基于CFD的低温送风冷辐射吊顶空调系统设计研究

（上海应用技术大学 城市建设与安全工程学院，上海 201418）

0 引言

作为一种新型的空调系统，辐射供冷系统中辐射传热所占的份额在50%以上［1］，因此采用冷辐射吊顶时室内设计温度可比传统空调系统高1～2 ℃［2］，并且辐射空调系统还具有极低的噪声、舒适的吹风感、卫生性好等优点［3］。但辐射供冷也同时存在着供冷能力不足、无新风和易结露等缺点［4］。根据标准，当室内温度为26 ℃时，计算露点温度对应为17～20 ℃［5］。因此辐射吊顶表面的温度若高于20 ℃，则不会产生结露风险。利用低温送风系统可以承担一部分的室内冷负荷，从而提高吊顶辐射板供冷温度。低温送风空调系统较于常规空调系统，送风温度可由15～18 ℃降低至 4～13 ℃［6］，由于送风温度低，去湿能力加强［7］，可以使室内相对湿度保持在较低的范围内，从而减少冷辐射吊顶结露的风险，同时可以解决冷辐射吊顶供冷量不足及无新风的问题，并且较低的相对湿度能使人体感到更舒适。但是由于送风温度较低，室内容易产生冷风过快下坠导致热舒适性差的情况［8］。根据研究发现，低温送风口的送风角度对冷风下坠会有很大改善。

为了研究在冷辐射吊顶和低温送风技术结合时，顶送风角度对室内的热舒适性的影响，本文设计一种冷辐射吊顶+低温顶送风空调系统的办公室模型，采用CFD模拟软件FLUENT 2019R1对办公室内的温度分布和空气流场进行模拟计算，并分别模拟送风温度为11 ℃与13 ℃时，不同送风角度对室内热舒适性的影响。

1 数值计算模型

1.1 房间模型

本文所研究的模型取自上海某办公室，房间尺寸为7 m×6 m×3 m。房间内主要热源是人体和电脑设备，日光灯白天一般不开因此不予考虑，另外还有办公桌和椅子等用品。房间围护结构为南面外墙，其它为内墙和地板，为简化模型将顶板设定为冷辐射吊顶且表面温度均匀，室内送风方式为上送下回，低温送风口位于房间顶部中间位置，回风口位于房间北墙下侧，为防止地板灰尘被吸入风口，将风口高度设置为0.4 m，房间整体模型如图1所示。

图1 房间模型

1.2 低温风口模型

为模拟低温送风口，将浙江某公司生产的射流低温送风口进行改进设计，其送风口剖面如图2（a）所示，其中有4种不同角度的侧板，送风角度为侧板与垂直地面方向的夹角，下侧挡板随送风角度的增大而加长。

此次为方便模拟计算，低温送风口简化为2个495 mm×100 mm的矩形风口，如图2（b）所示，回风口尺寸为450 mm×100 mm。

图2 风口模型

1.3 数学模型

在模拟过程中因考虑对流换热和辐射换热，采用是基于有限容积法的标准k-ε、双方程模型+离散坐标辐射DO模型。

k-ε双方程模型湍流动能k方程：

湍流耗散率ε方程：

DO模型辐射运输方程：

室内气体为低速的不可压缩气体，流动为稳态紊流，并符合Boussinasq假设，即默认流体的密度变化只对浮升力产生影响［9］，空气基准密度取1.225 kg/m3；假定所模拟的办公室室内气密性良好，不考虑漏风影响。

2 计算参数设置

边界条件的设置如下：

（1）设计温度：室内设计温度为27 ℃。

（2）入口边界：送风口定义为速度入口，风速为0.5 m/s；入口与竖直方向的夹角分别为30°、45°、60°、75°。

（3）出口边界：回风口定义为自由出流。

（4）壁面边界：南面墙壁温度为305.15 K，北墙温度为300.15 K，与空调房间相连的均视为绝热壁面，地板视为绝热面，辐射吊顶设为恒温295.15 K；人体设为恒温310.15 K，电脑温度为310.15 K。

各边界的物性参数如表1所示。

表1 边界物性参数

3 模拟结果与分析

3.1 室内温度场分析

办公室的工作区高度为0.1～1.5 m，而人体最敏感的部位是头部，办公室内人坐姿的时候头部的高度大约为1.1 m，因此截取高度Z=1.1 m时的室内温度场来判断热舒适性。图3（a）～（h）分别示出了送风温度11 ℃和13 ℃时4个不同送风角度的温度场。

图3 2种送风温度时（11，13 ℃）时不同送风角度的温度场

从图可知：

（1）送风温度为13 ℃时的温度场整体比送风温度为11 ℃时更为均匀，室内热舒适性更佳。

（2）当送风角度为30°时，2种送风温度都有明显的“冷风”下坠现象，送风温度11 ℃的温度场最不均匀，工作区温度梯度最大。

（3）当送风角度为45°时，2种送风温度都有较为明显的“冷风”下坠现象，送风温度11 ℃时的温度场相比13 ℃时更为不均匀，温度梯度更大。

（4）当送风角度为60°时，2种送风温度都有轻微的“冷风”下坠现象，送风温度11 ℃时的温度场相比13 ℃时略微不均匀，但是温度梯度主要集中在送风口下侧，房间内工作人员周围温度场较均匀。

（5）当送风角度为75°时，2种送风温度均未出现“冷风”下坠现象，室内温度场均匀，没有温度分层现象和涡流区，温度梯度不明显。

根据仿真模拟结果可知，75°送风角度时温度场最均匀，室内热舒适性依次为送风角度75°＞65°＞ 45°＞ 30°。

3.2 室内速度场分析

图4中（a）～（h）示出了送风温度分别为11，13 ℃时4个不同送风角度的速度场。从图可看出：

（1）由于太阳辐射的原因南墙周围速度梯度较大。送风温度13 ℃的速度场整体比送风温度11 ℃时更为均匀，空气流速更小，室内热舒适性更佳。

（2）当送风角度为30°时，2种送风温度下都有明显的“冷风”下坠现象，工作区靠近送风口区域的空气流速大，并且两个出风口的冷空气下坠产生的漩涡集中成一个大漩涡，会对周围工作人员造成明显的不舒适感。

（3）当送风角度为45°时，2种送风温度下工作区送风口附近风速依旧较大，但是其他区域的空气流速较为平稳。

（4）当送风角度为60°时，2种送风温度下工作区送风口附近的大漩涡分为了2个小漩涡，并且流速明显变小。当送风角度为75°时，两种送风温度下工作区送风口附近的2个漩涡面积明显减小，整个房间的空气流速均不超过0.3 m/s。

根据仿真模拟结果可知，当75°送风角度时，速度场最均匀，室内空气流速最小，2种送风温度下均满足舒适性标准。

图4 不同角度的速度场

图5示出了送风角度为75°时，2种送风温度（11，13 ℃）时的室内空气流线，流线的分布情况代表空气流场的好坏，流线的颜色代表空气流速的大小。从图中看出，2种送风温度下空气流动均主要集中在房间上侧，工作区人体附近空气流动较为均匀，流速较小。在送风温度11 ℃时，房间左上角有漩涡产生，送风口下侧区域流速相比送风温度13 ℃时较大。因此在送风角度75°时，送风温度13 ℃的空气流场比11 ℃时更好。

图5 75°送风角度不同送风温度时的室内流线

4 试验论证

4.1 有效风感温度和空气分布特性指标

（1）有效风感温度（EDT）。EDT反映的是在某一气流组织下的冷热舒适指标。当EDT=0时，表示该环境是热中性的；EDT＜0表示有冷感；EDT＞0表示有热感。当-1.7＜EDT＜+1.1，同时风速v＜0.35 m/s时，多数人感觉舒适；当EDT＜-1.7时表示有冷吹风感；当EDT＞+1.1时表示有热吹风感。

EDT计算式为：

式中 ti——工作区测点的空气温度，℃；

tn——室内温度，℃；

ui——测点的空气流速，m/s。

（2）空气分布特性指标（ADPI）。ADPI表示工作区内-1.7＜EDT＜+1.1，同时风速v＜0.35 m/s时的测点数占总测点数的百分比，计算式为：

ADPI将空气温度、空气流速与人对环境的热舒适感觉三者联系起来，是空气分布系统评价的一个仅有的单个数据指标。ADPI数值越高，工作区内人员对该环境的热舒适度就越满意，当ADPI≥80%时认为该环境的气流组织是令人满意的［10］。

4.2 结果分析

根据模拟结果，送风温度为13 ℃时室内热舒适性更佳，因此对送风温度为13 ℃时的工况进行试验论证，在工作区1.1 m的高度选取12个测点，测出每个测点的温度与速度，通过公式计算出EDT，从而计算ADPI。测点分布如图6所示，测得的温度和风速如表2所示。

图6 测点分布

表2 13 ℃时Z=1.1 m水平面上各点数据

根据ISO7730标准，工作区内的温差不应大于3 ℃，且根据规范规定：舒适性空调夏季室内风速不应大于0.3 m/s［11-15］。由表2的测点数据可以看出，当送风角度为30°时，工作区1.1 m最大温差为3.2 ℃，最大风速为0.45 m/s，不满足舒适性标准；当送风角度为45°时，工作区1.1m最大温差为3.3 ℃，最大风速为0.44 m/s，不满足舒适性标准；当送风角度为60°时，工作区1.1 m最大温差为1.6 ℃，最大风速为0.35 m/s，略高于舒适性标准；当送风角度为75°时，工作区高度1.1 m最大温差为1.4 ℃，最大风速为0.28 m/s，符合舒适性标准。

根据图7所示，模拟和试验所计算出的EDT曲线趋势基本一致，偏差主要是由于模拟的条件简化所导致。在工作区高度1.1 m整体偏冷感，离送风口近的测点f和gEDT都较低，会有冷吹风感，而离开风口较远的测点EDT偏热中性；随着送风角度的增大，偏热中性的测点逐渐变多，因此ADPI也因此逐渐增大。送风角度为30°时，ADPI仅为58.33%，气流组织均匀性最差；送风角度为45°时，ADPI为66.67%，气流组织均匀性一般；送风角度为60°时与送风角度为75°时的ADPI都大于80%，气流组织令人满意。因此该试验分析结果与模拟结果基本相符。

图7 不同送风角度时EDT试验值与模拟值对比

5 结论

（1）11 ℃和13 ℃ 2种送风温度下，送风角度为75°时均未出现严重的“冷风”下坠现象，室内温度场均匀，没有温度分层现象和涡流区，温度梯度与速度梯度不明显，热舒适性最佳。随着送风角度的减小，“冷风”下坠现象逐渐明显，在工作区送风口附近的温度梯度与速度梯度逐渐增大，送风角度为30°时最为严重，室内舒适性较差。

（2）在送风角度为75°时，送风温度13 ℃相比送风温度11 ℃空气流场更加均匀，室内热舒适性更佳。

（3）当送风温度为13 ℃时，送风角度为75°和60°时，在高度为1.1 m的工作区ADPI值都大于80%，气流组织令人满意；而送风角度为45°和30°的ADPI值偏低，气流组织不令人满意。

（4）通过实测值与模拟值计算的EDT值曲线趋势基本吻合，送风角度为75°时的速度场、温度场最佳，热舒适度满意率高。送风角度为45°与30°时的“冷风”下坠较为严重，气流组织不令人满意，室内热舒适性较差，尤其在工作区送风口附近温度梯度与速度梯度较大，不适宜人员办公。因此采用低温送风冷辐射吊顶空调方式的办公建筑推荐采用13 ℃送风温度，75°送风角度。