基于CFD的局部辐射空调节能性和热舒适性研究*

杜璟，毛颖，徐淳，胡翱翔，刘淑月，吴沛桦

基于CFD的局部辐射空调节能性和热舒适性研究*

杜璟，毛颖*，徐淳，胡翱翔，刘淑月，吴沛桦

（深圳职业技术学院 建筑工程学院，广东 深圳 518055）

针对传统吊顶冷辐射空调在睡眠环境下热利用效率低的问题，提出了局部冷辐射空调系统．基于CFD模型，研究了局部冷辐射空调和吊顶冷辐射空调的节能性和热舒适性．结果表明，局部辐射空调系统的能量利用效率高于吊顶冷辐射空调系统，且在相同舒适度下，局部辐射空调系统的总换热量显著降低．研究结果可用于进一步改善局部辐射空调系统的实际工作参数和运行策略．

辐射空调系统；CFD；能量利用效率；热舒适

近年来，随着新冠肺炎病毒在全球的肆虐，以对流换热为主的中央空调系统由于多采用一次或二次回风系统而备受诟病[1]，而辅以新风系统的冷辐射空调开始越来越受学者们的关注．冷辐射空调加新风系统的模式采用辐射换热为主的制冷方式，回避了可能导致病菌扩散的回风系统，从而极大提高室内空气品质，同时在热舒适性和节能性方面也具有显著的优势[2]．另一方面，在睡眠环境下，人体通常是不动的且占用空间小，这使得局部空调系统的应用成为可能．以前开发的用于睡眠环境的局部空调系统[3,4]主要采用对流方法来冷却人体活动区，向活动区提供速度较高的冷风，从而导致严重的吹风感，影响舒适性．因此，针对睡眠环境下局部对流空调吹风感问题，结合冷辐射空调的优势，提出了适用于睡眠环境的局部冷辐射空调系统[5]．该空调系统可由使用者根据自身的热舒适度调节，以辐射换热为主，即避免了吹风感，相比于传统的吊顶冷辐射空调，又可以降低空调能耗．

为了研究睡眠环境下局部冷辐射空调系统的节能性和热舒适性，本文采用CFD数值模拟方法，与吊顶冷辐射空调作比较，研究了两个辐射空调系统下卧室的能量利用效率、换热量和操作温度场．

1 模型简介

1.1 几何模型

在局部辐射空调系统和吊顶辐射空调系统下，卧室的几何模型分别如图1和图2所示．在尺寸同为2600 mm×3700 mm×3290mm（宽×深×高）的实验室里，有一堵模拟的外墙和模拟的外窗（1220 mm×1220mm）作为热源，卧室的其他五个面都视为绝热层．卧室内如图左侧，有一张床（1840 mm×920 mm×180mm），距地面高400mm．床上有一个用于模拟睡眠状态下平躺姿势的假人．不同的是，图1中的辐射板（2000 mm×1200 mm）放置在距地1580mm的高度，作为冷源，而图2中的吊顶则作为辐射冷板．

为了更好地研究人体周围的热环境，床垫上方的长方体空间（1840 mm×920 mm×600 mm）被定为人体活动区，而卧室剩余空间被定为无人的空置区．

图1 局部冷辐射空调系统

图2 吊顶冷辐射空调系统

1.2 CFD模型

本文采用ANSYS Fluent软件研究局部冷辐射空调和吊顶冷辐射空调下的流场和换热情况．考虑到卧室预期的温差，且瑞利数（R）大于1010，卧室会发生湍流现象．在选用湍流模型时，由于SST湍流模型在预测室内温度场和速度场方面的表现均优于模型和模型[6]，因此用于本文数值模拟中．考虑到自然对流发生在卧室的大部分空间，因此Boussinesq模型用于计算浮力项[7]．计算对流项时，求解方法采用基于压力的SIMPLE算法，离散格式采用二阶迎风格式．计算流场的稳态、黏性、3D控制方程列出，见公式1～4．

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

公式3中，k是有效导热系数W/(m·℃)，是总能量(J)，可得出公式4．

1.3 边界条件

表1列出了模拟案例中所设置的边界条件．其中，局部辐射空调系统中冷板的表面温度选用了17℃、19℃、21℃，吊顶辐射空调系统中的表面温度选用了22℃、24℃、26℃．其他边界条件在两个空调系统中均相同．参考亚热带夜间平均气温，室外空气温度设定为30℃．为了保证室内的新风量，根据ASHARE规定，送风口的新风量设为7.5 L/s．送风温度为23℃，相对湿度设为50%，可降低冷辐射板结露风险．

表1 边界条件的设置

1.4 模型验证

根据Chen和Srebric学者推荐的CFD验证步骤和标准[8]，局部冷辐射空调系统在冷板17oC时的模拟数据与本文作者过去的实验结果相验证并得到证实[5]．因此，使用CFD方法得出的模拟结果可以反映冷辐射空调系统下卧室的真实热环境和流场．

2 模拟结果

操作温度集成了对流换热和辐射换热对热环境的影响，因而被用作评估室内热环境的指标，如公式5所示．

t是平均辐射温度(℃)；t空气温度(℃)；h辐射传热系数(W/m2K)；一般情况下，h=4.7[1]对流传热系数(W/m2K)，当0.15<<1.5 m/s时，h=2.7+8.70.67，当0<≤0.15 m/s时，h=5.1．

能量利用系数()[4]可以作为评价局部空调系统能量利用效率的指标，它反映了活动区与空置区热环境的差别，如公式6．当>1时，说明活动区操作温度低于空置区．当越大，说明节能潜力越大．

其中t和t分别是空置区和活动区的操作温度(℃)；t是辐射冷板的表面温度(℃)．

图3和图4反映了在使用不同辐射空调系统下活动区和空置区的热环境以及能量利用效率．在局部冷辐射空调系统下（见图3），活动区的操作温度在不同冷板温度下均低于空置区的操作温度约1.5℃，均大于1.2且随着冷板温度的升高而增加，表明使用局部冷辐射空调系统时，能量的利用效率高，具有极大的节能潜力．在吊顶冷辐射空调系统下（图4），人体活动区和空置区的操作温度近乎一致，在0.95～1.05范围内，甚至当冷板温度等于22℃和24℃时，EUC小于1．这说明在使用吊顶冷辐射空调系统时，卧室内的热环境较为均匀，能量利用率不高．

在局部冷辐射空调和吊顶冷辐射空调系统中，分别使用17℃和22℃冷板温度时，两个案例活动区的操作温度仅相差0.05℃，因此，选择这两个案例进行后续节能和热舒适的研究．

图5比较了两种空调系统下卧室内冷板的对流、辐射换热以及新风系统换热情况．如图所示，辐射冷板的辐射换热是两个辐射空调系统中的主要换热方式，约占总换热量的三分之二，而对流换热约占总换热量的20%．新风系统由于送风量小，因而新风换热量只占总换热量的很小一部分．在达到相同热舒适的情况下，局部冷辐射空调系统的总换热量比吊顶冷辐射空调系统少了33.3%．这是因为在使用局部冷辐射空调系统时，大量能量被用来去除活动区的散热量，而无需考虑空置区的热环境，从而极大地提高了能量利用效率．

为了更好地比较两个辐射空调系统的热环境，选用图6中截面X和截面Y研究卧室的操作温度场，如图7和图8所示．在局部冷辐射空调系统下，辐射冷板下部区域温度较低，人体活动区与空置区之间的温差存在显著差异，且以辐射冷板高度为界线，温度分层现象较为明显．在吊顶冷辐射空调系统下，除了送风口处温度较低、假人附近温度略高之外，整个卧室的操作温度差别不大．

图3 局部冷辐射空调系统下操作温度和能量利用效率

图4 吊顶冷辐射空调系统下操作温度和能量利用效率

考虑到局部冷板面积较小且受到外墙影响，人体有可能产生由于辐射不对称而造成的不舒适情况．因此，图9和图10显示了垂直于轴的剖面图操作温度场．可以看出，虽然受外墙影响，右手边的温度高于左侧的温度，但在人体活动区的操作温度是均匀的．因此，使用两种辐射空调系统均不会产生由辐射不均匀引起的不舒适情况．

图5 不同空调系统下的换热量比较

图6 卧室中截面X和截面Y的位置

图7 局部冷辐射空调下截面X的操作温度场

图8 吊顶冷辐射空调下截面X的操作温度场

图9 局部冷辐射空调系统下截面Y的操作温度场

图10 吊顶冷辐射空调系统下截面Y的操作温度场

3 结 论

本文对睡眠环境下使用局部冷辐射空调系统和吊顶冷辐射空调系统时的热舒适度和节能性进行了比较．采用经过验证的CFD模型，模拟结果表明，在局部冷辐射空调系统中，在不同冷板温度下，人体活动区的操作温度明显低于空置区的操作温度，而吊顶冷辐射空调系统中的两个区域之间的温度没有明显差异．在相同的热舒适度下，局部冷辐射空调系统与吊顶冷辐射空调系统相比，总换热量显著降低，有助于节省空调能耗，减少碳排放．

致谢：本文研究受深圳职业技术学院创新工程项目资助（项目编号：cxgc2020c0006）．

[1] 张朝晖，王若楠，刘慧成，等．新冠疫情下制冷空调行业应对挑战的思考[J]．制冷与空调，2021，21（01）：1-6．

[2] 余红英．辐射空调末端+新风系统的医院空调系统设计探讨[J]．制冷与空调，2020，20（11）：51-53．

[3] Mao N, Song M, Deng S. Application of TOPSIS method in evaluating the effects of supply vane angle of a task/ambient air conditioning system on energy utilization and thermal comfort[J]. Applied Energy, 2016，180：536-545．

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[5] Du J, Chan M, Pan D, et al. A numerical study on the effects of design/operating parameters of the radiant panel in a radiation-based task air conditioning system on indoor thermal comfort and energy saving for a sleeping environment[J]. Energy and Buildings, 2017，151：250-262．

[6] Zhai Z J, Zhang Z, Zhang W, et al. Evaluation of Various Turbulence Models in Predicting Airflow and Turbulence in Enclosed Environments by CFD: Part 1—Summary of Prevalent Turbulence Models[J]. HVAC&R Research, 2007，13（6）：853-870．

[7] Mayeli P, Sheard G J. Buoyancy-driven flows beyond the Boussinesq approximation: A brief review[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2021，125：105316．

[8] Chen Q, Srebric J. A Procedure for Verification, Valida- tion, and Reporting of Indoor Environment CFD Analyses [J]. HVAC&R Research, 2002，8（2）：201-216．

Numerical Study on Energy Saving and Thermal Comfort Performances Using a Radiation-Based Task/Ambient Air Conditioning (R-TAC) System in Sleeping Environments

DU Jing, MAO Ying, XU Chun, HU Aoxiang, LIU Shuyue, WU Peihua

（）

To solve the problem of low energy utilization efficiency existing in ceiling radiant cooling panel systems, a radiation-based task/ambient air conditioning (R-TAC) system was proposed. The energy and thermal comfort performances when using the R-TAC systems and the ceiling radiant cooling panel (CRCP) systems were studied with CFD model. The results show that, under the same thermal comfort situations, the energy utilization efficiency when using R-TAC systems was higher than that when using CRCP systems, and the cooling load in R-TAC systems was dramatically reduced.

radiant air-conditioning system; CFD; energy utilization efficiency; thermal comfort

TU201.5

A

1672-0318（2022）01-0003-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2022.01.001

2021-09-03

深圳职业技术学院创新工程项目资助（项目编号：cxgc2020c0006）．

杜璟，女，山东诸城人，博士，讲师，主要从事建筑节能、人体热舒适、CFD模拟研究工作．

毛颖，女，湖南岳阳人，硕士，讲师，主要从事绿色建筑、空调能耗分析研究工作．

（责任编辑：罗欢）