徐培璠 杜志敏 晉欣橋

上海交通大學(xué)制冷及低溫工程研究所

DOAS+CRCP空調(diào)系統(tǒng)的TRNSYS-CFD混合仿真研究

徐培璠 杜志敏 晉欣橋

上海交通大學(xué)制冷及低溫工程研究所

針對(duì)獨(dú)立新風(fēng)結(jié)合輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)，建立了TRNSYS-CFD混合仿真平臺(tái)，在仿真中加入室內(nèi)溫度分布不均的影響，使模擬結(jié)果更貼近實(shí)際。對(duì)應(yīng)用于某住宅建筑的獨(dú)立新風(fēng)加輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量對(duì)室內(nèi)溫濕度有顯著影響，此種空調(diào)形式可以營造頭冷腳暖的溫度分布，符合人體舒適性需要。

TRNSYS-CFD混合仿真DOAS+CRCP空調(diào)系統(tǒng)氣流組織動(dòng)態(tài)仿真

0　引言

獨(dú)立新風(fēng)（Dedicated Outdoor Air System,DOAS）結(jié)合冷輻射吊頂（Ceiling Radiant Cooling Panel, CRCP）空調(diào)形式是非常具有發(fā)展?jié)摿Φ目照{(diào)系統(tǒng)[1]。它由獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)來滿足室內(nèi)衛(wèi)生要求，并承擔(dān)室內(nèi)全部潛熱負(fù)荷和部分顯熱負(fù)荷，冷輻射吊頂承擔(dān)剩余的顯熱負(fù)荷[2]。與傳統(tǒng)空調(diào)相比，DOAS+CRCP空調(diào)系統(tǒng)具有很大的節(jié)能潛力，因?yàn)槠浯蟠鬁p少了送風(fēng)量，從而降低了輸送空氣的能量消耗，并且用水代替空氣來消除熱負(fù)荷，大大降低了輸送冷量的動(dòng)力能耗。

由于DOAS+CRCP空調(diào)系統(tǒng)會(huì)使房間出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象，單單使用建筑能耗仿真軟件進(jìn)行模擬會(huì)造成較大偏差。因?yàn)樵擃愜浖谀M時(shí)假設(shè)室內(nèi)空氣混合均勻，即將整個(gè)空調(diào)房間的氣流流場看作一個(gè)空氣節(jié)點(diǎn)。這種單空氣節(jié)點(diǎn)的仿真所得到的室內(nèi)環(huán)境工況、能耗等信息并不準(zhǔn)確，也無法準(zhǔn)確地分析室內(nèi)舒適性。另一方面，雖然CFD可以對(duì)室內(nèi)氣流分布、室內(nèi)熱舒適性和空氣品質(zhì)等進(jìn)行詳細(xì)預(yù)測(cè)，得到室內(nèi)空氣流速分布、溫度分布等，但其無法進(jìn)行能耗分析，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)在線控制的模擬。

因此，本文采用TRNSYS（建筑能耗仿真軟件）與CFD相結(jié)合的混合仿真方法，即在基于TRNSYS建立的空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的基礎(chǔ)上，結(jié)合CFD對(duì)空調(diào)房間溫度場的模擬，通過二者的信息交換，同時(shí)分析DOAS+CRCP空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、室內(nèi)熱舒適性，使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確、更加具有實(shí)用性。

1　研究對(duì)象

1.1研究對(duì)象

本文所研究的對(duì)象物是位于上海的民用住宅建筑，選取其中一個(gè)代表性戶型進(jìn)行仿真模擬，其布局如圖1所示，該戶型住宅總面積為85m2，高3.4m，由兩間臥室、衛(wèi)生間、廚房以及客廳組成。該住宅采用地板送風(fēng)，除衛(wèi)生間外，每個(gè)房間各布置一塊輻射板，兩個(gè)圓形送風(fēng)口。各房間輻射板面積、送風(fēng)口直徑見表1。

圖1　該戶型室內(nèi)房間布局3D模型

表1　各房間輻射板面積、送風(fēng)口直徑

1.2獨(dú)立新風(fēng)結(jié)合輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)

DOAS+CRCP系統(tǒng)由新風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理室內(nèi)濕負(fù)荷，一般新風(fēng)經(jīng)過全熱交換轉(zhuǎn)輪與室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)行全熱交換實(shí)現(xiàn)能量回收，再經(jīng)由冷盤管進(jìn)行冷卻除濕。為避免室內(nèi)產(chǎn)生冷吹風(fēng)感，新風(fēng)需再熱后再送入房間。輻射板冷水進(jìn)水溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新風(fēng)除濕處理的冷水進(jìn)水溫度，這是為了防止輻射板出現(xiàn)凝露，所以輻射板冷水進(jìn)水溫度要高于室內(nèi)露點(diǎn)溫度。

圖2為新風(fēng)機(jī)組和輻射板獨(dú)立供水系統(tǒng)示意圖。當(dāng)新風(fēng)機(jī)組和輻射板獨(dú)立供水時(shí)，高溫制冷機(jī)組COP大大提高，可以發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢(shì)。由于高溫機(jī)組與低溫機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)的自動(dòng)控制也得到了簡化。

圖2　新風(fēng)機(jī)組和輻射板獨(dú)立供水系統(tǒng)示意圖

2　TRNSYS-CFD混合仿真平臺(tái)的建立

本文使用TRNSYS軟件建立DOAS+CRCP空調(diào)系統(tǒng)的各系統(tǒng)部件模型，而住宅的建筑模型是由CFD軟件建立的。

2.1基于TRNSYS的系統(tǒng)部件模型

根據(jù)圖2所示的DOAS+CRCP定風(fēng)量定水量空調(diào)系統(tǒng)，本文在TRNSYS軟件基礎(chǔ)上建立了空調(diào)系統(tǒng)仿真器[3]，同時(shí)，利用TRNSYS軟件對(duì)整棟建筑進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，得到每天逐時(shí)的室內(nèi)負(fù)荷和墻體熱流密度等參數(shù)，連同空調(diào)系統(tǒng)仿真器獲得的送風(fēng)溫度、送風(fēng)量、輻射板表面溫度等參數(shù)，通過下述的TRNSYS-CFD之間的接口程序，送至CFD模型作為其計(jì)算的邊界條件。

本文模擬了表2所列的五種工況。在各工況下，四個(gè)房間的送風(fēng)量比例、供水量比例保持不變，如表3所示。

表2　五種模擬工況

表3　各房間送風(fēng)量和供水量比例

2.2基于CFD的建筑模型

如圖3所示該戶型住宅三維模型，為簡化計(jì)算，家具、人員等都簡化為長方體模型。運(yùn)用GAMBIT生成網(wǎng)格，對(duì)送回風(fēng)口、熱源等溫度梯度、速度梯度較大的地方，進(jìn)行網(wǎng)格加密，共劃分了110867個(gè)網(wǎng)格。本文采用RNG k-ε湍流模型，表面輻射（S2S）模型進(jìn)行計(jì)算，壓力-速度耦合的SIMPLEC算法進(jìn)行方程的離散求解。其中，動(dòng)量方程、能量方程、k-方程、ε-方程均采用二階迎風(fēng)格式求解。計(jì)算時(shí)需要從TRNSYS得到的實(shí)時(shí)邊界條件分別為：地板送風(fēng)口風(fēng)速、送風(fēng)溫度、輻射吊頂溫度、天花板及地板溫度、房間負(fù)荷以及太陽輻射熱等[4]。

圖3　FLUENT三維模型

2.3TRNSYS-CFD混合仿真平臺(tái)

由TRNSYS軟件建立的空調(diào)系統(tǒng)模型和由CFD軟件建立的建筑模型，二者所描述的對(duì)象不同，要建立整個(gè)建筑及空調(diào)系統(tǒng)的仿真器，必須將兩者結(jié)合起來進(jìn)行仿真，即建立TRNSYS-CFD混合仿真。

在混合仿真中，TRNSYS進(jìn)行每個(gè)時(shí)間步長的動(dòng)態(tài)仿真模擬，然后TRNSYS輸出給CFD計(jì)算所需的邊界條件（如送風(fēng)溫濕度等），CFD完成穩(wěn)態(tài)計(jì)算后更新室內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)（如回風(fēng)溫濕度等），并將這些數(shù)據(jù)再返回給TRNSYS進(jìn)行下一個(gè)時(shí)間步長的仿真，實(shí)現(xiàn)TRNSYS和CFD的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)結(jié)合[5]。

圖4為TRNSYS-CFD混合仿真結(jié)構(gòu)圖。混合仿真中的關(guān)鍵問題在于TRNSYS軟件與CFD軟件間的數(shù)據(jù)互換。本文以TRNSYS作為混合仿真的主程序，在TRNSYS中創(chuàng)建一個(gè)調(diào)用CFD的子程序，即圖5中的接口程序，來實(shí)現(xiàn)CFD和TRNSYS之間的定時(shí)、定量的數(shù)據(jù)交換。

圖4　混合仿真結(jié)構(gòu)圖

圖5　TRNSYS與CFD的接口

混合仿真開始時(shí)，TRNSYS調(diào)用接口程序，接口程序通過一個(gè)“Script”文件輸出給CFD進(jìn)行初始化并啟動(dòng)計(jì)算，這個(gè)“Script”文件中包含了CFD計(jì)算所需的邊界條件：房間負(fù)荷、送風(fēng)溫濕度和風(fēng)速、輻射板表面溫度。CFD每次計(jì)算后將計(jì)算出的“Result”文件再通過接口程序返回給TRNSYS，這個(gè)“Result”文件中包含了TRNSYS仿真所需的參數(shù)：傳感器采樣溫度和回風(fēng)溫濕度，然后TRNSYS再進(jìn)行下一時(shí)間步長的在線控制模擬。

本文模擬該住宅空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況及室內(nèi)氣流分布時(shí)，TRNSYS仿真時(shí)間步長為0.125小時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)全天運(yùn)行。由于考慮到CFD計(jì)算量較大、計(jì)算時(shí)間較長的因素，將TRNSYS與CFD數(shù)據(jù)交換的時(shí)間步長定為1小時(shí)，如圖6所示。

圖6　TRNSYS和CFD混合仿真示意圖

3　仿真試驗(yàn)

3.1混合仿真的結(jié)果

基于TRNSYS-CFD混合仿真平臺(tái)建立該戶型住宅DOAS+CRCP獨(dú)立供水空調(diào)系統(tǒng)及CFD模型，模擬空調(diào)系統(tǒng)在7月某日的運(yùn)行狀況及室內(nèi)氣流和溫度場分布情況。各房間室內(nèi)負(fù)荷不變，如表4所示，該實(shí)驗(yàn)日的氣象及負(fù)荷情況如圖7、圖8所示。

表4　各房間室內(nèi)負(fù)荷

圖7　室外空氣溫度及含濕量

圖8　各房間太陽輻射

分別用混合仿真和TRNSYS單獨(dú)仿真兩種方法對(duì)工況I進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖9所示，其中，混合仿真的結(jié)果是室內(nèi)高1.1m處溫度模擬結(jié)果，因?yàn)槭覂?nèi)1.1m高度是人員坐著時(shí)頭部所在高度，該處的溫度變化是判斷人員是否舒適的重要依據(jù)。

圖9　工況I下TRNSYS與混合仿真模擬結(jié)果對(duì)比

從圖9的對(duì)比中可以看出，僅使用TRNSYS模擬的各房間最高溫度均高于混合仿真，在TRNSYS模擬中客廳的最高溫度接近34℃。在僅使用TRNSYS模擬中回風(fēng)溫度是四個(gè)房間溫度的平均溫度，但DOAS+CRCP的空調(diào)系統(tǒng)主要承擔(dān)的是人員活動(dòng)區(qū)域的負(fù)荷，房間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象，因此，回風(fēng)溫度不應(yīng)該是四個(gè)房間的平均溫度，混合仿真中回風(fēng)溫度的結(jié)果更符合實(shí)際。

圖10是采用混合仿真在工況II～V時(shí)室內(nèi)高1.1m處溫度模擬結(jié)果，圖11是采用混合仿真在工況I～V時(shí)室內(nèi)高1.1m處濕度模擬結(jié)果。

由圖10可以看出五種工況下，房間溫度變化趨勢(shì)一致。對(duì)比工況I～I(xiàn)II，發(fā)現(xiàn)隨著送風(fēng)量的增加，室內(nèi)溫度有明顯的降低，這是因?yàn)镈OAS系統(tǒng)承擔(dān)了室內(nèi)部分顯熱負(fù)荷，加大送風(fēng)量，DOAS系統(tǒng)消除的顯熱負(fù)荷增多，使得房間內(nèi)溫度有了明顯降低。對(duì)比工況I、IV、V發(fā)現(xiàn)，改變輻射吊頂?shù)墓┧?，室?nèi)1.1m處溫度變化并不明顯。

由于室內(nèi)潛熱負(fù)荷全部由DOAS系統(tǒng)承擔(dān)，由圖11各工況下室內(nèi)相對(duì)濕度變化可知，增大送風(fēng)量可以降低房間內(nèi)相對(duì)濕度。在這五種工況下，廚房相對(duì)濕度始終偏高，因此需進(jìn)一步提高廚房的送風(fēng)量，使相對(duì)濕度降低以滿足舒適性的要求。

圖10　各工況下室內(nèi)溫度變化

圖11　各工況下室內(nèi)相對(duì)濕度變化

3.2室內(nèi)氣流分布

圖12是在工況I條件下，12:00時(shí)室內(nèi)高1.1m及0.1m處水平溫度場分布情況；圖13是在工況I條件下，12:00時(shí)室內(nèi)兩個(gè)垂直面溫度場分布情況。

圖12　在工況I條件下12∶00時(shí)室內(nèi)兩個(gè)水平面溫度場分布

圖13　在工況I條件下12∶00時(shí)室內(nèi)兩個(gè)垂直面溫度場分布

由圖12和13的室內(nèi)溫度場分布情況可知，室內(nèi)溫度分布并不均勻，由于太陽輻射等環(huán)境因素影響，靠近窗戶的位置溫度較高，另外，由于室內(nèi)存在熱源，也造成了房間溫度分布不均。在輻射吊頂及地板送風(fēng)的共同作用下，房間內(nèi)有垂直溫度分層，地板及天花板附近溫度較低，但垂直溫度梯度較小。這樣的溫度分布使得人頭冷腳暖，符合人體舒適性要求。

4　結(jié)論

由于獨(dú)立新風(fēng)結(jié)合輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)會(huì)造成室內(nèi)溫度分層，本文建立的TRNSYS-CFD混合仿真平臺(tái)可以在模擬中加入溫度場不均勻性的影響，同步進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)分析及室內(nèi)舒適性的分析。結(jié)果表明：

1）獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量對(duì)室內(nèi)溫度、濕度都有很大影響。獨(dú)立新風(fēng)結(jié)合輻射吊頂?shù)目照{(diào)系統(tǒng)使得房間內(nèi)垂直溫度梯度較小，這樣頭冷腳暖的溫度分布，符合人體舒適性要求。

2）由于該空調(diào)系統(tǒng)會(huì)使室內(nèi)溫度分布不均，出現(xiàn)垂直溫度分層現(xiàn)象。僅使用TRNSYS軟件的單節(jié)點(diǎn)模擬，所得結(jié)果與實(shí)際情況相差較大，而混合仿真可以更貼近實(shí)際的運(yùn)行情況。

因此，TRNSYS-CFD混合仿真平臺(tái)可以用于獨(dú)立新風(fēng)結(jié)合輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，通過改變送風(fēng)參數(shù)及輻射吊頂供水參數(shù)，將室內(nèi)溫濕度控制在要求的范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，并使室內(nèi)氣流分布更加均勻，滿足人員舒適性要求。

[1]Jeong J W,Mumma S A,Bahnfleth W P.Energy conservationbenefits of a dedicated outdoor air system with parallel sensible cooling by ceiling radiant panels[J].ASHRAE Transactions, 2003,109(2):627-636

[2]殷平,Mumma S A.獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)(DOAS)研究(1):綜述[J].暖通空調(diào),2003,33(6):44-49

[3]晉欣橋,夏凊,周興禧.多區(qū)域變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度的優(yōu)化節(jié)能控制[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,34(4):507-512

[4]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004

[5]劉巧玲.基于TRNSYS-FLUENT協(xié)同仿真的VAV空調(diào)系統(tǒng)多傳感器控制策略研究[D].上海:上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所,2013

TRNSYS-CFD Coupling Simulation of DOAS+CRCP Air Conditioning System

XU Pei-fan,DU Zhi-ming,JIN Xin-qiao
Institute of Refrigeration and Cryogenies,Shanghai Jiaotong University

The coupling simulation method of TRNSYS combined with CFD software is presented.It is used to analysis the influence of the distribution of indoor airflow in DOAS+CRCP air conditioning system with the control of outdoor air flow.The results of simulation test show that the coupling simulation method is better than that using TRNSYS only for describing the indoor thermal comfort with the control of outdoor air flow.The results also show that DOAS+CRCP system can maintain indoor thermal comfort well.

combination of TRNSYS and CFD,DOAS+CRCP air conditioning system,air distribution,outdoor air control

1003-0344（2015）06-049-6

2014-7-16

徐培璠（1990～），女，碩士研究生；上海市閔行區(qū)東川路800號(hào)上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院369室（200240）；E-mail:fancy_qq@sjtu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金（51376125）；密西根-上海交通大學(xué)聯(lián)合研究基金