王 倩，金梧鳳，于志浩

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134)

輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)中結(jié)露特性的數(shù)值研究

王 倩，金梧鳳，于志浩

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134)

摘要：采用Fluent數(shù)值模擬的研究方法，對(duì)輻射吊頂空調(diào)房間內(nèi)貼附層的濕量分布情況在不同濕源位置和濕源散濕強(qiáng)度下進(jìn)行了對(duì)比分析研究，研究了濕源位置和散濕強(qiáng)度對(duì)輻射板結(jié)露時(shí)間的影響。結(jié)果表明：在系統(tǒng)穩(wěn)定階段，濕源上方的輻射板比其他位置處的輻射板早發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，平均提前5min左右；濕源的散濕強(qiáng)度會(huì)影響各輻射板的結(jié)露時(shí)間，當(dāng)增加一個(gè)成年男子輕度勞動(dòng)時(shí)的散濕量時(shí)，結(jié)露時(shí)間大約提前8min。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；濕量擴(kuò)散特性；露點(diǎn)溫度；結(jié)露時(shí)間

收稿日期：2014-12-17 2015-01-08

作者簡(jiǎn)介：王倩(1988—)，女，河北滄州人，天津商業(yè)大學(xué)碩士研究生。 劉釗(1978—)，女，山東濟(jì)寧人，博士，編輯，主要從事期刊傳播學(xué)研究。

中圖分類號(hào)：TU831.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：：1674-9944(2015)02-0267-04

基金項(xiàng)目：中國(guó)高校科技期刊研究會(huì)編輯學(xué)研究資助項(xiàng)目(編號(hào)：MGKJQY1401)資助

1引言

近年來(lái)毛細(xì)管輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)作為一種新型式的空調(diào)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，其主要依靠冷輻射面提供冷量使室內(nèi)溫度下降，采用輻射供冷系統(tǒng)的房間內(nèi)溫度場(chǎng)分布較均勻，垂直方向上溫差梯度較小，提高了人體的舒適度[1]。在相同的熱感覺(jué)下，輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)可以將室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度提高1~2℃，輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)可比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能15%以上[2,3]。

雖然毛細(xì)管輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)具有以上舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，但該系統(tǒng)存在的一些問(wèn)題也不容忽視：?jiǎn)渭兊妮椛涔├淇照{(diào)系統(tǒng)當(dāng)供水溫度較低或者室內(nèi)濕度較高時(shí)，在輻射板表面容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。另外，當(dāng)門窗開(kāi)啟時(shí)，室外的熱濕空氣進(jìn)入，接觸到低溫輻射板也容易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，輻射板表面結(jié)露不僅會(huì)影響室內(nèi)衛(wèi)生，且會(huì)間接導(dǎo)致毛細(xì)管輻射供冷系統(tǒng)的供冷能力的降低，如何有效地解決輻射板表面結(jié)露問(wèn)題是輻射供冷推廣的關(guān)鍵問(wèn)題之一[4]。國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)于毛細(xì)管輻射供冷系統(tǒng)防結(jié)露問(wèn)題進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的研究，主要包括輻射供冷的控制方式、新型末端結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)、耦合系統(tǒng)運(yùn)行策略等[5~11]，但對(duì)于輻射供冷系統(tǒng)中水蒸氣傳播和室內(nèi)空氣濕度分布規(guī)律的研究很少，而只有從根本上掌握輻射供冷系統(tǒng)中輻射板結(jié)露的過(guò)程，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施才能防止結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生，所以研究室內(nèi)濕量擴(kuò)散特性對(duì)提出防結(jié)露措施具有重要意義。

在建筑室內(nèi)環(huán)境中，濕空氣中水蒸氣一般處于過(guò)熱狀態(tài)，且含量通常很低，可以近似當(dāng)做理想氣體[12]。由于其密度較低，其擴(kuò)散作用可以被忽略，因而就物理過(guò)程而言，其在空間內(nèi)的傳播可以當(dāng)作被動(dòng)氣體來(lái)處理，遵守組分傳播的控制方程。在室內(nèi)空氣中的水蒸氣傳播規(guī)律中，可引入污染物傳播的送風(fēng)可及度、源可及度、初始條件可及度概念，用于描述室內(nèi)非均勻濕環(huán)境中各類邊界、濕源等對(duì)室內(nèi)任意點(diǎn)水蒸氣濃度瞬時(shí)值的貢獻(xiàn)程度[13]。

本文應(yīng)用Fluent計(jì)算流體軟件模擬濕源對(duì)室內(nèi)濕量分布規(guī)律的影響，主要從濕源位置和濕源散濕強(qiáng)度兩個(gè)方面對(duì)貼附層的濕量分布進(jìn)行研究，并探究其對(duì)輻射板結(jié)露時(shí)間的影響。

2模型的建立和計(jì)算

2.1　物理模型

本課題數(shù)值模擬房間幾何模型依照本學(xué)校裝有輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)的辦公室的幾何尺寸建立，即3.95m(長(zhǎng))×3.0m(寬)×2.1m(高)，吊頂共有9塊輻射板，每一塊輻射板的尺寸設(shè)為1.65m×1.0m，輻射板直接定義為面邊界，濕源為0.05m(長(zhǎng))×0.01m(寬)×0.3m(高)的長(zhǎng)方體(圖1、圖2)。

圖1　毛細(xì)管輻射吊頂空調(diào)房間模型

圖2　輻射板編號(hào)

2.2　數(shù)學(xué)模型

假設(shè)室內(nèi)流體為瞬態(tài)、不可壓縮流體，流動(dòng)的方式為湍流，由于此模型中考慮因密度差引起的自然對(duì)流問(wèn)題，因此在模擬中啟用浮力模型[14]。本模擬中采用質(zhì)量連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程及標(biāo)準(zhǔn)模型。

(1)

(2)

(3)

(4)k-ε模型：

(4)

(5)

式中：ρ為流體密度；U為氣流速度向量；SM為體積力總和；ueff為紊流粘性系數(shù)，N·s/m2；Ρ'為修正壓力；μt為紊流黏度；k代表紊流動(dòng)能，ε為紊流損耗；Cε1、Cε2、σk、σε均為常數(shù)；Pkb和Pεb表示浮力的影響。

2.3　邊界條件及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

(1)本模擬采用非穩(wěn)態(tài)模型，湍流方程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，采用DO輻射模型，激活能量方程；

(2)組分輸運(yùn)方程開(kāi)啟species下transport and reaction模型，在材料的選擇上選用mixture，組分設(shè)置為兩種成分水蒸氣vapor和空氣air，且水蒸氣位于空氣上方；

(3)在自然對(duì)流的條件下，由于溫度差的存在會(huì)引起浮升力，本模擬考慮到這一問(wèn)題采用boussinesq模型，并且考慮重力的作用；

(4)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的邊界條件按實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置：均設(shè)置成定溫邊界條件，東、西、北墻溫度為295K，南墻為外墻，由于采取了遮陽(yáng)保溫措施，忽略了太陽(yáng)輻射的影響，溫度為297.5K，地板采用水泥直接鋪設(shè)，溫度為292.5K，假設(shè)輻射板傳熱為理想狀態(tài)，溫度分布均勻，設(shè)定為293K；

(5)濕源出口設(shè)置成質(zhì)量流量邊界條件，假設(shè)室內(nèi)初始含濕量分布均勻，為11 g/kg(干空氣)。

3模擬結(jié)果分析

3.1　濕源位置對(duì)結(jié)露特性的影響

本文分別對(duì)濕源位于房間南、北兩側(cè)的地板上時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究濕源的位置對(duì)濕量擴(kuò)散和結(jié)露特性的影響，房間內(nèi)濕源的散濕強(qiáng)度約為6個(gè)成年男子極輕勞動(dòng)時(shí)的散濕量，即600g/h(圖3)。

圖3　含濕量分布云圖

圖3(a)、(b)分別為濕源位于房間南側(cè)、北側(cè)地面中央位置，擴(kuò)散5min時(shí)刻的含濕量分布云圖，從以上云圖中可以看出水蒸氣離開(kāi)濕源之后在初動(dòng)量的作用下

向上擴(kuò)散，在向上擴(kuò)散的同時(shí)也有向水平方向擴(kuò)散的趨勢(shì)，擴(kuò)散到房間頂部時(shí)，由于受到冷輻射板的影響，溫度降低的水蒸氣有向下擴(kuò)散的趨勢(shì)。

利用Fluent軟件對(duì)9塊輻射板下方0.01m處的貼附層處溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，導(dǎo)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出各測(cè)點(diǎn)的露點(diǎn)溫度，濕源位于南側(cè)地板中央工況下的貼附層露點(diǎn)溫度變化情況如圖4所示，濕源位于北側(cè)地板中央工況下的貼附層露點(diǎn)溫度變化情況如圖5所示。

圖4　南側(cè)地板中央工況下貼附層露點(diǎn)溫度變化曲線

圖5　北側(cè)地板中央工況下貼附層露點(diǎn)溫度變化曲線

比較不同時(shí)刻貼附層的露點(diǎn)溫度和輻射板表面溫度，得出各輻射板結(jié)露時(shí)間，結(jié)露時(shí)間如表1所示。

表1　不同濕源位置時(shí)各輻射板結(jié)露時(shí)間

由表1中可以看出位于濕源上方的輻射板比其它位置處的輻射板早發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，這主要是因?yàn)樵跐裨闯隹诘某鮿?dòng)量的作用下，濕量向上擴(kuò)散的強(qiáng)度較大，在濕量到達(dá)頂板后才會(huì)沿水平方向擴(kuò)散，因此濕源上方貼附層處的含濕量較其他位置處大，而之前已假定在理想狀況下各輻射板的表面溫度相同，各貼附層處的干球溫度也相差很小，因此濕源上方貼附層處的露點(diǎn)溫度較高，濕源上方輻射板比其他位置處輻射板先發(fā)生結(jié)露，平均提前5min左右。

3.2　濕源散濕強(qiáng)度對(duì)濕量擴(kuò)散特性的影響

模擬濕源位于房間地面中間位置時(shí)，散濕強(qiáng)度分別為400 g/h、500 g/h、600g/h，即約為4、5、6個(gè)成年男子極輕勞動(dòng)時(shí)的散濕量。利用Fluent軟件對(duì)9塊輻射板下方貼附層處溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，導(dǎo)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出不同時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的露點(diǎn)溫度。3種工況下輻射板的溫度均維持在20℃，取散濕強(qiáng)度為500 g/h為例，該工況下貼附層的露點(diǎn)溫度變化情況如圖6所示。

圖6　房間地面中間位置貼附層露點(diǎn)溫度變化曲線

比較不同散濕強(qiáng)度下輻射板表面溫度和貼附層露點(diǎn)溫度，得出三種工況下輻射板的結(jié)露時(shí)間，結(jié)露時(shí)間如表2所示。

表2　不同散濕強(qiáng)度下各輻射板結(jié)露時(shí)間

如表2中所示，從表中可以看出，隨著散濕強(qiáng)度的增加，各輻射板首次結(jié)露時(shí)間都有所提前，每增加一個(gè)成年男子輕度勞動(dòng)時(shí)的散濕量，結(jié)露時(shí)間平均提前8min左右，因此在室內(nèi)潛熱負(fù)荷增加時(shí)，可以根據(jù)增加的潛熱負(fù)荷動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)采取防結(jié)露措施的時(shí)間，從而在防止結(jié)露發(fā)生的同時(shí)達(dá)到提高輻射空調(diào)制冷能力的目的。由表2中數(shù)據(jù)還可以得出，隨著濕量強(qiáng)度的增加，同一輻射板結(jié)露時(shí)間的差值也逐漸減小。

4結(jié)論

(1)在空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定階段，隨著濕源散濕強(qiáng)度的增加，各輻射板的結(jié)露時(shí)間都有所提前，每增加一個(gè)成年男子輕度勞動(dòng)時(shí)的散濕量時(shí)，結(jié)露時(shí)間平均提前8min左右，因此當(dāng)室內(nèi)的潛熱負(fù)荷增加時(shí)，可以根據(jù)增加的潛熱負(fù)荷值動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)需要采取防結(jié)露措施的時(shí)間，從而可以在防止結(jié)露的同時(shí)增大輻射空調(diào)制冷能力。

(2)在空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定階段，在理想狀況下各處輻射板的表面溫度相同，輻射板對(duì)應(yīng)的貼附層處的干球溫度相差很小，濕源上方的貼附層處含濕量比其他位置處的含濕量高，所以濕源上方的貼附層處露點(diǎn)溫度較高，濕源上方的輻射板較早發(fā)生結(jié)露，比其他位置處的輻射板結(jié)露時(shí)間提前4min左右，所以在防結(jié)露時(shí)，應(yīng)當(dāng)將濕源上方區(qū)域的輻射板作為重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)其表面溫度。

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