朱旭偉 杜艷秋 劉吉營，2

1 山東建筑大學熱能工程學院

2 山東格瑞德集團有限公司人工環(huán)境產(chǎn)業(yè)設計研究院

0 前言

近二十年輻射供冷在中國已得到快速發(fā)展，目前已廣泛應用在辦公大樓、高鐵站等建筑[1]。輻射空調(diào)系統(tǒng)具有較好的節(jié)能性[2]，能夠維持室內(nèi)環(huán)境較好的熱舒適性[3-4]。目前對輻射供冷與不同通風方式相結(jié)合的復合系統(tǒng)已有了大量的研究。周翔利用輻射末端試驗臺開展了大量的熱舒適研究[5]。梁彩華和路詩奎對地板輻射和置換通風復合系統(tǒng)進行了仿真與試驗研究[6-7]。馬景俊對輻射空調(diào)的舒適性進行了理論分析[8]。吳小舟做了關(guān)于通風方式對輻射空調(diào)房間室內(nèi)空氣分布的研究[9]。趙忠超采用FLUENT 軟件進行數(shù)值仿真和試驗研究的方法對復合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)空氣品質(zhì)進行研究[10]。

但是大多是關(guān)于地板輻射和某一特定的送風系統(tǒng)相結(jié)合的研究。對于地板輻射與多種不同的通風方式相結(jié)合的復合系統(tǒng)研究是較少的。因此，本文通過用 PHOENICS 對不同地板溫度和不同通風方式相結(jié)合的復合系統(tǒng)進行模擬，并對其室內(nèi)熱舒適性、空氣溫度和速度分布進行對比分析。

1 研究方法

1.1 數(shù)學模型

在數(shù)值模擬中，室內(nèi)流體只考慮因溫度引起的密度變化而忽略因壓強引起的密度變化，且滿足Boussinesq 假設。采用 RNGk-ε方程模型進行求解，輻射模型為Immersol 輻射模型。RNGk-ε模型的表達式如下：

式中：C1ε和C2ε為經(jīng)驗常數(shù)，分 別為1.42 和1.68；μeff為擴散系數(shù)；k為湍動能；ε為耗散率。

1.2 物理模型

模擬設置房間尺寸為 4 m× 3 m× 2.8 m（長× 寬×高），室內(nèi)設置有溫度恒為34 ℃的模擬人體熱源，人體的尺寸為0.4 m× 0.3 m× 1.7 m（長× 寬× 高），人體位于房間的中心處。模擬房間的具體示意圖見圖1。

圖1 CFD 模擬房間示意圖

1.3 邊界條件及模擬工況設置

為了更好地實現(xiàn)對供冷環(huán)境的模擬，將南面墻假定為30 ℃，其他墻壁的溫度設置為25 ℃。室內(nèi)設置1臺電腦，功率為 100 W，2 個日光燈，每個 30 W。為簡化模型將室內(nèi)設備的發(fā)熱功率平均的分布在頂板上，功率為13.4 W/m2。根據(jù)對現(xiàn)有的實驗分析[4]，分別將地板溫度設置為20 ℃，2 2 ℃和 24 ℃。實心壁的內(nèi)部發(fā)射率設置為0.92。在PHOENICS 數(shù)值模擬中建立的詳細邊界條件，其中定義人體模型的表面溫度為34 ℃。假定 DV、SV 和 MV 系統(tǒng)的送風速度為0.24 m/s 和 0.48 m/s。風口類型 Inlet，風口尺寸均為0.25 m× 0.12 m（長× 寬）。三種不同送風方式的送風溫度均設置為18 ℃或20 ℃。出口壓力為一個標準大氣壓，風口類型選擇為PHOENICS 軟件自帶的Opening。墻壁與屋頂作為絕熱表面處理。綜合考慮送風方式，地板溫度，送風溫度和速度等因素，模擬總共有 36 種工況。

1.4 評價方法

1.4.1 豎直不滿意率

為分析豎直溫差的存在引起的人員局部不舒適的強弱引入豎直不滿意率[4]。測量并計算了在地面中心位置以上0.1 m 的踝關(guān)節(jié)和 1.1 m 的頭部的垂直空氣溫度差（ΔT0.1-1.1）。然后分析了人員活動區(qū)的豎直不滿意率（PD），PD值的計算公式如公式（6）：

1.4.2 吹風感

為評估送風口和排風口在室內(nèi)人員腳踝、腿部、頸部、面部的氣流效果，取房間中心位置 0.1 m 到 1.7 m的溫度和風速進行測量。在中性—冷的環(huán)境下湍流度對人體對吹風感的敏感性有很重要的影響[4]。用DR表示不滿意率，用式（4）～（5）來描述不滿意度與風速、風溫以及湍流度之間的關(guān)系：

式中：v為空氣流速，m/s；Ta為空氣溫度，℃ ；Tu為湍流度，無 量綱；k為湍流動能，m2/ s2。

1.4.3 操作溫度

輻射供冷的原理是低溫輻射板通過輻射形式與房間內(nèi)的人體換熱，所以對室內(nèi)人體熱舒適的評價標準不能僅用室內(nèi)空氣溫度這一個參數(shù)來評價，需要引入操作溫度的概念。操作溫度（Top)定義為環(huán)境中空氣溫度（Ta）和平均輻射溫度（Tr）對人體的綜合作用溫度[11]，是分析人體與環(huán)境之間顯熱平衡的重要參數(shù)，其計算公式如下：

式中：hc為對流換熱系數(shù)，W/(m2· K)；hr為輻射換熱系數(shù)，W/(m2· K)。ar和ac分別為輻射比例和對流比例，ar+ac=1。ar、ac的大小取決于空氣流速。ASHARE 給出了ac與空氣速度的關(guān)系[12]，如表1 所示。

表1 ac 與室內(nèi)空氣流速的關(guān)系

2 模擬結(jié)果

2.1 不同通風方式對室內(nèi)速度分布的影響

2.1.1 地板輻射和置換通風復合系統(tǒng)對室內(nèi)空氣速度的影響

結(jié)合室內(nèi)的溫度云圖和速度云圖對模擬的結(jié)果進行分析，選取的截面位于垂直于 YOZ 平面，x/X=0.5。圖 3 為不同地板溫度DV24/20/0.48、DV22/20/0.48和DV20/20/0.48（以 DV24/20/0.48 為例，DV 表示通風方式為置換通風，各參數(shù)表示地板溫度為 24 ℃，送風溫度為20 ℃，送風速度為 0.48 m/s）的速度分布云圖。由圖可以明顯看出在該復合系統(tǒng)下，在近地面處的風速較大且均勻分布。氣流與熱源相遇時會形成熱氣流，在浮力的作用下向上運動。人員活動區(qū)的其他部分的風速相對穩(wěn)定，在排風口以及排風口的上部風速又有明顯的增大。在相同送風速度條件下，地板溫度為24 ℃時，其室內(nèi)中心位置的風速要普遍大于地板溫度為20 ℃和22 ℃的工況結(jié)果。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)隨著地板溫度的增加活動區(qū)的最大風速略有增大，在送風溫度為18 ℃時地板溫度每上升2 ℃最大風速約增大0.003 m/s，因此可忽略送風溫度為18 ℃時改變地板溫度對活動區(qū)最大風速的影響。當送風溫度為20 ℃時，地板溫度每上升2 ℃，最大風速約增大 0.011 m/s。送風溫度每增加2 ℃，對應的中心位置處的最大風速約提高0.01 m/s。就整個人員活動區(qū)的風速而言均不大于0.3 m/s，滿足房間內(nèi)對風速的要求。.

圖2 不同地板溫度的速度分布云圖

2.1.2 地板輻射和層式通風復合系統(tǒng)對室內(nèi)空氣速度的影響

圖3 為層式通風方式SV24/18/0.24 和SV24/20/0.48 的速度分布云圖。層式通風時送風口高度為1.16 m，在近風口的位置具有較大的速度。當送風速度為0.24 m/s 時，各種工況在人體工作區(qū)的最大風速為0.069 m/s，且都在距地面距離為 0.6 m 左右的位置達到最大風速。當送風溫度由18 ℃提升到20 ℃時，相同地板溫度對應的相同高度的風速的增幅不超過0.1 m/s，層式通風方式下提升送風溫度的對室內(nèi)速度分布的影響并不大。地板溫度一定時，當風速為0.48 m/s、送風溫度為20 ℃時，室內(nèi)風速隨著高度的增加逐漸減小。地板溫度每增加2 ℃，在人員活動區(qū)的相同高度的風速的最大增幅為 0.038 m/s。風速為0.24 m/s 的所有工況下的速度變化度要遠小于在風速為0.48 m/s 的變化幅度，如圖4 所示。

圖3 SV24/18/0.24 和SV24/18/0.48 速度分布云圖

圖4 不同送風速度下的室內(nèi)風速變化圖

2.1.3 地板輻射和混合通風復合系統(tǒng)對室內(nèi)空氣速度的影響

圖5 為混合通風方式下 MV20/18/0.24 和MV24/18/0.24 的速度分布云圖。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在混合通風方式下。當送風速度為 0.24 m/s，送風溫度由 18 ℃增大到20 ℃的時候，室內(nèi)的速度分布發(fā)生的改變并不大，對應高度的增幅平均值為0.03 m/s。當風速為0.24 m/s 時，人員活動區(qū)的風速都小于0.1 m/s。送風速度為0.48 m/s 相較于送風速度為0.24 m/s 時對房間的速度分布影響更大。在距地面為0.1 和0.6 m 時，風速隨著地板溫度的上升逐漸增大。隨著地板溫度的上升，房間中心位置在0～0.1 m 內(nèi)的速度梯度越來越小。

圖5 MV20/18/0.24 和MV20/18/0.24的速度分布云圖

在送風溫度和送風速度一定時，地板溫度的上升對人體腳踝（0.1 m）、大腿（0.6 m）、坐姿時的呼吸區(qū)（1.1 m）于人體站立時的面部高度（1.7 m）及其以上的空間的空氣流速的影響是較小的。地板溫度每上升2 ℃，在距地0.6 m 高度處的速度增幅大約為0.09 m/ s，在高于0.6m 的高度處，隨著高度的增加這個增幅在逐漸的減小。這說明在0.6m 以上，地板溫度的改變對室內(nèi)空氣速度分布的影響減小。

2.2 不同通風方式對室內(nèi)溫度分布的影響

2.2.1 地板輻射/置換通風復合系統(tǒng)對室內(nèi)空氣溫度的影響

圖6 為在置換通風的方式下 DV24/18/0.24 和DV20/18/0.24 的溫度分布云圖。當?shù)匕鍦囟群退惋L溫度的溫度差為2 ℃相較于溫差為4 ℃和6 ℃時，溫度場的熱力分層更加明顯。在 DV24/18/0.24 的溫度分層在近地面處較為紊亂。在地板表面溫度不變的情況下，送風溫度每提高2 ℃，室內(nèi)對應位置的平均溫度約提高0.4 ℃。在送風溫度不變的情況下，地板表面溫度每提高2 ℃，室內(nèi)平均溫度約提高 0.73 ℃。因此室內(nèi)溫度對地板溫度的變化更加敏感。在置換通風時，從距地面 0.1 m 處（腳踝）送入低溫空氣，當送風速度為0.48 m/s 時，在人體腳踝處的溫度較低，而在 1.7 m 處（站立時的頭部高度）因低溫空氣受熱向上運動使得溫度較大。如圖7 所示，圖 7 中0.24/0.1 表示送風速度為0.24 m/s，位置為距地面高度為1.1 m。

圖6 DV24/18/0.24 和DV20/18/0.24 的溫度分布云圖

圖7 不同送風速度時在0.1 m和1.1 m 的溫度變化圖

2.2.2 地板輻射和層式通風復合系統(tǒng)對室內(nèi)空氣溫度的影響

如圖8 所示為SV22/20/0.24 和SV24/18/0.48 的溫度分布云圖。在云圖中可以看出風速為0.24 m/s 時，人體活動區(qū)（0～1.7 m）的溫度梯度比風速為 0.48 m/s 時的溫度梯度要大。溫度梯度受地板溫度的影響。當風速與風溫一定的情況下在距地高度1.1 m 時，地板溫度為20 ℃時的溫度梯度最大，22 ℃次之，地板溫度為24 ℃的溫度梯度最小。房間溫度受地板溫度的影響要強于受送風溫度的影響。在圖8 中可以發(fā)現(xiàn)地板溫度從22 ℃上升到24 ℃時，室內(nèi)溫度的變化是很明顯的。但是當風溫從18 ℃上升到20 ℃時，室內(nèi)溫度的變化并不明顯。想要改變室內(nèi)溫度的分布時，可以考慮通過改變地板溫度而不是改變送風溫度。

圖8 SV22/20/0.24 和SV24/18/0.48 的溫度分布云圖

2.2.3 地板輻射和混合通風復合系統(tǒng)對室內(nèi)空氣溫度的影響

圖9 為混合通風下 MV20/18/0.24 和 MV20/18/ 0.48 的溫度分布云圖。在圖9 中可以明顯的看出地板溫度和送風溫度相同的情況下，風速度為0.24 m/s 時，送入房間的低溫空氣未直接到達房間中心的人體處而是發(fā)生衰減。送風速度為0.48 m/s 時，送入房間的低溫空氣可以直接到達近人體處。在云圖中可以看出低送風速度的熱力分層較高送風速度來說更加明顯，且低風速的溫度梯度較大。在混合通風的方式下地板溫度的上升會減小溫度梯度，送風速度為0.24 m/s 時，地板溫度每上升2 ℃，房間人員活動區(qū)的平均溫度約上升0.58 ℃。而當風速為 0.48 m/s 時，地板溫度每上升2 ℃，房間的平均溫度增幅約為0.49 ℃，且低送風速度時溫度的增幅隨高度的增加逐漸減小，高送風速度時溫度的增幅逐漸增大。

圖9 MV20/18/0.24 和MV20/18/0.48 的溫度分布云

2.3 熱舒適性

2.3.1 豎直不滿意率

由 PD 值計算公式可得圖 10，在置換通風時的PD 變化幅度較大，層式通風和混合通風的變化幅度較小。但就所有工況而言混合通風和層式通風的豎直不滿意率較小，在置換通風時減小風速對 PD 值的影響更大。圖10 為PD 值隨地板溫度變化圖。從圖10 可得在置換通風方式下隨地板溫度的增加 PD 值逐漸減小。以圖 10 中 20/18/0.24 為例，各參數(shù)表示的是地板溫度20 ℃，送風溫度18 ℃，送風速度為0.24 m/s。

圖10 在不同工況的PD 值變化

2.3.2 吹風感

人體皮膚裸露的地方（如腿部區(qū)域和頭部區(qū)域）對吹風感相對敏感，在ASHRAE113-2013 標準中DR要求DR＜20%。因為在送風速度為0.24 m/s 時在房間中心位置的高于 0.1 m 的人員活動區(qū)的風速小于0.05 m/s，所以不考慮送風速度為0.24 m/s 時的所有工況下的人體活動區(qū)的吹風感。研究發(fā)現(xiàn)當風速提升到0.48 m/s 時 DR 值受風速的影響較大。在層式通風時隨著距地高度的增加DR 值逐漸減小。當改變地板溫度、送風溫度時對應位置的DR 值的變化并不大，風速的對DR 值的影響更大。如圖11 所示。

圖11 不同工況下的DR 變化

2.3.2 操作溫度

不同地板溫度對應的平均輻射溫度不同，地板溫度為 20 ℃，2 2 ℃和 24 ℃分別對應的平均輻射溫度為24.4 ℃，2 4.68 ℃和 24.94 ℃。不同工況下的操作溫度及變化見圖12。以圖12 中20/18/0.24 為例，各參數(shù)表示的是地板溫度20 ℃，送風溫度18 ℃，送風速度為0.24 m/s。

圖12 不同工況操作溫度變化

由上圖可得操作溫度的區(qū)間為 22.5 ℃～24.5 ℃，在低送風時，置換通風的操作溫度相對于其他通風方式較高，但仍在滿足人員熱舒適性的范圍內(nèi)。經(jīng)研究在特定輻射板溫度條件下，送風速每增加 0.24 m/s 操作溫度的減小幅度越來越小。且在相同送風速度與送風溫度時，操作溫度的增幅隨地板溫度增加逐漸變小。

3 結(jié)論

1）在不考慮室內(nèi)污染物的情況下，地板輻射與不同通風方式相結(jié)合的復合系統(tǒng)在改變送風參數(shù)和地板溫度時均能達到很好的舒適性。室內(nèi)人員活動區(qū)的溫度變化受地板溫度增加的影響程度較小，當?shù)匕鍦囟仍黾訒r人員活動區(qū)溫度上升幅度較小，即室內(nèi)溫度對地板表面溫度變化敏感度較低。

2）提高送風速度時，室內(nèi)空氣溫度變化不大，但卻容易造成局部區(qū)域吹風感的增加。置換通風時腳踝處的吹風感相較于其他通風方式有明顯的提升。在模擬的36 種工況中，置換通風中由垂直溫差引起的豎直不滿意率略高于其他通風方式。

3）相對于增加地板表面溫度，增加送風溫度后室內(nèi)溫度增加較多，且室內(nèi)高度方向的溫度均勻度更好，因此室內(nèi)環(huán)境受送風溫度的影響較大。