（工程热物理专业论文）冷却顶板空调系统的数值模拟与实验研究.pdf

中文摘要 冷却顶板空调系统是一种节能、舒适的空调系统，在提倡节能、环保的今天， 冷却顶板空调系统被认为是一种较好的选择，是空调末端方式的革新，越来越受 到国内外的重视。 本文通过数值模拟和实验相结合的方法，对冷却顶板空调系统进行研究，为 这种新型空调系统的应用提供一定的依据。在数值模拟方面，应用计算流体力学 软件建立数学模型，在给定的边界条件下对模型内的温度场、速度场进行模拟， 得出温度场和速度场的分布及其影响因素。对冬季使用顶板供暖进行数值模拟， 并得出很好的效果，冬、夏可以共用一套设备，大大节省初投资。在实验方面， 由于受到实验条件的限制，根据相似理论，建立几何相似比为3 ：1 的实验模型，采 用毛细管式冷却顶板，室内热源采用电伴热带，其他边界条件与数值模拟时相同。 对数值模拟与实验的结果进行对比分析。根据数值模拟与实验结果对冷却项板空 调系统的经济性和热舒适性进行初步分析。 在不同的工况下，数值模拟和实验结果基本吻合，室内温度场分布比较均均， 在垂直断面和水平断面处的温度差均小于3 ，在人体活动区域内风速均远小于 0 1 m s 。冷却顶板空调系统的制冷及空气处理系统要比空气系统节能2 6 以上。 通过实验进一步验证了数值模拟结果的可靠性，并得出冷却顶板空调系统节 能、舒适的空调系统，为其应用提供了一定的理论和实践依据。 关键词：冷却顶板；数值模拟；实验研究；舒适性；经济性 a b s t r a c t i nt h i s 髓 l e r g ys a v i a ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ns o c i e t y , r a d i a t i o nc e i l i n g ss y s t e m ， a l le n e r g ys a v i n ga n dc o m f o r t a b l ea i r - c o n d i t i o ns y s t e m , h a sb e e na t t r a c t i n gm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n i ti sr e g a r d e da sab e t t e rs u b s t i t u t i o no fc o n v e n t i o n a la i r - e o n d i t o n s y s t e m b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t st o g e t h e r , t h i st h e s i sp r o v i d e sa c e r t a i nb a s i sf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h i sk i n do fa i r - c o n d i t i o ns y s t e m i tb u i l d sa m a t h e m a t i c a lm o d e la p p l y i n gc f dt oa n a l y s et h et e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yf i e l d si nt h e m o d e lu n d e rt h eg i v e nb o u n d a r yc o n d i t i o na n dw o r ko u t 也e i rd i s t r i b u t i o na n da f f e c t i n g f a c t o r s t h i sa r t i c l ea l s oa p p l i e sn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d y0 1 1r a d i a t i o nc e i l i n g s h e a t i n gi nw i n t e r ，a n dw o r k so u tag o o dr e s u l t , s ot h es a m ee q u i p m e n tc a l lb eu s e di n w i n t e ra n ds u m m e l t os a v ci n v e s t m e n tg r e a t l y o na s p e c to fe x p e r i m e n t s a e e o r ( 1 i n gt o s i m i l a r i t yt h e o r i e s ，t h i st h e s i sb u i l d se x p e r i m e n tm o d e la d o p t i n gc a p i l l a r yt y p ec e i l i n g s a n da d o p t i n ge l e c t r i c i t yc o m p a n i o nt r o p i c a lz o n e 笛i n d o o rh o ts o u r c ：e o t h e rb o u n d a r y c o n d i t i o n sa r ea ss a m ea st h o s eo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e ni tc o m p a r e dt h er e s u l to f e x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s e si t se c o n o m i c a la n dc o m f o r t a b l e c h a r a c t e r i s t i e s u n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n th a s g e tt h e s a m er e s u l t ；i n d o o rt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o ni ss y m m e t r i c a l t h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e np e r p e n d i c u l a rc t o s ss e c t i o na n dt h el e v e lc t 0 $ $ s e c t i o n i sl e s st h a n3 ca n dt h ew i n ds p e e di sl e s st h a n0 1 r r d s i ns u m m e r , t h er a d i a t i o n c e i l i n g ss y s t e m ，c a ns a v e2 6 e n e r g yt h a na i rs y s t e m b yt h ee x p e r i m e n t s ，t h i st h e s i sf u r t h e l v e r i f i e dt h ec r e d i b i l i t yo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d p r o v i d e d ac e r t a i nt h e o r i e sa n d p r a c t i c eb a s i sf o ra p p l i c a t i o n o f r a d i a t i o n c e i l i n g ss y s t e m k e yw o r d s ：r a d i a t i o nc e i l i n g s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t ；e n e r g y s a v i n g ；c o m f o r t a b l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得蠢鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：p 尔卮签字日期：彻彳年f 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘翌有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 黟席 签字日期：彻6 年f 月f ，日 新签名：易荪 签字日期：历彩年月f 乡日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 我国建筑能耗现状 第一章绪论 随着社会进步和经济发展，人们的生活水平不断提高，现代人们对居住建筑 环境的要求也越来越高，因而对通风空调技术也提出了更高的要求，舒适和节能 已成为暖通空调领域的基本课题。 目前我国城镇建筑消耗的能源为全国商品能源的2 3 2 6 。此数值仅为建 筑运行所消耗的能源，不包括建筑材料制造用能及建筑施工过程能耗。随着我国 城市化程度的不断提高，第三产业占g d p 比例加大以及制造业结构的调整，建 筑能耗比例将继续提高。根据近3 0 年来能源界的研究实践，目前普遍认为建筑 节能是各种节能途径中潜力最大、最为直接有效的方式，是缓解能源紧张、解决 社会经济发展与能源供应不足这对矛盾的最有效措施之一。 在大型公共建筑采暖空调能耗中，6 0 7 0 1 】的能耗被输送和分配冷量的 风机水泵所消耗，这是导致此类建筑能源消耗过高的主要原因之一。表1 1 1 2 】给 出了办公楼的一次能耗消费构成。从表中可以看出，在空调能耗中，热源系统约 占4 2 4 ，输送系统约占5 7 6 。如果从用电量的角度来分析，办公楼各部分 耗电量的比例关系见表1 - 2 2 1 。由此可见，照明和空调，特别是空调，占据了建 筑耗能的绝大部分，因此，对于一个空调系统来说，其是否节能具有很重要的意 义。 表l 一1 建筑能耗构成 建筑能耗 1 0 0 空调用 4 7 2 源熟源本体1 6 热源辅机4 换气用风机1 0 ，9 空调用风机9 5 空调用水泵6 8 输送、卫生、其它用2 0 5 照明用3 2 3 第一章绪论 表i 一2 办公楼各部分耗电比例 照明用3 3 3 总用电量 冷暖空调4 1 4 冷冻机1 0 2 1 0 0 空调动力2 7 2 其它动力( 电梯、给捧水等) 2 5 3 建筑物的能耗，按其用途可分为空调用、照明用、运输用、卫生用及其它用 能。其中空调用能耗在建筑物总能耗中的比例相当大。当然，根据建筑物的用途 及设备的完善程度，其比例将有很大差异。以设备完善的办公楼为例，空调用能 耗约占其总能耗的4 7 2 1 左右，所以现在的空调系统能耗已成为城市供电系统的 巨大压力。 1 1 2 建筑空调节能发展趋势 现在普遍使用的空调系统由房问送风量来决定该房间的总负荷，通过对流来 消除室内的热、湿和污染物。空调方式的排热排湿都是通过空气冷却器对空气进 行冷却和冷凝除湿，再将冷却干燥的空气送入室内，实现排热排湿。考虑5 。c 传 热温差和5 。c 介质输送温差，实现1 6 左右的露点温度需要6 c 的冷源温度。然 而空调需要的排热是在2 5 环境下实现，此时冷源温度只需1 5 即可。显热排 热量一般为总热量的5 0 以上，这部分本可以采用高温冷源即可排走的热量也 与除湿一起共用5 7 c 低温冷源，因而就造成能量利用上的浪费。因此，将温 湿度分开处理的空调方式就成为建筑空调节能的发展趋势。冷却顶板空调系统是 目前国内外研究的一个重点方向。 冷却顶板空调系统通过不同的系统分别单独控制室内的温度和湿度，可采用 的末端装置为：以去除潜热负荷为目的的送风系统，和以去除显热负荷为目的的 冷却顶板装置。在常规空调系统中，冬季为避免吹风感，即使安装了空调系统， 有时也不使用热风，而是通过另外的暖气系统的采暖散热器供热：这样就导致室 内重复安装两套环境控制系统，分别供冬夏使用。冷却顶板空调系统可以很好的 解决这一问题，使得冬夏可共用一套设备进行采暖和空调。另外，冷却项板系统 还具有避免吹风感、提高舒适性等特点，具有非常广阔的应用前景。 1 1 3 冷却顶板空调系统的基本特点 冷却顶板空调系统将消除显热负荷同湿及有害物负荷相分离，通过顶板辐射 和对流来消除显热负荷，而湿及有害物负荷通过独立的通风系统来实现，通风量 只需达到满足卫生要求的最小通风量即可，因此可大大减少风机耗能。所以它具 第一章绪论 有许多传统空调系统无法比拟的优点，尤其是在经济性和热舒适性方面。冷却顶 板加新风除湿系统与传统的全空气系统相比可以节约一次能源4 4 t 3 1 左右。冷却 顶板主要是以辐射换热为主，降低了垂直温度差，供暖量或制冷量在一定范围内 随负荷的变化而变化，这一特点使得房间空气温度比较稳定，并且室内风速较小； 无吹风感，所以在冷却顶板空调环境中就增加了人体的舒适感。其原理如图1 一 l 所示。 j o 篇、)卫 粼，赓 三蚋制i 1 ) 项板下方产生的对流热流2 ) 墙壁产生的对流热流3 ) 室内热源产生的上升热流 图l - 1 冷却顶板空调工作原理图 1 1 4 常见的冷却顶板末端设备形式 冷却顶板系统的冷却辐射板大致划分为两大类：一类是沿袭辐射采暖板的思 想，将特制的塑料管直接埋在水泥楼板中，形成冷辐射地板或顶板；另一类是以 金属或塑料为材料，制成模块化的辐射板产品，安装在室内形成冷辐射吊顶或墙 壁，这类辐射板的结构形式较多。常见的冷却顶板末端设备有以下几种： ( 1 ) “水泥核心”结构( 简称c 型) 这一结构是沿袭辐射采暖的思想而设计的，它将特制的塑料管或不锈钢管， 在楼板浇注前将其排布并固定在钢筋网上，浇注混凝土后而形成的。这一结构在 瑞士得到广泛的应用，在我国也有少量的试点应用。这种辐射顶板结构工艺较成 熟，造价相对较低。由于混凝土楼板具有较大的蓄热能力，因此可以利用c 型 辐射板实现蓄能；从另一方面看，系统惯性大、启动时间长、动态响应慢，有时 不利于控制调节，需要很长的预冷或预热时间。 第一章绪论 ( 2 ) “三明治”结构( 简称s 型) “三明治”结构是以金属，如铜、铝和钢，为主要材料制成的模块化辐射板产 品，从截面看，中间是水管，上面是保温材料和盖板，管下面通过特别的衬垫结 构与下表面板相连。其结构形式如图1 - - 2 a 所示。 图l 一2 as 型辐射板结构示意图 这种结构的顶板集装饰和环境调节功能于一体，是目前应用最广泛的辐射板 结构。s 型辐射板质量大、耗费金属较多，价格偏高。 ( 3 ) “冷网格”结构( 简称g 型) “冷网格”结构一般以塑料为材料，制成直径小( 外径2 3 m m ) 间距小( 1 0 2 0 m m ) 的密布细管，两端与分水、集水联箱相连，形成“冷网格”结构，如图l 一2 b 所示。 图1 2 bg 型辐射板结构示意图 这一结构可与金属板结合形成模块化辐射板产品，也可以直接与楼板或吊顶 板连接。其突出特点是布置灵活，由于采用塑料原料，因此质量轻、价格便宜。 其缺点是塑料之间、塑料与金属管道之间的连接件要求较高。 ( 4 ) “双层波状不锈钢膜”结构 4 1 ( 简称f 型) “双层波状不锈钢膜”结构是由两块分别压模成型的薄不锈钢板( 约0 6 m m 厚) 点焊在一起，由于两块板凸凹不序，因此在两块板间形成水流通道，见图l - - 2 e 。这种结构大大降低了从水到室内空气的传热热阻，可以作为吊顶安装于室 内，或固定在垂直墙壁上，是瑞士最新型的产品。这种结构对生产工艺、特别是 第一章绪论 金属板的加工工艺要求较高。水流可在板内通道均匀分布，系统性能很好。 图l 一2 cf 型辐射板结构示意图 在同样的供水温度下，由于其结构不同，传热效果不同，不同型式的冷却 顶板表面温度是不一样的。对于s 型，在夏季供冷时当供水温度为1 6 。c 时，其 平均表面温度约为1 7 4 c ，f 型的传热效果最佳，其表面温度非常接近板内水的 温度。 1 2 冷却顶板空调的发展与国内外研究现状 冷却顶板起源于欧洲，早在几十年前就已出现，但真正得到广泛应用还是近 几年。由于传统的空调系统的吹风感和噪声等阀题一直得不到很好的解决，这就 使得冷却项板空调系统得到人们的关注。在欧洲，冷却顶板技术已相当成熟。后 来又逐渐在美国和日本有所发展，现在已成为国际注意的一个方向。 文献【7 】采用实验与数值模拟相结合的方法，对冷却顶板加置换通风系统的室 内热舒适性参数、空气品质、能耗、初投资及设计参数进行了研究，得出了以下 结论： 1 、冷却顶板加置换通风系统具有置换通风系统的高品质空气和冷却顶板系 统的热舒适性的优点。 2 、冷却顶板所承担的冷负荷的比例是影响室内温度梯度和空气品质的一个 重要因素。顶板承担冷负荷的比例越大，室内空气品质越高，越舒适。 3 、冷却顶板加置换通风系统的能耗与v a v 系统相比有可能高也有可能低， 这主要取决于室内冷负荷的大小、室外气象条件和房屋类型等因素。当冷负荷较 大时冷却顶板系统比v a v 系统更经济。 第一章绪论 文献阴运用数值模拟软件t r n s y s ，对v a v 系统和冷却顶板系统的能耗和 初投资进行了比较。当冷负荷在4 5 5 5 w m 2 时，冷却顶板的初投资比v a v 系 统要低2 0 以上。使用自然冷却时，冷却顶板比v a v 系统节能1 0 2 0 ，不 使用自然冷却时二者能耗相当。 文献【9 】通过实验对冷却顶板系统的热舒适性和能耗进行了研究，为便于比 较，设定了3 种实验条件，即：冷却顶板加空气处理系统、带回热器的全空气系 统、全空气系统。通过问卷的方式对室内热舒适性进行调查，结果表明，使用冷 却项板供冷时有8 0 的受试者感到舒适或比较舒适，与全空气系统相比冷却顶 板系统能够创造舒适的室内环境。当用冷却顶板供暖时，有更多的受试者感到舒 适。 近年来，冷却顶板空调技术在我国得到应用，受到国内人士的重视。但在实 验和实际应用方面，冷却顶板空调还缺乏足够的数据。 1 3 冷却顶板空调系统的优点f 1 4 】 冷却顶板空调系统将消除显热负荷同湿及有害物负荷相分离，通过顶板消除 显热负荷，而湿及有害物负荷通过通风系统来实现，通风量只需达到满足卫生要 求的最小通风量即可，因此可大大减少风机耗能。所以它具有许多传统空调系统 无法比拟的优点，尤其是在经济性和熟舒适性方面。而且可以使用高效节能的可 再生能源利用技术地源热泵，不必同时设置锅炉和制冷机，大大减少初投资， 提高了设备利用率，同时也为地源热泵这类节能装置的推广和使用提供了有利条 件，为吸收式制冷机等设备的开发利用提供了潜在市场。 1 3 1 经济性 冷却顶板空调在降低能耗方面是非常可观的，由于冷却顶板系统部分负荷由 顶板承担，所以和传统空调方式相比送风量大大降低，这就节省了大量风机所消 耗的功。当辐射传热比例比较大时，由于辐射作用，人体的实际感受温度会比室 内实际温度低2 左右，所以在相同的热感觉下，和传统空调系统相比，冷却顶 板系统室内空气温度可以高一些，室内设计温度比传统的全空气系统高2 3 ， 因此在装有冷却吊顶的房间内，其室内空气温度可以比常规空调系统房间内的空 气温度高2 3 ，但人的舒适感相同。在相同的舒适度情况下，冷却吊顶系统 要比对流系统可少消耗能量。 冷却顶板可利用天然冷源地下水，可以免去制冷系统的能耗，使系统运 行费用降低，并且不污染环境。表1 3 给出了我国各地区地下水的温度，从表 第一章绪论 中可以看出，除第区外，其它地区均能满足冷却顶板夏季制冷时水温的要求。 表l - - 3 全国各地地下水温分区表 分区 地 区地下水温( ) 1 区 黑龙江、吉林、内蓑古，辽宁大部、河北、山西、陕西偏北部、宁夏东部 区 北京，天津、山东、河北、陕西大部分、河南南部、青海东部、江苏北部 区 上海、浙江江西、安徽，江苏大部分、福建北部、湖南、湖北东部 区 广东、台湾，广西大部分、福建，云南南部 v 区 贵州、四川、四川，云南大部、湖南西部、湖北西部、陕西和甘肃的秦岭以 南地区、广西北部 6 1 0 l o 1 5 1 5 2 0 2 0 1 5 2 0 下面是同一幢建筑物在相同设计工况下，空气系统和冷却顶板系统的三种不 同空调方式的能耗及能耗费用的比较 1 5 】。表1 - - 4 给出了三种不同方式的能源消 耗和能源消耗费用的对比情况。 表1 - - 4 能源消耗量和能源消耗费用的对比 系统2 、3 中，冷却塔的泵与风机还有冷却项板中的循环泵所消耗的电源比 系统l 多，但是由于全年送风量小了很多，因此总的来说，与系统l 相比，系统 2 、3 的泵与风机的能耗量分别减少了3 6 和4 0 。而系统2 的6 4 与系统3 的 6 0 的差别是因为系统3 中冷水机组的泵工作时间短。 系统2 冷却顶板和空气冷却器机械制冷发生量是系统l 的5 5 倍，系统3 由 于使用了自然冷源，机械制冷发生量从5 4 7 降到1 2 5 ，但还是高于1 0 0 ， 这是因为变风量系统使用自然冷源的时间比系统3 长。冷却塔冷却水能否当冷源 使用取决于冷却顶板所要求的冷水温度以及蒸发冷却使冷却水达到这个温度室 外空气的湿球温度。 虽然系统2 空气加热器能耗与机械制冷发生量大于系统l ，但是由于风机和 第一章绪论 泵节约了大量电能，因此总能耗费用仍比系统1 降低了2 2 ，系统3 由于使用 了自然冷源，能耗费用又降低了1 5 。因此与传统的通风系统相比，冷却顶板 的节能效果明显，更具经济性。 冷却顶板的经济性还表现在以下几点： 1 ) 水的热传导率要比空气大4 0 0 0 倍左右，所以在相同条件下只需较小的水 量，从而使管道所占的空间减小许多。采用体积小的顶板设备，可增加建筑使用 面积和空间；还可减少层高，或在同样的建筑总高度范围内增加楼层数量。 2 ) 冷却顶板空调有利于调节和控制。顶板的供、回水管连接到分配器上， 只在要分配器上设置调节阀或控制装置，就可以方便地对各个房间的制冷量进行 调节控制。 3 ) 由于顶板所需的水温较高，进而可以提高冷水机组的蒸发温度，将会增 加冷水机组的c o p ，使制冷机的效率提高。 4 ) 辐射制冷的冷效应快，受热缓慢。在制冷期间围护结构、地面和环境中 的设备表面吸收辐射冷量，并贮存一部分冷量，制冷停止后，这些贮存的冷量开 始向环境散发，还可以保持一定的冷环境。因此冷却顶板空调特别适用于需要间 歇制冷的场所，如剧院、会场等。 1 3 2 热舒适性 在提高室内空气品质，创造舒适的室内环境方面冷却顶板空调系统具有许多 固有的优点。在舒适条件下，人体产生的全部热量，是以一定的比例散发的：大 致为对流散热占3 0 ，辐射散热占4 5 ，蒸发散热占2 5 t 5 1 。从中可以看出辐 射换热对人体的舒适感是很重要的。而冷却顶板系统中的顶板辐射作用就弥补了 传统空调中以对流为主的不利因素，增加了人体的辐射热量，有助于提高室内舒 适度。 周围空气的流动速度是影响人体对流散热和水分蒸发散热的主要因素之一。 气流速度大时，由于提高了对流换热系数及湿交换系数，使对流散热和水分蒸发 散热随之增强，亦即加剧了人体的冷感。而冷却顶板主要是以辐射换热为主，降 低了垂直温度差。例如，对于夏季使用的通风空调系统，室内垂直温度差可达7 6 c 以上，使用冷却顶板系统可使温度差降至3 以下。冷却顶板的供暖量或制冷量 在一定范围内随负荷的变化而变化，这一特点使得房间空气温度比较稳定，并且 室内风速较小无吹风感，所以在冷却顶板空调环境中就增加了人体的舒适感。 1 3 3 清洁卫生 第一章绪论 现在使用的中央空调系统中绝大多数采用一次回风或二次回风系统，各个空 间的回流空气汇集在一起，再与一定比例的新风混合，经降温除湿后，再分配到 所需要的空间，这样就容易发生空间细菌交叉传播。这就是在“非典”期间有关部 门要求不使用空调的原因之一。冷却顶板空调系统采用全新风送风和无回风，并 且将室内热湿分开处理，保证了房间之间无交叉感染，不会导致室内空气对流所 产生的尘埃飞扬及积尘，可减少墙面物品或空气污染，消除了散热设备和管道积 尘及其挥发的异味，使室内空气品质得到有效改善，符合“免疫空调”的要求。 1 3 4 自调节性 因为冷却顶板系统的制冷量随冷板水温与空气温度之问的温差的增加而增 加，随着温差的减少而减少，所以冷却顶板系统的制冷量会随着室外气温的变化 而自动调节。当室外气温升高时，室内气温也开始随之升高，此时冷却顶板的工 作温差加大，其制冷量也随之增加，反之亦然。这一性质非常有利于室内环境的 稳定，减小了自控系统的压力。 1 4 冷却顶板空调在国外的应用实例习 在国外冷却项板大部分应用于银行和办公建筑等舒适性要求较高的场所。由 于冷却顶板应用的主要局限在于结露问题，开始时大都应用在低湿环境下，最近 由于在研究除湿问题上的突破，冷却顶板加置换通风除湿系统被广泛地应用于各 种场合。 图l 一3 为冷却顶板应用于对室内环境要求较高的高分辨电子显微镜室。 凰l - - 3 高分辨电子显微镜室用冷却顶板供冷 冷却顶板对热负荷的变化反应特别快，具有自调节性，因此比较适合应用于 会议室、影剧院等间歇供冷的场合，图1 4 为会议室应用顶板系统采暖和供冷 第一章绪论 实例。 图l 一4 会议室应用顶板空调采暖和供冷 图l 一5 为辐射板垂直安装在起居室的墙壁上。更有趣的是在浴池的应用， 如图1 - - 6 所示，在淋浴器的周围安装一个弯曲的辐射板，这样不但可以可以供 暖，而且还可以阻挡水花的飞溅。 图1 5 起居室应用顶板采暖，供冷图1 6 弯曲的辐射板在浴池的应用 1 5 本课题研究的目的、内容和方法 本文将通过数值模拟与实验相结合的方法对冷却顶板这种新型的空调末端 设备的应用提供一定的研究依据。 使用计算流体力学软件c f d 对冷却顶板空调系统进行数值模拟，分析室内 温度场及速度场。根据相似理论的原理，建立实验模型，通过实验进一步验证冷 却顶板空调系统的性能。主要工作如下： l 、建立物理模型，对冷却顶板空调系统进行数值模拟，分析室内温度场、 速度场的分布及其影响因素； 2 、根据相似理论对冷却顶板空调系统进行实验研究，将实验结果与数值模 拟结果进行比较分析； 3 、根据物理模型和数值模拟结果，对冷却顶板空调系统的经济性的室内热 第一章绪论 舒适性进行分析； 4 、对顶板运用于冬季采暖时进行数值模拟，分析其可行性及存在的问题。 1 6 本章小结 本章介绍了冷却顶板的特点及形式，以及目前国内外的研究现状和应用情 况。介绍了本文研究的目的、内容和方法。 第二章数值模拟理论基础与结果分析 第二章数值模拟理论基础与结果分析 2 1 数值模拟理论基础 2 1 1 数值传热学的基本思想与c f d 软件 数值传热学又称计算传热学，是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数 值方法通过计算机予以求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。其基本 思想是：把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场( 如速度场、温度场、浓 度场等) ，用一系列有限个离散点上变量值之间关系的集合来代替，通过一定的 原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程( 离散方程) ，求解所建立 起来的代数方程以获得所求解变量的近似值【1 6 1 。 在过去的几十年内已经发展出了多种数值解法，其间的主要区别在于区域的 离散方式、方程的离散方式及代数方程求解的方法这3 个环节上。在流动与传热 计算中应用广泛的是有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) ，有限元法( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，有限分析法( f i n i t e a n a l y t i cm e t h o d , f a m ) 及有限容积法 ( f i n i t ev o l u m em e t h o d f v m ) 。 其中有限容积法将计算区域划分成一系列控制容积，每个控制容积都有一个 节点作代表。通过将守恒型的控制方程对控制容积做积分来导出离散方程。在导 出过程中，需要对界面上的初求函数本身及其一阶导数的构成作出假定，这种构 成的方式就是有限容积法中的离散格式。用有限容积法导出的离散方程可以保证 具有守恒特性，而且离散方程系数的物理意义明确，是目前流动与传问题的数值 计算中应用最广泛的一种方法。 c f d 是计算流体力学的简称，是建立在经典流体力学与数值计算方法基础 之上的一门新独立学科，通过计算机数值模拟和图像显示的方法，在时间和空间 上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。它兼有理论性和实 践性的双重特点，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的计算技术 【1 3 1 。 暖通空调领域内的流动多为湍流流动，粘性流动可用n a v i e r - s t o k e s 方程来 描述，而c f d 中最基本的控制方程为粘性流体的n a v i e r - s t o k e s 方程。对于湍流 流动，采用应用较广的湍流模型，从而得到一组封闭的偏微分方程组，结合相应 的边界条件，构成了实际问题的数学物理模型。形式上，上述方程可以表示为如 第二章数值模拟理论基础与结果分析 下统一的非稳态对流一扩散方程形式： 掣+ 研汹) = d v ( r g r n d * ) + s 下。 ( 2 1 ) 瞬态项对流项扩散项源项 采用有限容积方法进行离散后的微分方程组就变成了代数方程组，其形式如 dp 由p = a e * e + d w 由+ d s o s + a # d p n + b ( 2 - - 2 ) 2 1 2 传热与流体流动控制方程 流体是c f d 的研究对象，流体的性质及流动状态决定着c f d 的计算模型及 计算方法的选择，从而决定着流场各物理量的最终分布结果。本文的数值模拟采 用考虑重力影响的三维紊态自然对流模型。计算中所使用的控制方程如下表所 示： 表2 1 流动与传热控匍i 方程 方程名称方程形式 连续性方程 x 动量方程 y 动量方程 z 动量方程 能量方程 翌+div(pu)=00t 挈+ d i v ( p u 垆d i v ( r a d u ) 一罢+ 瓯 了a ( p v ) + d i v ( p v 加d i v ( p g r a d v ) 一考+ 瓯 掣+ d i v ( 炉d i v ( r a d w ) _ - a p + s w 讲倪 百0 ( p t ) + d i v ( p u 耻礁删卜 s i 一微元体上的体积力，本文研究的的室内自然对流，体积力只有重力，且 竖直向上，因此s u = o 、s y = o 、s w = 一p g 。 2 1 3 辐射换热方程 顶板辐射供暖、供冷时，顶板与各围护结构之间的辐射换热量占整个换热量 的大部分，因此必须计算辐射换热量。辐射换热的计算式为： 第二章数值模拟理论基础与结果分析 妒 o e i 志- 4 1 其中：妲一微元体i 的面积； 蜀一微元体i 对j 的角系数； ，占，- i j 微元体表面发射率； c o 一黑体辐射系数，5 6 7 w m 2 k 角系数置，的计算如下式： x 。= 之| 学。以扯 其中：若i j 表面间有遮挡时盯u = 0 ，i j 表面间无遮挡时q = 1 2 1 4 标准k 一占两方程模型 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 本文研究的问题属有限空间自然对流问题，因此必须考虑浮升力的作用。为 便于处理由于温差而引起的浮升力项，采用b o u s s i n e s q 假设，用b o u s s i n e s q 假设 简化后标准k 一占方程为： 掣= 邻+ 纠卦q 一伊 c z 吲 警告纠别+ 争皖屯p 譬 c 2 吲 其中：“一湍流粘性系数 pt=pc“鼍(2-7) g k 一湍流能量产生项 q 铂堕g x jf i , 堕c 3 x j + 割 ( 2 _ 8 ) 方程中的常系数参考文献【1 】取值如下： 巳= 0 0 9 、听= 1 0 、吒= 1 3 、0 7 = 0 9 、c l 。= 1 4 2 、c 2 。= 1 9 2 采用k f 模型求解流动及换热问题时，控制方程包括连续性方程、动量方 程、能量方程、k 方程、方程与式 2 - - 7 ) ，这些方程可以表示成如下的通用形 式： d i v ( d 吖) = d i v ( r g r r a d # ) - i - s ( 2 - - 9 ) 第二章数值模拟理论基础与结果分析 标准k 一占模型针对充分发展的湍流才有效，在壁面区，流动变化较大。特 别是在秸性底层，流动几乎是层流，因此湍流应力不起作用，不能使用标准_ j 一占 模型来求解这个区域内的流动。在壁面区内在c f d 中设置使用标准壁面函数法， 其基本思想是：对于湍流核心区的流动使用k 一占模型求解，而在壁面区不进行 求解，直接使用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区内的求解变量联系起 来【1 卜1 引。 2 1 5 方程的离散 本文中模拟时所用的关于动量、温度、湍流动能及其扩散率等方程的离散是 采用一阶迎风格，关于压力的方程离散采用质量力加权法。质量力加权法是在计 算表面间的压力时，假定压力和质量力之间的差值在法向的梯度保持常数。 离散后的方程可以写成如下的通用形式 口p = ；6 m + 6 ( 2 - - 1 0 ) 方程中下标n b 表示相邻的网格，a p 和a n p 分别是m 和o 。的系数，b 是源项。 在代数方程求解过程中，为了加快或是减慢前后二次迭代之间因变量值的变 化，计算中常常采用松弛技术。由于粘性流体力学基本方程组的强烈的非线性， 在计算复杂的流场时，容易出现迭代发散的现象。为了保证迭代的收敛性，往往 采用欠松弛技术避免发散。本文研究的物理模型在进行计算时欠松弛因子的设置 如下： 压力：0 3 、连续性：0 7 、能量：o 8 其他均设为1 2 2 物理模型的建立 本文以天津市一办公室为例，建立物理模型，进行三维模拟。房间尺寸为 5 m x 4 m x 3 m 。内部热源为人员和计算机，室内有4 个人和4 台电脑，人员模型简 化为o 4 r e x 0 4 m x l 2 m 的六面体，电脑模型简化为0 4 r e x 0 4 m x 0 4 m 的六面体。 送风口设在房问底部，尺寸为o 3 m x l m ，采用下送风方式。排风口设在顶棚的中 央，尺寸为0 5 m x 0 5 m 。f - j 、窗尺寸分别为1 5 m x 2 m 、2 m 1 5 m 。 室内具体布置如图2 1 所示。 第二章数值模拟理论基础与结果分析 b - b 断面 2 2 1 网格划分 图2 1 办公室模型图 为使数值模拟计算求解更合理，网格划分时要使室内物体附近的网格细密 些，如在人员和计算机等处温度和速度梯度大的物体附近网格要适当加密。为了 节省计算时间，在速度和温度梯度小的区域内网格可划分的稀疏些，因为在这些 区域内流动方式变化较小，不需要使用细密的网格。图2 2 为房间内人员和电 脑所在断面( b b 断面) 处的网格分布。 图2 2 房间人员和电脑断面处网格分布图 第二章数值模拟理论基础与结果分析 2 3 边界条件的设定 边界条件与计算参数的设定对于数值模拟的结果的合理性是至关重要的，设 定适当和边界条件和计算参数也有利于加快收敛性。 2 3 1 室内外计算参数的设定 我国采暖通风与空气调节设计规范规定：夏季舒适性空调的室内设计温 度为2 4 2 8 ，相对湿度为4 0 6 0 ，风速不应超过0 3 m s 。本文取室内设 计温度2 5 ，相对湿度鲫，对应的室内露点温度1 6 6 c 。 计算通过围护结构传入室内的热量，要以室外室外空气计算温度为计算依 据；另外，空调房间所使用的部分新鲜空气供人体需要，加热或冷却这部分新鲜 空气所需热量或冷量都与室外空气计算干、湿球温度有关。室内外空气的干、湿 球温度不仅随季节变化，即使在同一季节的每昼夜里，每时每刻室外空气的温湿 度都在变化。 在一段时间内，可以认为气温的日变化是以2 4 小时为周期的周期性波动【l 】。 天津市一年内气温变化曲线如图2 - 3 所示。 图2 3 天津市一年内气温变化曲线 室外计算参数的取值，直接影响室内空气状态和设备投资。夏季取很多年才 出现一次而且持续时间较短的当地室外最高干、湿球温度作为计算干、湿球温度， 则会因设备庞大而形成投资浪费。因此，设计规范中规定的设计参数是按照全年 大多数时间里能够满足室内参数要求而确定的。根据暖通空调设计规范手册【1 9 】， 查取天津市夏季室外计算干球温度：3 3 4 c 、湿球温度：2 6 9 c 、室外平均风速： 2 6 m s 。 第二章数值模拟理论基础与结果分析 2 3 2 围护结构边界条件的设定 外墙采用白灰粉刷的砖墙，厚度为3 7 0 m m ，传热系数按节能标准与设计规 范取1 o w ( m 2 k ) ，热容量为6 1 2 k j ( m 2 k ) 。根据室内外夏季空调设计参数，以 及围护结构传热方程，设定外墙为定热流边界条件，热流量为1 0 w m 2 。 内墙和地面的传热量可以忽略，内墙和地面设为绝热边界条件。 玻璃窗为北向，根据文献【2 0 】的推荐值取太阳辐射热负荷为4 4 w m 2 ，玻璃 的类型取3 m m 厚的单层普通玻璃，通过玻璃窗的总得热负荷为6 0 w m 2 。 根据文献 2 q 冷却顶板供水温度在1 8 2 0 之间。当进口温度为1 8 时， 考虑2 的温差，出口温度为2 0 ，因此顶板表面平均温度为1 9 2 3 。3 送风口边界条件的设定 由于项板承担了室内的热负荷，送风量只需达到室内人员卫生要求及除去湿 负荷即可。根据文献 4 】的规定每人需要新风量为4 0 m 3 h ，总送风量为1 6 0m 3 h ， 送风温度为2 2 。 湍流强度按下式计算： i = 1 1 u = o 1 6 嘛尸 ( 2 一1 1 ) 湍动量k 按下式计算： 1 厂、2 | = 7 。i “i ( 2 1 2 ) 2 k， 2 4 数值模拟结果分析 根据以上所设定的边界条件及计算参数，对物理模型进行迭代计算。迭代 1 9 3 9 次收敛，历时2 0 小时左右。顶板所承担的冷负荷为1 0 5 9 w ，其中辐射换热 量为6 3 0 w ，占整个换热量的5 9 5 。总送风量为1 6 0m 3 h ，送风风速0 4 m s ， 新风所承担的负荷为3 3 8 w ，排风口温度为2 5 c 。 2 4 1 温度场分布 图2 4 为房间内人员和电脑所在处垂直断面的温度分布图。 第二章数值模拟理论基础与结果分析 a ) 人员所在断面( a - a 断面) 处等温线图 b ) 人员和电脑所在断面( b b 断面) 等温线图 图2 4 人员和电脑所在垂直断面处等温线分布图 由于辐射换热所占的比例较大，因此在垂直断面处，人员工作区域内( 图2 - - 2 a ) 的最高温度为2 5 ，最低温度为2 4 1 。垂直温差为0 9 。人员和电脑 所在区域内( 图2 - - 2b ) 垂直温差为1 1 ，小于文献【2 】所规定的室内垂直温度 梯度应小于3 。c 的要求。房间上部温度低，下部温度高，符合热舒适性的要求。 图2 5 为0 1 米处( 人体脚部所在高度) 水平温度场分布图。在0 1 米处水 平面的温度在2 5 2 和2 4 之间，温度差为1 2 ( 送风口附近除外) 。 图2 5 房间o 1 米高度处水平温度场分布图 第二章数值模拟理论基础与结果分析 图2 6 为1 1 米处( 人员坐着工作时头部的高度) 水平温度场分布图，在 1 1 米处水平温度在2 5 2 和2 4 2 之问，温度差为l 。 图2 6 房间1 1 米高度处水平温度场分布图 从室内温度场的分布可以看出，整个空调房间内的温度分布比较均匀。垂直 方向及水平方向的温度梯度都非常小。所以能够很好的满足人体舒适性的要求。 2 4 2 速度场分布 图2 7 为室内人员和电脑所在垂直断面( b b 断面) 处的速度场分布图， 从图中可以看出气流在底部以类似层流的状态向上移动，到达0 8 米左右的高度 处，由于受到室内热源的作用，在热源上方形成对流羽流，卷吸下层及周围空气， 体积流速不断增大，在上层区域形成了湍流区。由于冷却顶板的作用，顶棚附近 温度较低，冷却了周围空气，形成向下的气流，工作区能获得足够新鲜的送风空 气，室内空气品质较高。在房间下部区域空气流速在o 1 m s 左右，不会使人体 有吹风的感觉。 图2 7 人员和电脑所在垂直断面( b b 断面) 处速度场分布图 第二章数值模拟理论基础与结果分析 图2 8 和图2 9 分别为距地面o 1 米和i 1 米高处水平速度场分布图，在 距地面0 1 米处，由于送风速度较小，室内主导气流为热源产生的对流羽流。在 人体周围受热源的影响气流发生偏移。在此断面处，气流速度在0 2 m s 左右。 在距地面1 1 米处( 人员坐着工作时头部的高度) 水平区域在人员和电脑