒸发冷却冷水机组Ⅰ和蒸发冷却新风机组Ⅱ，通过蒸发冷却冷水机组间接一级Ⅰ-1可接室内回风预冷、间接二级Ⅰ-2喷淋水自循环、直接蒸发冷却Ⅰ-3制取高温冷水，调节三通阀P1，P2通过GS1，GS2水管接入分水器，吸收室内余热，沿HS2，HS1返回；蒸发冷却新风机组，通过过滤Ⅱ-1、间接一级Ⅱ-2预冷，间接二级Ⅱ-3，直接蒸发冷却Ⅱ-4制取新风通过SF风管送入室内，吸收室内余热余湿，经过排风口排出。

室外空气状态点在室内状态点右侧，如图2(b)所示，开启蒸发冷却冷水机组和蒸发冷却新风机组，同时开启辅助冷热源Ⅲ，调节三通阀P3，P4，P1，P2辅助冷源制取的低温冷水与蒸发冷却冷水机组制取的高温冷水混合通过GS2接入分水器，吸收室内余热，沿HS2返回。冷水机组制取的低温冷水通过GS5接入表冷段Ⅱ-3，蒸发冷却新风机组过滤段间接一级Ⅱ-2和蒸发冷却新风机组过滤段、直接蒸发冷却段Ⅱ-4为自喷淋，制取新风通过SF风管送入室内，吸收室内余热余湿，经排风口排出。

(a) (b) (c)图2 空调三种运行模式在焓湿图上的空气处理过程

过度季节运行时，蒸发冷却冷水机组开启，通过蒸发冷却冷水机组间接一级Ⅰ-1预冷、间接二级Ⅰ-2喷淋水自循环、蒸发冷却冷水机组直接蒸发冷却Ⅰ-3的部分设备或仅用冷却塔制取高温冷水，调节三通阀P1，P2通过供水GS1，GS2水管接入分水器，吸收室内余热，沿回水HS2，HS1返回蒸发冷却冷水机组。开启蒸发冷却新风机组，通过蒸发冷却新风机组过滤段Ⅱ-1、蒸发冷却新风机组过滤段间接一级Ⅱ-2预冷，表冷段Ⅱ-3，蒸发冷却新风机组过滤段、直接蒸发冷却段Ⅱ-4制取新风通过送风SF风管送入室内，吸收室内余热余湿经排风口排出。

冬季运行时，如图2(c)所示，热源提供低温热水，调节三通阀P3，P4，一部分通过GS3，GS2水管直接向辐射末端供热，沿HS2，HS3返回热源，另一部分通过GS4，GS5，GS6水管调节三通阀P5，P6供给蒸发冷却新风机组表冷段Ⅱ-3和再热段Ⅱ-5沿HS5，HS6，HS4返回，表冷段Ⅱ-3制取新风送入房间。

4 模型建立

选取Airpak2.0.6模拟辐射供冷复合系统的室内热环境，建立测试空调房间的CFD模型，房间尺寸与实际尺寸一致，为了简化问题，作以下假设：

(1)假设辐射供冷时，辐射表面温度均匀，壁面温度采用复合系统稳定后测得的各个壁面温度的算术平均值；

(2)室内完全密封，不存在外界空气渗透；

(3)空气属于粘性流体，流动为稳态湍流；

(4)房间内空气属于常温，常压，低速流动，视为不可压缩流体，考虑浮升力的影响，在密度选项中选择Boussinesq模型处理由于温差而引起的浮升力项，将温度变化引起的密度变化考虑到动量方程中，选用k-ε两方程模型作为紊流附加方程。

模拟房间的物理模型见图3。房间内的主要负荷分别来自室内的电脑、人员、荧光灯等。置换通风器布置在东北墙角下，该置换通风器的实际表面形状是1/4圆弧，在模型中简化为分别向两个垂直方向送风的两个等面积送风平面。回风口设置在南墙的上部，人员采用Airpak默认的坐立姿势，表1列出了室内模型的简化几何尺寸。

图3 房间物理模型布置图

表1 模型几何尺寸及数量

序号几何体数量(个)尺寸(m)功率(W)1房间13.9×2.6×2.92电脑10.4×0.4×0.41803荧光灯11×0.1×0.1724送风口20.1×0.25回风口10.4×0.4

5 模拟结果

采用本文研究的内容属于有限空间内的对流问题，采用 Boussinesq 假设处理由于温差而引起的浮升力项，用 Boussinesq 假设简化后的k-ε湍流方程模型，等边六面体网格划分，将送风口d=0.16m简化为0.1m×0.2m，对送风口、排风口、室内热源等位置适当加密网格，网格数为286024个，图4～图7为实验值与模拟值的比较。

图4 人体前部温度对比

图5 人体后部温度对比

6 结论及分析

通过对设计工况下的基于蒸发冷却的辐射供冷/暖与工位空调复合系统在办公建筑中应用时的室内热环境进行模拟，发现复合系统设计方法计算的风量、风速满足热舒适性要求，在室内风速分布均匀，人员工作区风速小于0.3m/s。提高桌面工位空调送风温度和提高辐射顶板的温度之后，室内的热环境并没有变的偏热或不舒适，反而室内的温度分布更为合理，热舒适性更好，人员的满意率提高。提高桌面工位空调送风温度和提高辐射顶板的温度，可以减少复合空调系统的能耗，降低了蒸发冷却新风机组的出风温度和高温冷水机组的出水温度的要求，扩展了蒸发冷却的适应性区域，可以使蒸发冷却应用于更为广阔的领域。

图6 人体前部速度对比

图7 人体后部速度对比