不同通风方式与地板供冷结合的热环境模拟研究

2022-01-23朱旭伟杜艳秋刘吉营

建筑热能通风空调 2021年12期

朱旭伟杜艳秋刘吉营，2

1 山东建筑大学热能工程学院

2 山东格瑞德集团有限公司人工环境产业设计研究院

0 前言

近二十年辐射供冷在中国已得到快速发展，目前已广泛应用在办公大楼、高铁站等建筑[1]。辐射空调系统具有较好的节能性[2]，能够维持室内环境较好的热舒适性[3-4]。目前对辐射供冷与不同通风方式相结合的复合系统已有了大量的研究。周翔利用辐射末端试验台开展了大量的热舒适研究[5]。梁彩华和路诗奎对地板辐射和置换通风复合系统进行了仿真与试验研究[6-7]。马景俊对辐射空调的舒适性进行了理论分析[8]。吴小舟做了关于通风方式对辐射空调房间室内空气分布的研究[9]。赵忠超采用FLUENT 软件进行数值仿真和试验研究的方法对复合空调系统室内空气品质进行研究[10]。

但是大多是关于地板辐射和某一特定的送风系统相结合的研究。对于地板辐射与多种不同的通风方式相结合的复合系统研究是较少的。因此，本文通过用 PHOENICS 对不同地板温度和不同通风方式相结合的复合系统进行模拟，并对其室内热舒适性、空气温度和速度分布进行对比分析。

1 研究方法

1.1 数学模型

在数值模拟中，室内流体只考虑因温度引起的密度变化而忽略因压强引起的密度变化，且满足Boussinesq 假设。采用 RNGk-ε方程模型进行求解，辐射模型为Immersol 辐射模型。RNGk-ε模型的表达式如下：

式中：C1ε和C2ε为经验常数，分别为1.42 和1.68；μeff为扩散系数；k为湍动能；ε为耗散率。

1.2 物理模型

模拟设置房间尺寸为 4 m× 3 m× 2.8 m（长× 宽×高），室内设置有温度恒为34 ℃的模拟人体热源，人体的尺寸为0.4 m× 0.3 m× 1.7 m（长× 宽× 高），人体位于房间的中心处。模拟房间的具体示意图见图1。

图1 CFD 模拟房间示意图

1.3 边界条件及模拟工况设置

为了更好地实现对供冷环境的模拟，将南面墙假定为30 ℃，其他墙壁的温度设置为25 ℃。室内设置1台电脑，功率为 100 W，2 个日光灯，每个 30 W。为简化模型将室内设备的发热功率平均的分布在顶板上，功率为13.4 W/m2。根据对现有的实验分析[4]，分别将地板温度设置为20 ℃，2 2 ℃和 24 ℃。实心壁的内部发射率设置为0.92。在PHOENICS 数值模拟中建立的详细边界条件，其中定义人体模型的表面温度为34 ℃。假定 DV、SV 和 MV 系统的送风速度为0.24 m/s 和 0.48 m/s。风口类型 Inlet，风口尺寸均为0.25 m× 0.12 m（长× 宽）。三种不同送风方式的送风温度均设置为18 ℃或20 ℃。出口压力为一个标准大气压，风口类型选择为PHOENICS 软件自带的Opening。墙壁与屋顶作为绝热表面处理。综合考虑送风方式，地板温度，送风温度和速度等因素，模拟总共有 36 种工况。

1.4 评价方法

1.4.1 竖直不满意率

为分析竖直温差的存在引起的人员局部不舒适的强弱引入竖直不满意率[4]。测量并计算了在地面中心位置以上0.1 m 的踝关节和 1.1 m 的头部的垂直空气温度差（ΔT0.1-1.1）。然后分析了人员活动区的竖直不满意率（PD），PD值的计算公式如公式（6）：

1.4.2 吹风感

为评估送风口和排风口在室内人员脚踝、腿部、颈部、面部的气流效果，取房间中心位置 0.1 m 到 1.7 m的温度和风速进行测量。在中性—冷的环境下湍流度对人体对吹风感的敏感性有很重要的影响[4]。用DR表示不满意率，用式（4）～（5）来描述不满意度与风速、风温以及湍流度之间的关系：

式中：v为空气流速，m/s；Ta为空气温度，℃ ；Tu为湍流度，无量纲；k为湍流动能，m2/ s2。

1.4.3 操作温度

辐射供冷的原理是低温辐射板通过辐射形式与房间内的人体换热，所以对室内人体热舒适的评价标准不能仅用室内空气温度这一个参数来评价，需要引入操作温度的概念。操作温度（Top)定义为环境中空气温度（Ta）和平均辐射温度（Tr）对人体的综合作用温度[11]，是分析人体与环境之间显热平衡的重要参数，其计算公式如下：

式中：hc为对流换热系数，W/(m2· K)；hr为辐射换热系数，W/(m2· K)。ar和ac分别为辐射比例和对流比例，ar+ac=1。ar、ac的大小取决于空气流速。ASHARE 给出了ac与空气速度的关系[12]，如表1 所示。

表1 ac 与室内空气流速的关系

2 模拟结果

2.1 不同通风方式对室内速度分布的影响

2.1.1 地板辐射和置换通风复合系统对室内空气速度的影响

结合室内的温度云图和速度云图对模拟的结果进行分析，选取的截面位于垂直于 YOZ 平面，x/X=0.5。图 3 为不同地板温度DV24/20/0.48、DV22/20/0.48和DV20/20/0.48（以 DV24/20/0.48 为例，DV 表示通风方式为置换通风，各参数表示地板温度为 24 ℃，送风温度为20 ℃，送风速度为 0.48 m/s）的速度分布云图。由图可以明显看出在该复合系统下，在近地面处的风速较大且均匀分布。气流与热源相遇时会形成热气流，在浮力的作用下向上运动。人员活动区的其他部分的风速相对稳定，在排风口以及排风口的上部风速又有明显的增大。在相同送风速度条件下，地板温度为24 ℃时，其室内中心位置的风速要普遍大于地板温度为20 ℃和22 ℃的工况结果。经比较发现随着地板温度的增加活动区的最大风速略有增大，在送风温度为18 ℃时地板温度每上升2 ℃最大风速约增大0.003 m/s，因此可忽略送风温度为18 ℃时改变地板温度对活动区最大风速的影响。当送风温度为20 ℃时，地板温度每上升2 ℃，最大风速约增大 0.011 m/s。送风温度每增加2 ℃，对应的中心位置处的最大风速约提高0.01 m/s。就整个人员活动区的风速而言均不大于0.3 m/s，满足房间内对风速的要求。.

图2 不同地板温度的速度分布云图

2.1.2 地板辐射和层式通风复合系统对室内空气速度的影响

图3 为层式通风方式SV24/18/0.24 和SV24/20/0.48 的速度分布云图。层式通风时送风口高度为1.16 m，在近风口的位置具有较大的速度。当送风速度为0.24 m/s 时，各种工况在人体工作区的最大风速为0.069 m/s，且都在距地面距离为 0.6 m 左右的位置达到最大风速。当送风温度由18 ℃提升到20 ℃时，相同地板温度对应的相同高度的风速的增幅不超过0.1 m/s，层式通风方式下提升送风温度的对室内速度分布的影响并不大。地板温度一定时，当风速为0.48 m/s、送风温度为20 ℃时，室内风速随着高度的增加逐渐减小。地板温度每增加2 ℃，在人员活动区的相同高度的风速的最大增幅为 0.038 m/s。风速为0.24 m/s 的所有工况下的速度变化度要远小于在风速为0.48 m/s 的变化幅度，如图4 所示。

图3 SV24/18/0.24 和SV24/18/0.48 速度分布云图

图4 不同送风速度下的室内风速变化图

2.1.3 地板辐射和混合通风复合系统对室内空气速度的影响

图5 为混合通风方式下 MV20/18/0.24 和MV24/18/0.24 的速度分布云图。经研究发现在混合通风方式下。当送风速度为 0.24 m/s，送风温度由 18 ℃增大到20 ℃的时候，室内的速度分布发生的改变并不大，对应高度的增幅平均值为0.03 m/s。当风速为0.24 m/s 时，人员活动区的风速都小于0.1 m/s。送风速度为0.48 m/s 相较于送风速度为0.24 m/s 时对房间的速度分布影响更大。在距地面为0.1 和0.6 m 时，风速随着地板温度的上升逐渐增大。随着地板温度的上升，房间中心位置在0～0.1 m 内的速度梯度越来越小。

图5 MV20/18/0.24 和MV20/18/0.24的速度分布云图

在送风温度和送风速度一定时，地板温度的上升对人体脚踝（0.1 m）、大腿（0.6 m）、坐姿时的呼吸区（1.1 m）于人体站立时的面部高度（1.7 m）及其以上的空间的空气流速的影响是较小的。地板温度每上升2 ℃，在距地0.6 m 高度处的速度增幅大约为0.09 m/ s，在高于0.6m 的高度处，随着高度的增加这个增幅在逐渐的减小。这说明在0.6m 以上，地板温度的改变对室内空气速度分布的影响减小。

2.2 不同通风方式对室内温度分布的影响

2.2.1 地板辐射/置换通风复合系统对室内空气温度的影响

图6 为在置换通风的方式下 DV24/18/0.24 和DV20/18/0.24 的温度分布云图。当地板温度和送风温度的温度差为2 ℃相较于温差为4 ℃和6 ℃时，温度场的热力分层更加明显。在 DV24/18/0.24 的温度分层在近地面处较为紊乱。在地板表面温度不变的情况下，送风温度每提高2 ℃，室内对应位置的平均温度约提高0.4 ℃。在送风温度不变的情况下，地板表面温度每提高2 ℃，室内平均温度约提高 0.73 ℃。因此室内温度对地板温度的变化更加敏感。在置换通风时，从距地面 0.1 m 处（脚踝）送入低温空气，当送风速度为0.48 m/s 时，在人体脚踝处的温度较低，而在 1.7 m 处（站立时的头部高度）因低温空气受热向上运动使得温度较大。如图7 所示，图 7 中0.24/0.1 表示送风速度为0.24 m/s，位置为距地面高度为1.1 m。

图6 DV24/18/0.24 和DV20/18/0.24 的温度分布云图

图7 不同送风速度时在0.1 m和1.1 m 的温度变化图

2.2.2 地板辐射和层式通风复合系统对室内空气温度的影响

如图8 所示为SV22/20/0.24 和SV24/18/0.48 的温度分布云图。在云图中可以看出风速为0.24 m/s 时，人体活动区（0～1.7 m）的温度梯度比风速为 0.48 m/s 时的温度梯度要大。温度梯度受地板温度的影响。当风速与风温一定的情况下在距地高度1.1 m 时，地板温度为20 ℃时的温度梯度最大，22 ℃次之，地板温度为24 ℃的温度梯度最小。房间温度受地板温度的影响要强于受送风温度的影响。在图8 中可以发现地板温度从22 ℃上升到24 ℃时，室内温度的变化是很明显的。但是当风温从18 ℃上升到20 ℃时，室内温度的变化并不明显。想要改变室内温度的分布时，可以考虑通过改变地板温度而不是改变送风温度。

图8 SV22/20/0.24 和SV24/18/0.48 的温度分布云图

2.2.3 地板辐射和混合通风复合系统对室内空气温度的影响

图9 为混合通风下 MV20/18/0.24 和 MV20/18/ 0.48 的温度分布云图。在图9 中可以明显的看出地板温度和送风温度相同的情况下，风速度为0.24 m/s 时，送入房间的低温空气未直接到达房间中心的人体处而是发生衰减。送风速度为0.48 m/s 时，送入房间的低温空气可以直接到达近人体处。在云图中可以看出低送风速度的热力分层较高送风速度来说更加明显，且低风速的温度梯度较大。在混合通风的方式下地板温度的上升会减小温度梯度，送风速度为0.24 m/s 时，地板温度每上升2 ℃，房间人员活动区的平均温度约上升0.58 ℃。而当风速为 0.48 m/s 时，地板温度每上升2 ℃，房间的平均温度增幅约为0.49 ℃，且低送风速度时温度的增幅随高度的增加逐渐减小，高送风速度时温度的增幅逐渐增大。

图9 MV20/18/0.24 和MV20/18/0.48 的温度分布云

2.3 热舒适性

2.3.1 竖直不满意率

由 PD 值计算公式可得图 10，在置换通风时的PD 变化幅度较大，层式通风和混合通风的变化幅度较小。但就所有工况而言混合通风和层式通风的竖直不满意率较小，在置换通风时减小风速对 PD 值的影响更大。图10 为PD 值随地板温度变化图。从图10 可得在置换通风方式下随地板温度的增加 PD 值逐渐减小。以图 10 中 20/18/0.24 为例，各参数表示的是地板温度20 ℃，送风温度18 ℃，送风速度为0.24 m/s。

图10 在不同工况的PD 值变化

2.3.2 吹风感

人体皮肤裸露的地方（如腿部区域和头部区域）对吹风感相对敏感，在ASHRAE113-2013 标准中DR要求DR＜20%。因为在送风速度为0.24 m/s 时在房间中心位置的高于 0.1 m 的人员活动区的风速小于0.05 m/s，所以不考虑送风速度为0.24 m/s 时的所有工况下的人体活动区的吹风感。研究发现当风速提升到0.48 m/s 时 DR 值受风速的影响较大。在层式通风时随着距地高度的增加DR 值逐渐减小。当改变地板温度、送风温度时对应位置的DR 值的变化并不大，风速的对DR 值的影响更大。如图11 所示。

图11 不同工况下的DR 变化

2.3.2 操作温度

不同地板温度对应的平均辐射温度不同，地板温度为 20 ℃，2 2 ℃和 24 ℃分别对应的平均辐射温度为24.4 ℃，2 4.68 ℃和 24.94 ℃。不同工况下的操作温度及变化见图12。以图12 中20/18/0.24 为例，各参数表示的是地板温度20 ℃，送风温度18 ℃，送风速度为0.24 m/s。

图12 不同工况操作温度变化

由上图可得操作温度的区间为 22.5 ℃～24.5 ℃，在低送风时，置换通风的操作温度相对于其他通风方式较高，但仍在满足人员热舒适性的范围内。经研究在特定辐射板温度条件下，送风速每增加 0.24 m/s 操作温度的减小幅度越来越小。且在相同送风速度与送风温度时，操作温度的增幅随地板温度增加逐渐变小。