某实训楼辐射空调系统供冷的热湿环境模拟研究

曹振 傅允准

摘要：为了研究辐射空调系统供冷工况下送风方式对室内热湿环境的影响，采用数值模拟的研究方法进行相关研究。以上海市某高校的一个实验室为研究对象，利用天正暖通软件对该房间进行负荷计算，得到其冷负荷及湿负荷，根据计算结果设计了辐射吊顶以及新风系统，其中送风方式分为顶板送风和地板送风。利用Airpak建立模型并模拟分析在辐射吊顶供冷与这两种送风方式新风复合系统联合运行下房间内温度特性分布、相对湿度特性分布及风速特性分布，并对采用这两种送风方式的辐射空调系统的结露特性进行对比分析。研究结果表明，采用地板送风比采用顶板送风室内温度和相对湿度分布更均匀，风速也更符合设计标准。此外，采用地板送风比采用顶板送风的辐射吊顶发生结露的风险更小。本项研究结果可为用于供冷的辐射空调系统的设计、风口位置的布置及辐射空调系统的在中国南方地区的推广应用提供一定的参考价值。

关键词： 负荷计算; 模拟分析; 温度特性分布; 湿度特性分布; 结露特性分析

【Abstract】 In order to study the relationship between the indoor heat and humidity environment and the air supply mode under the radiant cooling system， numerical simulation method is used to research. A laboratory of a university in Shanghai is used as the research object， and the load calculation of the room is performed by Tianzheng HVAC software. The radiation ceiling and the fresh air system are designed according to the calculation results， and the air supply mode including ceiling air supply and floor air supply. The model is built by Airpak software. And the temperature distribution， relative humidity distribution and wind speed distribution in the room under the radiant cooling system and the two air supply modes are also analyzed by Airpak software. The condensation characteristics of the two air supply methods are compared and analyzed. The research results show that temperature and relative humidity distribution of floor air supply is more uniform than that of ceiling air supply， and the wind speed of floor air supply is more in line with the design standard. In addition， there is less risk of condensation on the radiant panel using floor air supply. The results of this study can provide some reference value for the design of radiant air conditioning system for cooling， the layout of air inlet location and the promotion and application of radiant air conditioning system in the south of China.

【Key words】   load calculation; simulation analysis; temperature distribution; humidity distribution; condensation analysis

0 引 言

過度使用化石燃料带来的能源紧张与环境污染问题越来越严重，为此，中国政府在“十二五”期间提出了单位GDP能耗下降16%的要求[1]。在各个行业中建筑行业的能源消耗量比较大，中国的建筑行业对能源的消耗比例接近1/3[2]。而在建筑能耗中，暖通空调的能耗比例最大，占建筑总能耗的65%左右[3]，辐射空调系统具有节能和舒适高的优点，受到了国内外科研工作者的广泛关注[4]。辐射空调属于温湿度独立控制空调系统，与传统集中空调系统相比，辐射空调系统的节能可达30%左右[5-8]。Imanari等人[9]对日本东京某办公楼的办公室进行了研究，通过对顶板辐射供冷系统进行能耗模拟，结果发现顶板辐射系统比全空气系统节省10%的能耗，此外，房间内垂直温度梯度比较小，人体感觉比较舒适，后来通过实验验证了模拟结果的正确性。

辐射空调系统通常是由辐射末端与独立新风系统联合运行工作，目前使用最多的送风方式是地板送风和顶板送风，对于这两种送风方式对辐射空调系统供冷性能的影响，有学者进行了相关的研究。王亮等人[10]利用了实验与数值模拟相结合的方法分别研究了地送风和踢脚送风与地板辐射供冷相结合时室内的温度及风速分布情况，结果表明踢脚送风与地板供冷的结合方式可以使人体获得更高的热舒适性。张岩[11]通过数值模拟的方法研究了单独使用辐射吊顶供冷和地板送风与辐射吊顶联合供冷的运行特性，研究发现，单靠辐射吊顶供冷会发生结露，而吊顶与地板送风结合后不仅不会发生结露，而且室内舒适性较高。袁永莉等人[12]通过数值模拟与实验结合的方法研究了地板送风与辐射吊顶夏季供冷时室内的温度梯度情况，结果发现高度2.0～2.7 m范围内温度梯度变化剧烈。王玮等人[13]通过研究了地板送风与置换送风在住宅内的应用发现，与地板送风相比，置换通风能够更好地达到室内的温度要求。尽管关于地板送风及顶板送风的研究都不少，然而却没有对辐射吊顶分别与地板送风和顶板送风的联合供冷运行特性的对比分析研究，地板送风与顶板送风作为比较常用的2种送风方式，缺少相关研究就使得空调设计人员在设计送风口的位置时会缺少参考，因此有必要进行该项研究。

本次研究采用数值模拟的研究方法，这是由于数值模拟的方法具有变量因素都是可控的，而且可以避免干扰因素对研究结果的影响的优点，这里以上海某高校的一间实验室为研究对象，本次主要模拟了稳态时地板送风与顶板送风室内的温度、相对湿度以及气流速度等等，模拟结果以竖直方向和水平方向的云图展现。根据模拟结果得出这两种送风方式中舒适性更高、结露风险更小的送风方式。研究成果可以为辐射空调系统的设计及风口布置提供参考，同时也是对辐射空调系统领域研究的有力补充。

1 负荷计算

1.1 相关参数

该实验室位于实训楼的第一层，房间的面积为33.6 m2，南侧、北侧和西侧墙体为内墙，东侧墙体为外墙和外窗，房间长8.4 m，宽4 m，高3.1 m。上海室外气象参数和办公楼的室内设计参数见表1、表2。

1.2 计算结果

采用天正暖通软件按逐时法计算夏季房间内冷负荷和湿负荷，计算结果为室内冷负荷为3 486 W，湿负荷为332.1 g/h。

2 系统设计

房间的空调系统采用的是辐射吊顶与独立新风系统相结合的空调系统，辐射吊顶主要由辐射金属板组成。

2.1 辐射吊顶设计

辐射吊顶采用的是某公司标准化定制的辐射板，单块辐射板尺寸为1.2 m×0.6 m，本项目中辐射板单位辐射板面积换热量为85.62 W/m2，则单块板换热量为61.65 W，房间内布置辐射板的数量为39块，辐射吊顶承担的显热负荷为 2 404.35 W，新风承担的显热负荷为1 081.65 W。

2.2 新风系统设计

由给定参数可知，房间内人员密度为0.1人/m2，房间面积为33.6 m2，则房间内人数为3.36人，取人数为4人。由于新风承担的显热负荷为1 081.65 W，承担湿负荷为332.1 g/h，取送风状态点O的含湿量为10 g/kg，则可根据焓湿图得到室内状态点及送风状态点的具体参数，按消除显热负荷所需风量为207 m3/h，此新风量消除余湿负荷的能力为422.28 g/h，由上文可知，室内的余湿负荷为332.1 g/h，计算结果大于室内的余湿负荷，可以满足除湿要求。总新风量207 m3/h，也满足人均新风量30 m3/（h·p）的要求。

3 数值模拟

Airpak模拟采用了软件为Fluent公司开发的Airpak模拟软件，该软件具有面向对象的建模功能，有很多模块可以自行选择，如：房间、墙壁、送风口、排风口、人体等，而且对紊流、层流、稳态、瞬态问题均适用，同时采用FLUENT求解器进行求解，采用有限体积法对控制方程进行离散，求解速度较快，计算结果准确。Airpak软件的模拟结果包括了室内温度场、速度场、空气龄、气流组织、PMV-PPD等，方便用户对房间进行全面综合的评价。

3.1 物理模型

房间模型的具体尺寸是根据房间的真实尺寸确定的，其尺寸为8.4 m（x）×4 m（z）×3.1 m（y），该办公室的吊顶由3排金属辐射板构成，每一排板数为13块，单块金属板的尺寸为1.2（m）×0.6（m）。为简化模型，建模时将每一排相连的13块辐射板简化成一整块板，建立的模型如图1所示。

3.2 数学模型

假设室内流体为稳态、不可压缩流体，流动的方式为湍流，由于此模型中考虑因密度差引起的自然对流问题，因此在模拟中启用浮力模型[14]。本模拟中采用质量连续性方程、动量方程、能量方程及标准模型。研究内容详见如下。

3.5 网格划分

采用六面体非结构化网格对模型进行网格划分，对空调区域做网格局部加密处理，对非空调区域做稀疏处理，X方向网格单元最大尺寸为0.415 m，Y方向网格单元最大尺寸为0.155 m，Z方向网格最大单元尺寸为0.2 m，地板送风模型的网格单元数为107 016，网格节点数为116 090;顶板送风模型的网格单元数为100 737，网格节点数为109 618。

4 模拟结果

模拟结果选取了2种工况下y=1.5 m水平面的温度分布、相对湿度分布、风速大小分布以及z=-2.1 m竖直面的温度分布、相对湿度分布、风速大小分布。y=1.5 m高度跟人体的头部大致相当，选取此平面分析更具有代表性。同时也绘制出了2种工况下距南墻不同距离的温度和相对湿度变化情况以及距地面不同高度的温度和相对湿度变化情况。

4.1 室内温度场

地板送风与顶板送风室内温度分布如图3和图4所示。

图3（a）和图4（a）为地板送风和顶板送风y=1.5 m水平截面房间内温度分布图，由两工况温度分布图可以看出，靠近人体和电脑的区域温度都略高于其他区域的温度，室内区域整体温度为25 ℃左右，温度分布比较均匀。地板送风房间左侧区域温度为25.3℃左右，而顶板送风室内左侧区域温度为24.6 ℃左右，比地板送风温度偏低。图3（b）和图4（b）为地板送风和顶板送风z=-2.1 m竖直截面房间内温度分布图，由图中的数据可知，房间内整体温度在24 ℃～25 ℃，竖直方向靠近辐射板附近区域温度较低。地板送风室内下方的温度较低，均为24 ℃左右，竖直方向温差为1 ℃左右，顶板送风房间内整体上竖直方向温度分布均匀。根据国际标准ISO 7730，对于房间高度方向每米温差不能超过3 K时人体才能够得到舒适性，所以模拟结果表明该系统满足人体舒适度的要求。

4.2 室内湿度场

地板送风与顶板送风室内相对湿度分布如图5和图6所示。

图5（a）和图6（a）为地板送风和顶板送风工况y=1.5 m高度水平面的相对湿度分布图，从图中数据可以发现2种工况室内大部分区域相对湿度范围在57.5%～61.5%，其中地板送风室内左侧区相对湿度为58%左右，右侧区域相对湿度为60.5%左右。顶板送风室内左侧区域相对湿度为61%左右，而右侧区域为60%左右。图5（b）和图6（b）为地板送风和顶板送风工况z=-2.1 m位置竖直面相对湿度分布图，由图可知，地板送风房间下方靠近地板区域的相对湿度在64%～65%左右，上方大部分区域的相对湿度为60%左右。顶板送风室内只有送风口下方部分区域的相对湿度偏高为62%左右，其他区域均为60%左右。

4.3 室内风速分布

地板送风与顶板送风室内风速分布如图7和图8所示。

图7（a）和图8（a）为地板送风和顶板送风y=1.5 m平面风速分布，由图可看出，风速的大部分在0.05 m/s到0.1 m/s之间，其中地板送风室内整体风速分布均匀，顶板送风室内送风口附近区域风速较大，风速最大值达到了0.5 m/s。图7（b）和图8（b）为地板送风和顶板送风z=-2.1 m竖直截面风速分布，由图可知两工况下室内风速大部分在0.02 m/s～0.1 m/s左右，地板送风室内风速分布比较均匀，室内靠近进风口区域风速为0.18 m/s左右。根据文献[14]中设计要求，室内风速不宜太大，夏季室内设计风速v≤0.30 m/s，所以地板送风更加满足要求。

4.4 温湿度变化分析

地板送风与顶板送风室内温湿度变化趋势分别如图9和图10所示。

南墙为玻璃幕墙，图9（a）为y=1.5 m水平截面温湿度变化，由图9（a）可知，随着与玻璃幕墙之间距离的逐渐增加，室内温度从25.5 ℃缓慢降低至25 ℃，降低的幅度为0.5 ℃左右，相对湿度则从60%缓慢上升至63%，升高幅度为3%左右;图9（b）为z=-2.1 m竖直截面温湿度变化，由图9（b）可知，随着与地面的距离的增加，室内温度从24.5 ℃缓慢降低至22.5 ℃，降低幅度为2 ℃左右，相对湿度从62%逐渐上升至67%左右，靠近辐射板时又迅速降低至60%左右。

图10（a）为y=1.5 m水平截面温湿度变化，由图10（a）可知，随着与玻璃幕墙之间距离的逐渐增加，室内温度从24.5 ℃缓慢升高至25.5 ℃，升高幅度为1 ℃左右，相对湿度则从63%缓慢降低至60%，降低幅度为3%左右;图10（b）为z=-2.1 m竖直截面温湿度变化，由图10（b）可知，随着与地面的距离的增加，室内温度先在25 ℃左右保持稳定，接近辐射板时温度则迅速降低，高度为2.9 m时温度仅为22 ℃左右，室内相对湿度在60%左右保持稳定，靠近辐射板时相对湿度缓慢上升至62%左右。

4.5 结露分析

为了研究表明辐射吊顶是否结露主要受到辐射吊顶贴附层（距离辐射板0.01 m）空气参数的影响，因此选取辐射吊顶贴附层（距离辐射板0.01 m）内12个测点位置进行研究，对辐射空调系统以地板送风方式和顶板送风方式辐射板的结露情况进行分析[15]。测点位置如图11所示，2种送风方式的露点温度与辐射板温度如图12所示。

由图12可知，室内辐射吊顶的温度稳定在19 ℃，地板送风和顶板送风的露点温度都比较稳定，地板送风的露点温度为11.5 ℃左右，顶板送风的露点温度为12 ℃左右，地板送风和顶板送风的露点温度都远低于辐射板温度，所以在辐射空调系统稳定运行时，采用这两种送风方式辐射板均不会出现结露现象，而地板送风贴附层露点温度比顶板送风贴附层露点温度低0.5 ℃左右，所以采用地板送风出现结露现象的风险更小。

5 结束语

通过对地板送风和顶板送风的辐射吊顶供冷空调系统的模拟研究，得出了以下结论：

（1）从温度分布来看，地板送风房间温度与顶板送风房间温度分布范围基本相同，均为24.5 ℃～25.5 ℃，而由温度变化可以发现，从南墙到北墙以及从地面到辐射吊顶，顶板送风房间内温度逐渐降低，降低幅度较大，地板送风温度变化则很小，温度比较稳定。所以相比较顶板送风而言，地板送风室内温度更加均匀。

（2）从相对湿度分布来看，地板送风与顶板送风房间内相对湿度平均值为60%左右，由湿度变化则可以看出，从南墙到北墙，顶板送风和地板送风室内相对湿度都比较稳定。而从地面到辐射吊顶，地板送风室内相对湿度逐渐升高，顶板送风室内相对湿度则比较稳定。

（3）从风速分布来看，顶板送风的进风口下方部分区域风速超过0.3 m/s，风速最大值达到了0.5 m/s，地板送风室内风速分布比较均匀，室内靠近进风口区域风速为0.18 m/s左右，所以使用地板送风比顶板送风可以获得更高的人体舒适性。

（4）地板送风和顶板送风的露点温度都远低于辐射板温度，所以在辐射空调系统稳定运行时，采用这两种送风方式辐射板均不会出现结露现象，但地板送风的贴附层内露点温度比顶板送风贴附层内露点温度更低，所以采用地板送风出现结露现象的风险更小。

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