（工程热物理专业论文）辐射空调末端及COlt2gt热泵的研究.pdf

摘要 近年来，由于建筑能耗增大，环境的污染也日益加剧，其中，传统制冷剂对 环境造成的污染成为主要部分。而且，由于生活水平的提高，人们也对空调的舒 适性提出了更高的要求。因此，采用新型的舒适性空调末端和节能无污染的空调 系统成为人们研究的热点问题。 本文主要研究的是以辐射换热为主的空调末端和与之匹配的c 0 2 跨临界水 水热泵系统，其中包括地板采暖供热和冷天花顶板供冷。通过数值模拟和实验相 结合的方法对其进行研究，为其应用提供了有价值的依据。 数值模拟采用c f d 软件建立物理和数学模型，在给定的初始条件和边界条 件下，对模型内的温度场、速度场和热舒适性进行模拟。模拟中不涉及湿度的调 节问题，没有进行计算。在实验方面，只进行了地板采暖的实验，通过对模拟结 果和实验结果的对比分析，得出了此种辐射空调末端的优势，证明了其节能和舒 适的主要两大优点。 此外，以此种辐射空调末端的换热特点为依据，也对c o z 跨临界水水热泵系 统进行了模拟，分别对采暖和供冷情况对系统的总体效果进行了分析。包括系统 的c o p ，供水流量，供水温度以及系统换热量之间的关系，并得出结论，将c 0 2 跨临界循环水水热泵系统用于此种混合型辐射空调，冬夏用一套设备，既能环保， 又能达到较高的c o p 值，节省了能源。 最后，为本课题所需要作的进一步的后续研究提出了建议。 关键词：地板采暖冷天花顶板辐射空调末端c 0 2 热泵 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，d u e t o i n c r e a s i n g o fb u i l d i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n , t h e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni sa l s og r o w i n g ，t h em a i np a r to fw h i c hi st r a d i t i o n a l r e f r i g e r a n t m o r e o v e r ，w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ，p e o p l ep r o p o s e h i g h e rd e m a n da b o u tc o m f o r to ft h ea c c o n s e q u e n t l y , u s i n gn e wc o m f o r tt e r m i n a lo f a ca n d p o l l u t i o n f r e ea n de n e r g y s a v i n go f a cs y s t e mb e c o m eh o ti s s u e s t l l i st h e s i sm a i n l ys t u d i e sr a d i a t i o nt e r m i n a la n dc 0 2t r a n s c r i t i c a lw a t e r - w a t e rh e a t p u m ps y s t e m ，i n c l u d i n gf l o o rh e a t i n ga n dc o o l e dc e i l i n g b yc o m b i n i n go fn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，i tc a np r o v i d ev a l u a b l eb a s i sf o ra p p l i c a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o nu s i n gc f de s t a b l i s h e st h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l f o rg i v i n gi n i t i a la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h i st h e s i ss i m u l a t e st e m p e r a t u r e ，v e l o c i t y a n dl e v e lo fc o m f o r t o nt h ee x p e r i m e n t ，i to n l yc o n c e r n st h ef l o o rh e a t i n g t h r o u g h c o m p a r i n ga n a l y s i sr e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，i tc o n c l u d e st h ea d v a n t a g e so f r a d i a t i o nt e r m i n a la n d p r o v e st h ee n e r g y - s a v i n ga n dc o m f o r t i na d d i t i o n , o nt h eb a s i so fh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fr a d i a t i o nt e r m i n a l ，i ta l s o s i m u l a t e sc 0 2t r a n s c r i t i c a lw a t e r - w a t e rh e a tp u m p ，a n da n a l y s e so v e r a l le f f e c to f s y s t e ma b o u th e a t i n ga n dc o o l i n gr e s p e c t i v e l y , i n c l u d i n gt h er e l a t i o n s h i p so fc o p , f l o w o fw a t e rs u p p l y , t e m p e r a t u r eo fw a t e rs u p p l y , a n dh e a tt r a n s f e rc a p a c i t y i ti sc o n c l u d e d t h a tc 0 2t r a n s - c r i t i c a lw a t e r - w a t e rh e a tp u m ps y s t e mu s i n gi nt h i sm i x e d r a d i a t i o na c ， b o t hf o rw i n t e ra n ds u m m e r , n o to n l yp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t ，b u ta c h i e v i n gh i g h e rc o p , s a v e se n e r g y a tl a s t ，i nt h i st h e s i ss o m ea d v i c e sa r ep u tf o r w a r df o rf u r t h e ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：f l o o rh e a t i n g ，c o o l e dc e i l i n g ，r a d i a t i o nt e r m i n a l ，c 0 2 ，h e a tp u m p 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗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：f a 旎k 私i 牝签字日期：历7 年乡月似日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗太堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅叁茔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l 列。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： i3 讲是力商l导师签名：璺一一z 签字f 期：加7 年月，g 日 签字日期：州年6 月，矿同 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 世纪以来，由于世界经济的发展和人们不断追求更高水平的生活，能源消 耗的增长速度远远超过人口增长的速度。2 0 世纪的前7 5 年，世界人口在原基础 上增长了1 5 倍，而能源消耗增长了1 0 倍，由7 7 5 亿吨增至8 5 7 亿吨标准燃料。 根据1 9 7 8 年的报道，世界化石燃料的经济可开采储量约折合7 3 0 0 亿吨标煤，如 按现在的开采技术水平，煤可用约2 0 0 年，石油大约可用3 0 年，天然气可用5 0 余年，这充分说明了能源问题的严重性。因而在现代社会中，任何国家都把节能 作为一项国策【i j 。 建筑能耗是指建筑物使用过程中所消耗的能源，其中以采暖空调能耗为主。 空调能耗主要包括两项，一是冷热源的消耗，二是输送空气和水所用的风机和水 泵的能耗。空调系统能耗量的影响因素包括室外气象参数、室内设计标准、围护 结构特性、室内热源的散热和散湿，以及新风量等。还有系统风机、水泵的耗电 量直接受所输送空气量，水量的大小和风系统，水系统阻力的影响。 在全世界范围内，建筑能耗约占总能耗的4 0 ，空调约占建筑能耗的5 5 。 而能耗越高，环境的污染也日益加剧。其中传统制冷剂对环境造成的污染，臭氧 层的破坏已经引起了世界各国的关注。1 9 8 5 年，2 8 个国家在奥地利首都维也纳 通过了保护臭氧层维也纳公约。1 9 8 7 年9 月1 6 日，4 6 个国家在加拿大的蒙 特利尔会议上通过了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书，并于1 9 8 9 年1 月1 日起生效。到2 0 0 4 年，该议定书已经召开了十多次缔约国大会。1 9 9 5 年1 月2 3 日联合国大会决定，每年的9 月1 6 日为国际保护臭氧层日，旨在唤起 人们保护臭氧层的意识并采取具体行动以保护地球环境和人类健康。【2 】【3 】 对于传统的空调，确实存在着许多不尽人意的地方。比如说，吹风感强烈、 噪声污染、温度分布不理想、空气品质的恶化等。尤其是在大型的建筑中常用的 中央空调，还存在着凝结水的处理，建筑综合症以及能源浪费的现象等。 而在建筑及其h v a c 系统设计和运行过程中应该以热舒适为目标，而不是单 单考虑室内温度，以便在保证热舒适的前提下提高设备动态性能及减少高峰负 荷。这样做才能获得更高的能源使用效率。a s h r a e 的主席( 1 9 8 7 ) 曾说过：“在 不同的作用温度与露点温度下，可以通过合理确定热环境控制参数，在最少的能 耗和令人满意的室内环境的前提下，实现各种室内指标。”【4 】 第一章绪论 1 2 辐射空调末端简介 1 2 1 辐射供冷和供热的基本概念 辐射供冷或供热是指通过降低或提高围护结构内表面中一个或多个表面的 温度，形成冷或热的辐射面，依靠辐射面与人体、家具和围护结构的其余表面的 辐射热交换进行降温或升温的方法。辐射面可以通过在围护结构中设置冷或热的 管路实现，也可以通过在天花板或墙外表面加辐射板实现。辐射面、围护结构和 家具等的表面温度的降低或升高，使得它们与空气的对流换热加强，增强了供冷 或供热的换热效果。一般来说，辐射换热量占总换热量的5 0 以上。 辐射供冷或供热系统按照不同的工作媒质或不同的辐射面位置，分为水媒辐 射、电热辐射、顶板辐射、地板辐射等。其中，由于安全、经济、方便、热容量 大等优点，将水作为媒介的应用最常见。 1 2 2 辐射空调末端各种形式 一般来说，将水作为媒介的辐射空调末端都采用盘管的形式，水在管内流动， 通过导热将热量传到辐射表面，再通过辐射和对流来实现室内的温度。 】 匐垦 图1 1 常见水媒辐射盘管的各种形式 图1 1 为常见水媒辐射盘管铺设的各种形式。( a ) 和( b ) 为并联形式，( c ) 和( d ) 为串 联形式。常用为( c ) 的回字型的串联形式。这种形式的管道布置易于加工，能满足 实验的要求，保证良好的传热效果。( d ) 为s 型的水管铺设形式。通常还有l 型 和u 型的串联形式，这个就不再一一列出。 图1 2 为当今常用的各种顶板的形式。图中的( a ) 为“水泥核心”结构，它是 利用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 2 第一章绪论 凝土后形成的。这种冷顶板以对流方式消除房间的负荷约占7 0 ，以辐射方式 消除的负荷约占3 0 。由于对流占的比例较大，可有效消除很高的房间热负荷， 从而体现了利用水作冷媒的优势。但由于系统的惯性大，启动时间长，动态响应 慢，需要很长的预冷或预热时间，不利于控制调节。图i - 2 中的( b ) 是“三明治” 结构，它是以金属为主要材料制成的模块化产品，是集装饰和环境调节功能为一 体，是目前应用最广泛的辐射顶板结构。这种封闭式的项板形式大约有5 5 的 内负荷通过辐射排除，4 5 通过对流排除。圈1 2 中的( c ) 与( b ) 类似。 。飞移 ( c ) ( ! ；= ! 1 2 1 ；2 t 3 1 2 = ! = 一 图l 一2 辐射顶板结构示意图 图1 2 中的( d 1 是“冷网格”结构，它是以塑料为材料，制成外径为2 3 m m ， 间距为1 0 2 0 m m 的密布细管两端与分水和集水箱相连。其突出特点是布置灵 活，质量轻，价格便宜。缺点是塑料之间，塑料与金属管道之间的连接件要求较 高。图1 2 中的f 0 1 是“双层波状不锈钢膜”结构，它是由两块分别压膜成型的 薄不锈钢板点焊在一起，由于两块板凹凸有序，园此在两块板间形成水流通道， 水流可在板内通道均匀分布，系统性能良好，大大降低了从水到室内空气的传热 第一章绪论 热阻。图i - 3 为冷天花顶板的简易安装示意图。水管是在石膏板吊顶内敷设 图i - 3 冷天花顶板的安装示意图 图l _ 4 为常用的地板采暖的两种形式。图( 曲一( c ) 是水媒地板采暖结构示意图。 先在底部铺设保温层，常用聚苯乙烯泡沫塑料。当有水分存在时，保温材料的保 温效果就会降低，因此采用铝箔防潮，亦可以加强保温。再利用水泥砂浆将水管 浇注在铝箔防潮上面最后地面找平，铺设装饰地板。图( d ) 一( d 是电热地板采暖 的结构示意图。( d ) 和( e ) 分别为用于电热地板采暖的发热元件。( d ) 为电热膜，其 中，( 1 ) 为石墨电极电热膜，( 2 ) 是金属电极电热膜。( e ) 为电熟缆线。 ( a ) 第一章绪论 ( a ) 板的背面样品图 ( b ) 扳的剖面示意图 图l 一5 新型的地板采暖结构示意图 图( a ) 为地板的背面图，连接管也是经过了特殊的设计。图( b ) 为地板的截面 图，热媒水在矩形孔内流动，沿程通过导热将热量传到地板表面，然后和室内空 气进行辐射和对流换热。它不仅能够满足传统地板采暖形式的舒适性，而且由于 导热面薄，热反应迅速，使得热媒水的温度一般在2 5 3 5 c 之间即可满足房间 对热量的要求。由于所需的热媒水温度低，因此对热源的选择比较广泛，各种中 低温热泵、余热、地热等都可作为其热源。 熏雾。 隧西 第一章绪论 1 2 3 特点 一、对于地板采暖： 1 舒适健康：提高了室内平均辐射温度，使人体对围护结构的辐射散热损 失减小了，热感白下而上，增强了人体舒适感。同时又消除了空调采暖设备所带 来的噪音、干燥、细菌传播等缺点； 2 经济节能：与传统的采暖方式相比较，地板采暖系统的供水温度低，热 损失少，也便于利用太阳能，地热能等低品味能源。由于地板采暖主要依靠辐射 传热，室内作用温度比散热器时要高1 2 。地板采暖的热能都散布在人体活动 的空间内。地板供暖系统造价适中，虽然比传统采暖稍高，但要远低于新式装饰 型散热片。而且如正常使用无人为破坏，据说使用寿命可达5 0 年； 3 节约面积、美化居室：地板采暖每百平米节约面积3 - - 5 平米，且家具可随 意摆放，室内宽敞明亮。 二、对于冷天花顶板： 1 舒适性：制冷加全空气风机，冷却项板用于消除室内的显热负荷，送风 系统用于消除室内的潜热负荷，独立新风系统可以解决结露的问题。由于冷却顶 板系统的部分负荷由顶板承担，送风量下降，避免了吹风感，增加了舒适度。 与传统的风机盘管相比，冷天花顶板系统没有室内运动部件，不会产生任何 室内噪音，是最为安静的空调系统。 2 节能方面：在供冷方面，由于冷却吊项大部分是通过辐射方式直接跟人 体进行换热，人在房间里所感受的温度比实际温度低2 c ，也就是在装有高辐射 换热量的冷却吊顶的房间内，其室内空气温度可以比不装冷却吊顶的房间内的空 气温度高2 ，但人的舒适度相同，从而提高了室内的设计温度，使系统的能耗 量减少【5 1 。 另外，由于辐射供冷时所用的冷媒温度高，因此，为低温的地下水、太阳能 等自然冷热源的使用提供了可能性，提高了节能性，减少了环境污染。 3 清洁卫生：冷却顶板的毛细管埋设在吊顶内或墙内，主要靠辐射传热给 建筑物供冷或供热，与风机盘管相比没有凝结水，不会发生因排水不畅而造成的 凝结水污染现象。 冷却顼板空调系统采用全新风送风的通风方式，将室内的热负荷和湿负荷分 别处理，避免了各房间的交叉感染，消除了热交换器和管道积尘及由此引起的细 菌滋生等。室内空气品质优于传统的中央空调。 4 自调节性：冷却顶板系统的制冷量为板内水温与空气温度之间的温差， 它随着室外气温的变化而自动调节。当室外气温升高时，室内气温也随着升高， 6 第一章绪论 此时冷却顶板的工作温差加大，制冷量也随之增大，反之亦然。这一性质有利于 室内环境的稳定，减少了自控系统的压力。 5 独立除湿新风系统：在一般的地区和环境，结露产生的水滴可能不会产 生低落的严重现象，但是水滴的存在会对换热产生影响。可以在室内适当位置放 置露点探测器，当露点温度低于设置温度时，切断水系统，改为全空气系统运行 一段时间，用于除湿。 独立新风系统除了向室内提供新鲜、洁净的新风外，还要担任除湿功能。在 夏季梅雨季节里，空气中的湿度会很大，相对湿度能达到7 0 卜8 0 以上。这种 情况下很可能会发生结露现象，给辐射制冷系统的安全运行带来很大隐患，所以 要对室内空气进行除湿。新风系统向房间送入经过降温降湿处理的干燥空气，从 而实现人员新风量的需求和房间内湿度的精确控制。将房间内的相对湿度控制在 6 0 s 以内。 1 3 存在的问题 一、对于传统的地板采暖： 1 对建筑物的限制。因为在卧室、客厅等有很多家具，家具不仅阻碍地热热 量散出，而且地面温度较高也会使家具变形、损坏。另外，为了保护水管或发热 元件以及储存热量，必须铺设混凝土水泥层，从而使楼板的负荷大大增加。所以， 安装地热采暖的建筑必须在建筑结构设计阶段进行特殊的计算，增加结构强度。 2 对板材的限制。地板采暖的地面不能铺设实木地板，因为安装龙骨的水泥 钉会损坏水管或电缆。铺设复合地板也有很大问题。铺复合地板下面必须铺一层 泡沫塑料层，泡沫塑料层是隔热材料会严重阻碍热量散出。但是一般来说，复 合地板更适合做地热地板，它是经过高温压制的，内部水分含量少，所以地板不 会因水分散失而变形。 3 对房间高度的要求较高。一般的地板采暖从下而上是地基，保温层，盘 管，地板，高约1 2 0 r a m ，如果房间不够高，就会产生压抑的感觉。 4 温度不能太高，否则会大大降低输送管道的使用寿命。 5 由于所用采暖盘管为塑料管，使房间地面装修时受到一定的限制，当使 用木地板时，由于木地板传热系数小，房间温度不易达到设计温度，且地面装修 施工时，若使用铁钉，管道易受到损伤 二、对于冷天花顶板： 1 当顶板表面温度低于空气的露点温度时就会产生结露，影响室内的卫生条 件。由于结露问题，导致了冷却顶板系统在我国的实际应用很少。露点温度的限 制，不仅影响了人的舒适感，而且限制了项板的供冷能力。在潮湿地区，尤其是 7 第一章绪论 在湿度极高的恶劣气候条件下，室外的湿空气是增加湿负荷的主要来源之一，因 此要求门窗尽可能关闭，影响了自然通风。 2 风机送风速度的限制。室内空气的流速不能太高，否则影响人体的舒适 度。但此时又必须降低送风温度。 3 对房间高度的要求较高。项板需要吊项，装龙骨，毛细管，还有石膏等。 高度约为2 0 0 m m 。 4 初投资较大。整个系统不仅包括辐射末端，而且还有冷热源。如果单独 配有热泵系统，将使初投资费用较高。此种供热和制冷方式的目的在于节能。但 是如果系统的费用较高，一般用户可能购买不起，则不能实现其使用的价值。 1 4 国内外研究现状 早在l o 年以前，国外就已经开始了对冷顶板进行理论模拟与实验方面的研 究。研究的方向主要集中在冷顶板的舒适性及节能性方面。各种系统( 如w ) 与冷顶板的比较，各种项板形式的选择，机械通风与置换通风的比较等。最近， 国外对于冷顶板的研究不太多见，也许是因为造价的问题。水管一般是金属材料， 虽然传热效果好，耐压，但是其重量大，成本高。价格太高，人们买不起，就不 能达到节能与环保的目的。还有一点不可忽视的问题就是结露。夏季在设计方面 要尽量避免结露，尤其是在湿度较大的地区和天气，如果出现结露，还应该采取 有效的措施来处理，例如湿度传感器，除湿器，风机系统送风除湿。再有，就是 对于冷却项板的供热研究也很少。此外还有由于项板内管的内径很小，给清洁造 成了不便，其对设计和运行管理水平要求较高。在北美，欧洲，韩国等，对于低 温地板辐射采暖系统，已经有3 0 年的历史。随着建筑物保温效果的提高和管材 的发展，低温地板辐射采暖系统的使用日益普遍。在西欧国家住宅建筑中装设地 板采暖系统的比例约占2 0 一- 5 0 1 ” 国内对冷顶板的研究也是最近的热门话题。尤其是如今，人们不仅仅局限于 对温度的要求，舒适性程度也成为生活质量的组成因素之一。清华大学对冷顶板 的供热与供冷已有研究，将冷顶板用于供冷和供热，并投入到了工程实践中，并 将空气处理与换热机组模块化。 图1 - 6 【6 】【2 3 】为国外应用辐射板控制室内温度的实例。其中( a ) 是利用辐射板降低室 内温度，用于测试高分辨率电子显微镜的性能。( b ) 是用在会议室内，可供热和 制冷的辐射板。( c ) 是用在卧室墙壁上的辐射板。( d ) 是环绕在淋浴周围的用于供 热和防止喷溅的弯曲辐射板。( e ) 是悬挂在空间的金属c r c p s ，其上下表面都是 换热面，单位制冷量比( b ) 要高。 8 第一章绪论 匿匿蠢薹越 ( e ) 图1 - 6 国外应用辐射板用于加热和冷却的实例 第一章绪论 1 5c 0 2 热泵系统简介 对于地板采暖和冷天花顶板，我们还有一个需要特别关注的就是其冷热源的 选择。最实用的就是采用热泵系统。 新一代高效热泵系统是以水( 地下埋管或余热) 或空气为冷热源，终端设备 以冷天花板和地板采暖的热泵系统。因地板散热器仅需要3 5 的热水，冷天花 板仅需要18 的冷水，分别低于和高于风机盘管等传统设备的工作温度。因此， 第一可令热泵工作在低压缩比下，制冷系数c o p 和制热系数c o p h 都得到较大 的提高。第二因供热和供冷都是在自然对流下进行，不仅节能，而且冷热风都非 常柔和，极大提高送风的舒适度。第三该系统可方便进行区域控制。 c o ：热泵是结合了c o ：与热泵的优势。用c 0 2 作为自然制冷剂的高效率热泵系 统的技术，在日本已经成功地应用于被称作“生态精灵”的高效率热泵热水器中。 c o ：热泵系统是以c o ：作为制冷剂的跨临界循环系统。图1 7 为c 0 2 跨临界循环 t - s 图，其放热过程是在跨临界区内实现的，压力较常规制冷剂高很多。 一2 2 5 2 0 0 1 7 5 1 5 0 1 2 5 1 o o 0 7 5 0 5 0 o 2 5 s k j k g - k 】 图1 - - 7c 0 2 跨临界循环t s 图 1 6 本课题研究的内容、方法和意义 本课题主要进行了三方面的工作： 一、利用商业软件c f d 进行理论分析和数值模拟，分别对地板采暖和冷天 花顶板的温度场，速度场及热舒适性进行模拟分析； 二、建立实验模型，利用数据采集系统分析室内的温度场分布，将其与理论 模拟的结果对比分析； 1 0 第一章绪论 三、利用模拟的方法，建立了一套c 0 2 热泵系统，将其与地板采暖和冷天花 项板结合，冬夏用一套系统，分析了系统的整体性能，如系统的c o p 。 本文介绍了一种新型的地板采暖的结构，通过模拟与实验相结合，分析了地 板采暖和冷天花项板供冷的经济性，舒适性与可行性。希望能够冬夏用一套冷热 源，实现健康、舒适、节能、安静、经济的空调系统。 1 7 本章小结 本章主要介绍了辐射空调末端包括冷天花顶板和地板采暖的各种形式、特 点、国内外研究现状及存在的问题。还简单介绍了c 0 2 热泵系统。最后是课题 研究的内容、方法和意义。 第二章数值模拟与计算结果分析 第二章数值模拟与计算结果分析 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 上的一门新独立的学科，通过计算机数值模拟和图象显示的方法，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。 在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。暖通空调领 域内的流动多为湍流流动，应用湍流模型计算，得到一组封闭的偏微分方程组， 结合相应的边界条件，构成实际问题的数学物理模型。 本章主要运用c f d 软件对地板采暖和冷天花顶板的室内情况进行数值模拟 和预测，包括温度，速度，舒适度等，通过数据分析，给出合理的方案，使其具 有一定的使用价值。 2 1 建立物理模型 由于计算机内存和计算速度有限，为了减少生成网格的数目，节省运算时间， 在不影响计算结果的前提下，对物理模型进行合理的简化。 ( a ) 冬季模型 1 2 第二章数值模拟与计算结果分析 y 排风口 ( b ) 夏季模型 图2 1 冬季模型和夏季模型的内部结构图 建立三维物理模型，其房间尺寸采用国际标准的4 r e x4 m x2 8 m ( 长x 宽 高) ，南墙为外墙，其余墙面均为内墙。冬季模型和夏季模型的内部结构见图2 - 1 。 模型取y 方向为上，z 方向为正北方向。南墙上有一面玻璃窗，尺寸为2 r e x 1 2 m ( 长宽) ，北墙上有一扇门，尺寸为1 2 r e x 2 m ( 长宽) 。模型内部设有4 个人，4 台电脑和2 个照明装置。人的模型简化为0 4 m x 0 4 m x l 2 m ( 长宽 高) 的六面体，电脑模型简化为0 4 m x0 4 m x0 4 m ( 长x 宽高) 的六面体，照明 设备模型简化为l m x 0 i m x 0 i m ( 长宽高) 的六面体。在夏季模型中，西墙 下部设置一个送风口，其尺寸为0 3 m xl ( 长宽) 。排风口设置在房顶中央，其 尺寸为0 5 m x 0 5 m ( 长x 宽) 。 2 2 基本控制方程和模型 2 2 1 传热与流体流动控制方程 由于所研究的流场属于湍流流动，因此模拟采用经典的k e 双方程模型进 行计算。考虑重力的影响，模型为三维紊态的自然对流模型。计算域内的空气流 动以及传热满足以下的控制方程吼 1 3 第二章数值模拟与计算结果分析 连续性方程： x 一动量方程： y - 一动量方程： z _ 一动量方程： 能量方程： 竽+ d i v ( p 材) ：o a f ”7 ( 2 一1 ) 了a ( p u ) + 旃v ( 彤z f ) ：坊v ( 比g r a d u ) 一罢+ 瓯( 2 2 ) 了a ( p v ) + a i r ( 舢) ：d i v ( u g r a d v ) 一罢+ 瓯( 2 3 ) 掣+ d i v ( 功：d i a ( 1 t g r a d w ) 一宅+ s w ( 2 - 4 ) 了0 ( p t ) + d i v ( 肛7 ) ：d i v ( k g r a a t ) 一宅+ s ( 2 5 ) 其中，s i 为微元体上的体积力。由于所研究的流体为自然对流，体积力只有重力， 方向垂直向上，因此，s 。= 0 ，s y = o ，s 。= 一p g 。 2 2 2 辐射换热方程 由于地板辐射采暖和项板辐射供冷时，地板或项板与围护结构之间的辐射换 热量占整个换热量的大部分，因此须计算辐射换热。辐射换热的计算方程为： 嘞= 峨秭4 一跚 沪6 ) 其中：妲一微元体i 的面积 x u 一微元体i 对j 的角系数 岛，s ，- - i ，j 微元体表面的发射率 c 0 一黑体辐射系数，5 6 7 1 0 8w m 2 k 4 角系数的计算式为： 蜀= 去l j 点，竺鼍笋鬈矿姒幽，( 2 - - 7 ) 式中：若i j 表面间有遮挡时= o ，i j 表面间无遮挡时= l 。 2 2 3 标准k 一双方程模型 本文研究的问题属于有限空间自然对流的问题，必须考虑浮升力的作用。为 1 4 第二章数值模拟与计算结果分析 了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。标准k e 方程 经假设简化后为： 掣= 瓤+ 纠卧g 。一声 c 2 吲 篝 = 考陋+ 丝o ：j 堡a x s + 譬g 。一c ：。p 譬c 2 9 ， ”。专 g 。柏砜a u i ( c f ，u t 割 纵；i 似，出j ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 其中：从一湍流粘性系数 g l 广湍流能量产生项 方程中，c 口、吒、仃。、听、c 、c 2 。为默认值： 乙p = o 0 9 、o k = 1 0 、伊f = 1 3 、o t = 0 9 、o ti 1 4 4 、c 2 。= 1 9 2 采用k 一模型求解流动和换热问题时，控制方程包括连续性方程、动量方 程、能量方程、k 方程和方程。这些方程的通用形式为： 掣+ 旃y ( 矽) = 西v ( r 矿口d 矽) + s r ( 2 - 1 2 ) d f 瞬态项 对流项 扩散项 源项 2 2 4 浮力和自然对流 在混合对流换热过程中，浮力的影响可以通过g r 数和r e 数的比值来判断： g r a p g h 一= 一 r e 2 p l ，2 ( 2 1 3 ) 当其值大于或接近1 时，说明浮力的影响很大。相反，如果值很小，浮力的作用 可以忽略。 在纯自然对流换热过程中，浮力的影响可以通过r a 数来判断： r a = g 届a t l 3 n ( 2 1 4 ) ，以口 15 第二章数值模拟与计算结果分析 其中，是热膨胀系数： n 是热扩散率： 肛古等 k 口= 一 p c p ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 当r a 数小于1 08 时，流动状态属于层流；当1 08 r a 1 01 0 时，流动状态 属于过渡流；当r a 数大于1 0 1 0 时，流动状态属于湍流。 2 2 5 方程的离散化 文中模拟时所用的关于动量、温度、湍流动能及扩散率等方程的离散都采用 的是一阶迎风格式，关于压力方程的离散采用的是质量力加权法。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梯度保持常数。 离散后的方程可以写成如下的通用形式： 绵= 口柚。6 + 6 n b ( 2 一1 7 ) 方程中，下标n b 表示相邻的网格，口，和口柏分别是和m 曲的系数，b 是源项。 在代数方程的求解过程中，为了加快或是减慢前后二次迭代之间因变量的值 的变化，计算中常用松弛技术。由于粘性流体力学基本方程组的强烈的非线性， 在计算复杂流场时，容易出现迭代发散的现象，为了保证迭代的收敛性，一般采 用欠松弛技术避免发散。文中所研究的物理模型在计算时，欠松弛因子的设置值 如下： 压力：0 3 、动力：0 7 、温度：1 、粘性：1 、体积力：0 1 湍动能：0 5 、湍流扩散率：0 5 2 3 网格划分 网格的划分采用计算机自动生成的网格，在局部进行加密。由于冬季模型和 夏季模型类似，因此，只给出冬季模型的网格图。图2 2 为冬季模型的整体网格 图。图2 3 为模型内部热源的网格图。图2 4 为z = i m 处的断面网格图。图2 5 为y = l m 处的断面网格图。 1 6 第二章数值模拟与计算结果分析 图2 - 2 冬季模型的整体网格图 下 _ 叼卜、 乙。一 。 、f 噬瞪上一工一_ 图2 - 3 模型内部热源网格图 l 第二章数值模拟与计算结果分析 y z 2 4 初始条件与边界条件 图2 4z = l m 处的断面网格图 图2 5y = l m 处的断面网格图 初始条件与边界条件的设定要根据实际情况出发，保证其合理性。在冬季模 型中，忽略空气湿度的影响。 冬季模型和夏季模型的初始条件见表2 1 。 1 8 第二章数值模拟与计算结果分析 表2 一l 冬季和夏季模型的初始条件 季节环境温度环境湿度室内初始温度室内初始湿度 冬季9忽略2忽略 夏季 3 3 47 0 3 2 7 0 室内的热负荷包括照明设备，人员和计算机。其中，照明设备热负荷为1 5 w 盏，人员的热负荷为8 0 w 人，人员的湿负荷为o 0 3 0 6 7 9 s 人，计算机的热负荷 为5 0 w 台。室内的所有模型包括围护结构都参与辐射换热。 2 4 1 冬季模型的边界条件 冬季模型的边界条件主要是围护结构的边界条件。其中，南墙为外墙给出第 三类边界条件。北墙给出的是第三类边界条件和走廊的温度。西墙和东墙给出的 是第三类边界条件和邻室的温度。屋顶为绝热边界条件。地面的向下漏热量为0 ， 表面辐射温度为固定值，取2 4 - - - 2 6 之间。门的传热负荷和空气透过门渗透的 热负荷共计3 2 8 w m 2 。窗户给出的是第二类边界条件，其总的热损失为6 0 w m 2 。 2 4 2 夏季模型的边界条件 夏季模型的边界条件主要是围护结构和送风口的边界条件。其中，南墙为外 墙给出第三类边界条件。北墙给出的是第三类边界条件和走廊的温度。西墙和东 墙给出的是第三类边界条件和邻室的温度。地面为绝热边界条件。冷天花顶板的 向上漏冷量为0 ，表面辐射温度为固定值，取1 8 - - 2 0 ( 2 之间。门的传热负荷和空 气透过门渗透的冷负荷为4 7 w m 2 。窗户的传热冷负荷和太阳日照的得热冷负荷共 计为6 0 w m 2 。送风口设置的速度为0 1 4 8 m s ，温度为2 2 。排风口为自然通风， 不设置边界条件。 2 5 计算结果分析 2 5 1 冬季模型结果分析 冬季模型内部换热以自然对流为主，本节主要分析其温度场和舒适性程度。 先以地板表面温度为2 4 。c 时为例进行室内情况的分析。经计算后，辐射换热量约 1 9 第二章敌值模拟与计算结果分析 为4 3 11 5 w 地板承担的热负荷为1 7 7 82 3 w ，辐射换热量约占2 4 。 ( 1 ) 温度场的分布 图2 6 为地板表面温度为2 4 时室内的温度场分布。室内平均温度为1 84 5 。 满足了室内的温度要求。由图( a ) 和( b ) 可以看出，地板辐射采暖的垂直面内温度 分布比较均匀，分层现象不明显人、电脑和灯等热源附近由于接受地表面的辐 射热，其周围附近温度较高，门和窗户的周围附近温度较低。( c ) 和( d ) 是水平温 度场的断面分布图，除了门和窗户附近。其温度分布也比较均匀。在y ；l _ 1 m 处 温度在1 8 左右。温度稍低于标准的1 8 ，人的感觉稍凉。在地板周围附近即 y = o i m 处，人的附近温度较高，保证了人体下肢对温度的要求。 ( a ) x = 1 2 m 处的温度分布 ( b ) z = 12 m 处的温度分布 c ) y = oi m 处的温度分布 ( d ) y = li m 处的温度分布 图2 6 地板表面温度为2 4 c 时室内的温度场分布 第二章数值模拟与计算结果分析 ( 2 ) 热舒适性 p m v ( p r e d i c t e dm e a nv o t e ) 是其中一项较为流行的用来评价热舒适性的指标。 它代表了绝大多数人对同一环境的冷热感觉。由于人与人之间的生理差别，可 以用p p d ( p r e d i c t e dp e r c e n t a g eo f d i s s a t i s f i e d ) 指标来表示对热环境不满意的百分 数。 p m v 和p p d 的计算公式如下n 6 1 ： p m v = f o 3 0 3 e x p ( - o 0 3 6 m ) + 0 0 2 7 5 m w 一3 0 5 5 7 3 3 0 0 0 7 ( m w ) 一p a 一0 4 2 ( m w 一5 8 1 5 ) - 1 7 3 1 0 吨m ( 5 8 6 7 - p a ) - 0 0 0 1 4 m ( 3 4 一t 。) 一3 9 6x1 0 嘈f 。， ( t c l + 2 7 3 ) 4 _ ( t ，+ 2 7 3 ) 4 一f o , h 。( t o , - t 。) )( 2 - 1 8 ) m 一人体能量代谢率( w m 2 ) w 一人体所作机械功( w m 2 ) f c 。一穿衣面积系数 t 。一人体周围温度( ) t 。一衣服外表面温度( ) t ，一平均辐射温度( ) h 。一衣服与空气之间对流换热系数( w ( m 2 k ) ) p a 一水蒸气分压力( p a ) p p d = 1 0 0 9 5 e x p 一( o 0 3 3 5 3 p m v 0 2 1 7 9 p m v 2 ) ( 2 - 1 9 ) i s 0 7 7 3 0 对p m v 、p p d 的推荐值为p p d i o ，p m v 值在一0 5 + 0 5 2 _ 间。相当于 在人群中有1 0 的人感到不满意2 利。表2 2 为p m v 的评价指标。 表2 - 2p m v 的评价指标 热 暖稍暖适中稍凉 塬冷 + 3 + 2 + 1 0 - 1- 2- 3 在地板表面温度为2 4 c 时，模拟室内的p m v 的平均值为一1 8 3 。图2 - 7 是工作 区内( y = 1 1 处) 的p p d 和p m v 的分布图。由于在y - - - - i i m 处，室内的温度较低，对室 内的热舒适性影响较大，人的感觉稍凉，且p p d 值较高。 2 l 第二章数值模拟与计算结果分析 ( c ) y = 0i m 处的水平温度场分布 ( d ) f 1 i m 处的水平温度场分布 图2 - 8 地板表面温度为2 5 的温度分布 2 2 第二章数值模拟与计算结果分析 由于门和窗户漏风的影响使得室内的局部处温度稍凉平均p i l v 偏低，但是 工作区域内的热舒适性还是可以满足的。经计算后，辐射换热量约为4 7 47 8 w ， 地板承担的热负荷为1 9 4 5 w ，辐射换热量约占2 44 。如图2 - 8 为地板表面温度为 2 5 c 时的永平和垂直温度场的分布图。图2 - - 9 为工作区域内的p m v 和p p d 分布图。 ( a ) x = 1 2 m 处的水平温度场分布( b ) z = 1 2 m 处的水平温度场分布 第二章数值模拟与计算结果分析 圈2 1 1y = l1 断面处的p 吖和p p d 分布图 由以上分析可知，地板辐射采暖表面温度在2 4 2 6 c 之问，他们的辐射换热 量都占地板总的换热量的2 4 以上，室内平均温度在1 8 2 0 c 范围之间，在工 作区范围内，都能保证温度分布比较均匀且在1 8 c 左右，在接近地板附近的温度 较其他地方温度高，因此能够满足冬季人们对热舒适性的需求。 在实际情况中，由于对室内卫生的要求，地板的表面温度不能太高，否则会 引起室内灰尘的飞扬。但是可以根据围护结构的保温性能不同，还有漏风漏冷情 况等存在，可适当提高或降低地板表面温度，根据建筑物和人本身需求的具体情 况出发来设置供热条件，以满足室内温度和热舒适性的要求。 第二章数值模拟与计算结果分析 2 5 2 夏季模型结果分析 夏季模型内都是有机械通风的混合对流换热。本节主要分析其温度场速度 场及其舒适性程度。以顶板表面温度为1 8 c 为例进行室内情况的分析。经计算后， 室内平均温度为2 45 7 c ，辐射换热量约为7 2 0 w ，顶板承担的热负荷为1 3 7 研，辐 射抉热量约占5 2 。 ( 1 ) 温度场的分布 图2 一1 2 为顶板表面温度为1 8 时室内的温度场分布。由图( a ) 和( b ) 可以看出， 除了人、电脑和灯等热源附近由于释放热量，其周围附近温度较高外，顶板辐射 采瑷的垂直面内温度分布比较均匀垂直温差在1 2 c 左右，送风口周围的温度 较其他低，约2 4 c 左右。 ( c ) y = o 1 断面处的温度分布( d ) y = l1 断面处的温度分布 圈扣1 2 顶板表面温度为1 8