三种方式辐射供冷室内热环境对比分析

三种方式辐射供冷室内热环境对比分析陈露;廖胜明【摘要】辐射供冷是一种舒适、节能的新型空调形式.为了比较相同面积顶板、地板和墙壁三种不同辐射供冷方式与置换通风相结合系统的室内热环境情况,建立供冷系统室内数值模刑并运用DTRM辐射模型进行不同供冷情况的数值模拟.对室内垂直温差、吹风感、PMV-PPD指标及能量利用效率进行分析比较,发现在统一设置参数下顶板辐射供冷系统热舒适指标最为理想,地板辐射供冷系统最差;但足地板辐射供冷系统能量效率最高.计算为合理优化各不同系统提供了一定的理论依据.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷),期】2010(029)003【总页数】4页(P53-56)【关键词】辐射供冷;置换通风;热环境;热舒适【作者】陈露;廖胜明【作者单位】中南大学能源科学与工程学院;中南大学能源科学与工程学院【正文语种】中文与传统空调完全利用空气对流换热实现房间冷却不同，辐射供冷主要利用辐射换热方式实现房间冷却的目的，辐射制冷具有直接、高效、舒适等优点，近年来得到广泛关注。

辐射板可以布置在天花板、地板或墙壁，形成不同的辐射供冷方式[1]。

置换通风是利用室内的密度差而使污浊热气流上升来实现空气调节的，通常，其送风装置靠近地板布设，下送上回，调节室内湿度防止结露并提供一定的冷量及新鲜空气。

辐射供冷系统加上辅助置换通风相结合，供冷与通风合理分工，具有节约能源，换热量更大，提供新风，提高舒适度等诸多优点，得到了更为广泛的应用[2、3]。

本文对顶板、地板、墙壁三种辐射供冷方式与置换通风相结合的系统进行室内热环境数值模拟，对室内热环境进行了分析对比研究。

1 物理问题和数学模型1.1 物理问题本文研究对象是长沙地区一间单人办公室，房间尺寸为2600 mm×2200mm×2700 mm，一面南外墙，假设人体处于房间正中间坐姿，将坐姿人体简化成由长方体组合而成[4]，高度1200 mm，不考虑室内其他热源影响，地面与其他墙面设为绝热，风口尺寸400 mm×200 mm，下送上回，如图1所示。

考虑顶板、地板、墙面三种辐射供冷布置方案，为了简化模型，假设辐射板与顶板、地板面积相等，人体后侧（东面）墙上靠近地面取相同面积作为墙面辐射供冷位置。

图1 计算模型结构简图1.2 数学模型及边界条件室内的空气流动与传热属于湍流流动换热问题，采用的控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、k-ε方程，控制方程通用形势如下：式中：ρ为密度；Φ为通用变量；U为速度矢量；ΓΦ为广义扩散系数；Φ为广义扩散源。

在求解传热问题时，辐射热流是作为能量源项加入到能量方程的，通过求解辐射传递方程得到辐射热流，从而得出辐射传热产生的能量源项[5]。

介质在位置→r处沿着方向的辐射传递方程如下：式中为位置向量为方向向量为散射方向；s为沿程长度；a为吸收系数；n为折射系数；σs为散射系数；σ 为斯蒂芬 -波尔兹曼常数，W/(m2·K4)；I为辐射强度；T为当地温度；Φ为相位函数；Ω＇为空间立体角。

外墙采用第三类边界条件处理，根据长沙地区的气候条件，环境温度设为32℃，根据建筑围护结构墙的材料，外墙与环境流体间的对流传热系数设为23W/(m2·℃)；内墙和地板视为绝热；假定辐射板表面温度均匀，设为20℃，为恒温的稳态边界条件；送风温度为20℃，速度为0.15 m/s；室内人员处于坐姿办公状态，考虑服装热阻，人体表面热流量设为62 W/m2，人体模型设为等热流边界条件。

1.3 数值计算方法空调房间以DTRM建立离散传播辐射模型来考虑室内壁面之间的辐射换热，FLUENT在计算过程中使用射线跟踪技术来更新辐射场、计算所产生的能量源项和热流。

迭代过程中辐射计算的最大扫描数为4，辐射场在连续相迭代推进时的更新频率为2，其余保持默认设置[6]。

湍流模型选用标准k-ε模型，壁函数选用标准壁函数，控制方程的离散格式选用二阶迎风差分格式，压力插值格式选用standard格式，数值计算采用SIMPLE算法。

为了加速收敛，取动量松弛因子为0.5。

采用Boussinesq模型考虑浮升力对计算结果的影响，模型所需参数为：基准温度T0=20℃，基准密度ρ0=1.2 kg/m3，热膨胀系数β0=0.001344 1/K。

能量方程的收敛标准取为10-6，其余的控制方程收敛标准取为10-3。

2 模拟结果与分析2.1 垂直温差比较设顶板、地板、墙壁辐射供冷加置换通风系统三种供冷模式分别为方案A、B、C，从工作区距地面0.1m处温度t0.1、距地面1.1m处温度t1.1、工作区竖直温度差t1.1-0.1，分析比较三种模式下室内的舒适性指标，见表1。

表1 工作区垂直温差比较?在舒适的范围内，按照ISO7730标准规定，在工作区的地面上方1.1m和0.1m 之间的温差即t1.1-0.1不应大于3℃[7]，由此可见，方案B垂直温差过大，使人产生“头暖足寒”的感觉，不满足舒适性要求。

其余两种模式室内的t1.1-0.1均小于3℃，满足ISO7730标准规定。

图2显示出三种空调模式工作区人体正左侧正右侧竖直温度分布。

由图2可见，方案A即顶板辐射供冷加置换通风系统室内竖直温度梯度最小，沿高度方向温度略有上升，但0.5m以下存在一定的温度梯度；方案C墙壁辐射供冷加置换通风系统室内竖直温度梯度也比较小，温度变化比较均匀，二者都满足舒适性要求，而方案B地板辐射供冷加置换通风系统室内竖直温度梯度过大，尤其在1.5m以下区域，工作区温差过大，影响人体热舒适。

图2 三种空调模式的室内竖直温度分布2.2 吹风感比较吹风感是最常见的不满意问题之一，用PD表示不满意率，可以用下式来描述不满意度与风速、温度以及湍流度之间的关系[8]：其中：ta为人员附近空气温度，℃；va为人员附近空气流速，m/s；Tu为局部空气湍流度，查相关资料，设为40%。

根据数值计算结果，按工作区人员附近离地面1m处取平均值，计算结果见表2。

表2 三种模式下的PD指标分析?由表2中可以看出，因为送风速度比较小，三种方案吹风感不满意率PD≤15%，且相差不大，表明在供冷参数相同的情况下，三种空调模式在吹风感方面均满足舒适性要求。

2.3 PMV-PPD指标ISO7730中采用PMV-PPD指标来描述和评价热环境。

PMV-PPD方法的基本是基于人体的热平衡方程[8]。

式中：TL为人体热负荷，W，定义为人体产热量与假定人体保持舒适条件下的平均皮肤温度tsk和出汗造成的潜热散热Ersw时向外界散出的热量之差值。

由于上述公式比较复杂，用以下经验公式计算PMV值[1]：式中：a、b、c 是系数；t为室内空气温度，℃；Pv为室内水蒸气分压力，kPa。

查表，以人员在空调房间里滞留时间等于或大于 3h，a=0.212，b=0.293，c=-5.949。

室内空气温度取室内离地面1.0m处人员周围平均温度为计算温度。

根据室内设计参数查焓湿图可得不同环境下的水蒸气分压力Pv值，计算结果列于表3。

表3 不同模式下PMV-PPD值?根据ISO7730对PMV-PPD的指标推荐值应为-0.5～+0.5之间，相当于人群中有10%的人感觉不满意，由以上计算结果可以看出，方案A的模拟结果最理想，人体离最佳热舒适状态值最近，方案C次之，方案B在人体周围取值得出比较满意的舒适状态，但根据前面数据已得出，工作区局部垂直温差过大，人体局部热舒适感不满足要求。

2.4 温度效率即能量利用系数比较以转移热量为目的的通风和空调系统，通风效率中浓度可以用温度来取代，称之为温度效率ET，或称为能量利用系数[7]，温度效率越高，表明相应的空气处理和输送的能耗愈小，设备费用和运行费也就愈低。

温度效率表达式为式中：te、t、ts分别为排风、工作区和送风的温度，℃。

表4列出三种空调模式下温度效率的比较。

由表4可以看出，方案B由于室内存在明显的垂直温度梯度，排风温度较高，温度效率达到1.59，方案C的温度效率也比较高，达到1.44；方案A的通风效率仅为1.2，这是因为房间上部顶板供冷气流与置换通风气流的掺混作用一定程度破坏了温度分层，使得竖直温度梯度下降，排风温度降低，从而使温度效率降低的缘故。

方案B、C均比方案A温度效率高，从能量利用角度来说，地板辐射供冷加置换通风与墙壁辐射供冷加置换通风系统要优于顶板辐射供冷加置换通风系统。

表4 三种方案温度效率的比较?3 结论1）通过对顶板、地板、墙壁三种辐射供冷方式与置换通风系统相结合三种模式模拟结果比较，可以看出，顶板辐射供冷与墙壁辐射供冷加置换通风系统方式能获得较好的室内温度、速度，不易引起吹风感，垂直温度梯度较小，热舒适指标比较理想，热舒适性明显优于地板辐射供冷加置换通风系统。

三种模式中，顶板辐射供冷加置换通风系统热舒适指标最为理想。

2）地板辐射供冷加置换通风系统在工作区以下能很快获得较低的室内温度，但工作区垂直温度梯度过大，影响人体热舒适。

3）从经济性角度来看，地板、墙壁辐射供冷加置换通风方式能获得较高的温度效率，能量利用情况较好，并且优于顶板辐射供冷加置换通风模式的能量利用情况。

4）三种模式各有优缺点，本文为了分析比较对三种模式设置了统一参数，建议对各种模式分别进行参数优化，合理分配好新风和顶板的供冷量，取各自最佳的送风设计温度、速度以及顶板温度以分别获得最佳的热舒适性与经济性。

参考文献【相关文献】[1]王子介．低温辐射供暖与辐射供冷[M]．北京:机械工业出版社,2004[2]Novoselac A,Srebric J.A critical review on the performance and design of combined cooled ceiling and displacement ventilation systems[J]．Energy andBuildings,2002,34:497-509[3]Mstson parison of the modeling and the experimental results on concentrations of ultra-fine particles indoors[J]．Building and Environment,2005,40(7):996-1002[4]ToshiyukiMiyanaga.Simplified human body modelfor evaluating thermal radiant environment in a radiant cooled space[J]．Building and Environment,2001,36:801-808[5]温正,石良臣．FLUENT流体计算应用教程[M]．北京:清华大学出版社,2009[6]陶文铨．数值传热学（第二版）[M]．西安:西安交通大学出版,2001[7]陆亚俊．暖通空调[M]．北京:中国建筑工业出版社,2002[8]朱颖心．建筑环境学（第二版）[M]．北京:中国建筑工业出版社,2005。