置换通风加薄膜冷却吊顶系统的热舒适性研究

置换通风加薄膜冷却吊顶系统的热舒适性研究华北电力大学王琳☆荆有印高元刘磊摘要为了避免结露和下降气流，在置换通风/冷却吊顶系统的冷却吊顶下方加装对长波具有高透过率的薄膜密封包裹，该薄膜和冷却吊顶下表面之间保留一真空夹层。并采用计算流体力学（CFD）方法，模拟了同一办公室内置换通风/冷却吊顶系统（DV/CC）以及置换通风加薄膜冷却吊顶系统（DV/CCF）两个模型中的温度场、速度场和PMV指标的分布情况。通过比较模拟结果，分析改进后的流场特性，结果表明：薄膜的温度近似等于冷却吊顶下表面周围空气的温度值，薄膜表面和冷却吊顶不可能结露，下降气流也相应减少。关键词置换通风；薄膜；冷却吊顶；透过率；室内空气品质ThermalComfortResearchindisplacementventilation/coolingceilingsystemplusafilmWangLin,JingYouyin,GaoYuanandLiuLeiNorthChinaElectricPowerUniversityAbstractInordertoavoidcondensationanddowndraft,coverthecoolingceilingwiththediathermanousfilmhavinghighpenetrationrateforlongwaveradiation,andtherebeingalayerofvacuumbetweentheceilingundersurfaceandthefilminthedisplacementventilation/coolingceilingsystem.Andboththedisplacementventilation/coolingceilingsystem(DV/CC)andthedisplacementventilation/coolingceilingsystemplusafilm(DV/CCF),usingthecomputationalfluiddynamics(CFD)methodtosimulatethevelocityfield、thetemperaturefieldandPMVdistributionsituationofanoffice.Bycomparingthesimulationresults,thecharacteristicsofflowfieldimprovedareanalyzed,theresultshowsthatthetemperatureofthefilmisalmostequaltothetemperatureofindoorairaroundtothecoolingceilingundersurface,anddewcondensationwillnothappenonthesurfaceofthefilmandthecoolingceiling,meanwhile,downdraftmayalsobereduced.Keywordsdisplacementventilation；film；coolingceiling；penetrationrate；indoorairquality0引言现今空调的发展趋势越来越趋于“以人为本”，而传统的风机盘管或集中式中央空调一般都存在不同程度的吹冷风感，室内空气品质（IndoorAirQuality，简称IAQ）差，影响舒适性，系统运行能耗较大等缺点。独立的置换通风（简称DV）系统能够承担的负荷较小，最大供冷能力有限约为30~40W/m2[1-2]；冷却吊顶（简称CC）系统垂直温差较大，表面易结露，并且不具有除湿能力，不能承担室内的潜热负荷，因此必须配合通风系统。置换通风/冷却吊顶（简称DV/CC[3-5]）作为一种新型的空调系统，既兼顾置换通风气流流场较良好的室内空气品质和节能效果，又兼顾冷却吊顶（简称CC）较好的热舒适度和较高制冷量的优点；同时由于辐射换热的存在，人体所感受的温度要比实际空气温度低约1~2℃[6]，所以在采用该系统时可以将室内设计温度提高1~2℃，但人体的舒适感相同。但是该混合系统存在结露和下降气流等缺点。为克服上述问题，本文采用置换通风加薄膜冷却吊顶系统，即在置换通风加冷却吊顶系统的基础上，在冷却吊顶下方加装对长波（5~15μm，房间常温辐射波长范围）图1模拟房间布置图具有高透过率的薄膜密封包裹，该薄膜和冷却吊顶下表面之间保留一层真空夹层，这种置换通风加薄膜冷却吊顶系统简称为DV/CCF系统[7]。为了评价DV/CC和DV/CCF这两种系统的室内空气品质和热舒适性，采用数值模拟的方法对这两种系统中的室内温度场、速度场和PMV指标的分布情况进行比较分析和讨论。1模型建立1.1物理模型本文采用的一个典型办公室进行研究，房间的几何形状及内部布局具体详见图1，其尺寸（长×宽×高）为7.2m×5.0m×2.96m，其中高度为地板上表面至冷却吊顶下表面的距离。五台300W的电脑分别放置在高0.7m的书桌上，每台电脑前坐有一个人。三盏120W的荧光灯分别布置于天花板上。1.0m×0.3m的置换送风口布置在外墙下部，送风方式为下送风；0.5m×0.5m的排风口设于对面墙壁上部。冷板布置在三盏荧光灯之间，冷却吊顶总面积22.98m2，占吊顶建筑面积的61%。1.2数学模型本文选取CFD软件进行数值仿真模拟研究。室内的湍流Re数较低，采用文献[8]推荐的室内零方程（Indoorzeroequation）模型作为紊流附加方程；在近壁面处采用标准壁面函数法；采用波希涅斯克假设处理浮升力的影响，即流体密度仅依赖温度变化，与压力无关；辐射模型采用表面-表面模型（即Surface-to-SurfaceRadiationModel）来考虑冷却吊顶与其他固体表面间的辐射传热。因壁面和热源附近存在较大的温度和速度梯度，所以对网格进行加密；送风口和回风口附近的网格亦加密处理；其余空间网格较疏，以提高计算速度。1.3模拟工况模拟中为简化问题，可作如下假设：(1)对于边界条件的设定房间三面内墙与外界无热交换，设为绝热即第三类边界条件；而另一面与门相对的北墙为外墙，设为第一类边界条件；辐射墙面假设为灰体；(2)对于流场计算条件的设定室内流体为不可压缩常物性牛顿流体；(3)忽略人体活动的影响。几种模拟工况的供冷参数和边界条件均设为相同：置换通风的送风速度0.3m/s，送风温度为18℃，相对湿度为50%；冷板表面温度取进出口平均水温为16℃；室内的热源情况也设定为相同。分别模拟DV/CC、DV/CCF这两种复合系统联合运行模式下的室内热环境状况和场分布情况。其中，DV/CCF系统选择最理想情况进行模拟研究。在冷却吊顶表面加装薄膜的最理想情况是：薄膜对长波（5~15μm）的透过率为100%，薄膜和冷却吊顶表面之间的夹层为真空夹层[4]。2模拟结果与分析2.1室内速度场为了分析比较两种系统的气流分布情况和下降气流对工作区人员的影响，模拟DV/CC和DV/CCF两系统垂直截面A-A处的速度场分布，模拟结果详见图2和图3。由图2和图3模拟结果可知，两个系统在人员主要活动区域内空气流态均为层流，不但有效保证了空气品质，而且不会使人员产生吹风感。其中，DV/CC系统中A-A截面人员呼吸区附近速度约为0.10m/s；DV/CCF系统中A-A截面人员呼吸区附近速度约为0.05m/s。可见，DV/CCF与DV/CC系统相比下降气流相对较弱，减少了下降的冷气流对工作区人员的影响。2.2室内预期投票率指标DV/CC和DV/CCF系统垂直截面A-A的PMV图见图4和图5。由Fanger教授统计分析的PMV-PPD关系以及ASHRAEStandard55-1992的舒适区可知其确定原则是使80%的人满意（即PMV=±0.85）[9-10]。由图4和图5可知，在DV/CC系统中，人员主要活动区PMV指标大致保持在-0.5~0范围内；而在DV/CCF系统中，人员主要活动区PMV指标大致保持在-0.25~0.25范围内。则DV/CCF系统与DV/CC系统相比工作区空气品质相对较高。但由于两者都保持在-0.85~0.85范围内，所以都满足舒适性要求。2.3室内温度场DV/CC和DV/CCF系统人员呼吸区1.1m高处水平截面B-B的温度场分布云图详见图6和图7。由图6可知，在DV/CC系统中，B-B截面的平均温度约为25.5℃，而冷却吊顶下表面温度仅为16℃，室内竖图2DV/CC系统A-A截面速度场图3DV/CCF系统A-A截面速度场图4DV/CC系统A-A截面PMV图图5DV/CCF系统A-A截面PMV图直温度梯度较大；从0.1m到1.1m的温差约为2.4℃，但仍符合ISO7730的规定（即0.1m与1.1m的温差不超过3℃）。由图7可知，在DV/CCF系统中，B-B截面的平均温度约为27.4℃，而因为加装的薄膜对长波透过率很高且冷却吊顶和薄膜之间是真空夹层，薄膜的温度几乎不受冷却吊顶辐射换热的影响，而近似等于薄膜同等高度处周围空气的温度约为23℃，室内竖直温度梯度较小；从0.1m到1.1m的温差约为1.2℃，符合ISO7730的规定。可见，DV/CCF系统由于加装薄膜，大大减小了与外围空气间的对流换热量，房间这样的温度分布可使下降气流大大减弱，几乎不影响置换通风的流型，工作区空气品质提高。2.4室内结露情况可以通过模拟DV/CC和DV/CCF两系统冷却吊顶下表面的温度和相对湿度分布来分析比较两种系统的结露情况，其中，两系统的相对湿度分布云图详见图8和图9。当冷板表面温度一定时，必须控制室内露点温度比冷板表面温度低1℃[11-12]才可避免结露。由模拟结果可知，在DV/CC系统中，冷却吊顶下表面同等高度处周围空气的温度约为16℃，查dh图可知冷却吊顶下表面相对湿度大于93%（对应空气的露点温度为15℃）的点易结露；由图8可知，发生结露的危险性很大。在DV/CCF系统中，冷却吊顶下表面同等高度处周围空气的温度约为23℃，查dh图可知冷却吊顶下表面相对湿度大于95%（对应空气的露点温度为22℃）的点易结露；由图9可知，这种在冷却吊顶下加装薄膜的工况几乎无结露的可能性。可见DV/CCF系统很好的解决了DV/CC系统因表面易结露，供冷能力有限的问题。3结论运用室内零方程紊流模型模拟了两种工况下室内的温度和速度场分布。模拟结果表明DV/CCF系统比DV/CC系统具有更加合理的速度场和温度场分布，同时提高了工作区的空气品质，改善了室内的热舒适性。图6DV/CC系统B-B截面温度场图7DV/CCF系统B-B截面温度场B-B截面温度场图8DV/CC冷吊顶下表面RH分布图9DV/CCF冷吊顶下表面RH分布（1）由模拟结果可知，两个系统的温度场只有在送风口及其上部变化较大，但在人员主要活动区域内变化较小。本文模拟DV/CCF系统时选用的是最理想工况，即在冷却吊顶下表面加装对长波透过率为100%的薄膜，且薄膜和冷却吊顶下表面之间的夹层为真空层。此工况下薄膜的温度将近似等于薄膜下方空气的干球温度，因此可近似认为没有对流换热，所以也就没有下降气流，完全不影响置换通风的流型，同时减小了室内竖直温度梯度，提高了室内的空气品质。（2）两个系统在人员主要活动区域内空气流态均为层流，不但有效保证了空气品质，而且不会使人员产生吹风感。但加装薄膜后的DV/CCF系统较DV/CC系统在人员呼吸区附近速度更小，减少了下降的冷气流对工作区人员的影响。两个系统在人员主要活动区域内PMV指标均满足舒适性要求（-0.85~0.85范围内）。但DV/CCF系统与DV/CC系统相比PMV指标更适宜，工作区空气品质相对较高。（3）由冷却吊顶下表面的温度分布和相对湿度分布云图可知，在冷却吊顶下表面加长波高透过性薄膜后，因为薄膜温度较高，所以在常用的冷板供水温度范围内可以较好的避免下表面结露的问题，同时也不必严格限制冷却吊顶的制冷量在总制冷量中所占比例。参考文献:[1]王子介．低温辐射供暖与辐射供冷[M]．北京