地板辐射供冷和置换通风系统防结露的数值模拟研究
苏蒙1，任婧1，刘吉营1,2
1 山东建筑大学 热能工程学院；2 山东格瑞德人工环境产业设计研究院有限公司
【摘 要】由于地板辐射供冷具有节能和舒适的优点，日益受到广泛关注，但是辐射地板容易受结露影响，因此置换通风被应用除湿和抑制结露。研究建立了地板辐射供冷与置换通风的室内热湿环境预测模型，利用ANSYS Fluent软件对室内的热湿分布情况进行数值分析，通过提高送风速度和降低送风湿度来缩短预除湿持续的时间,利用垂直温差对人员舒适性进行评价，确定了因室内人员突增引起的湿负荷变化需提前改变送风参数的时间范围。结果表明，在垂直温差满足人员热舒适的条件下，提高送风速度同时降低送风湿度可将预除湿阶段缩短到65秒；当突然增加2人，人员散湿量由218g/h变化到654g/h时，可在10分钟范围内降低通风系统送风湿度。
【关键词】辐射地板结露；地板辐射供冷；置换通风；数值模拟
Abstract: Due to the advantages of energy saving and comfort, radiant floor cooling has been paid more and more attention. However, radiant floor is easily affected by condensation, so displacement ventilation is applied to dehumidify and suppress condensation. Research has established the floor radiant cooling with displacement ventilation indoor heat environment prediction model, using ANSYS Fluent software numerical analysis was carried out on the indoor heat distribution, by improving the supply air velocity and reduce the supply air humidity to shorten the duration of the desiccant, using the vertical temperature difference to evaluate personnel comfortableness, determine the moisture load changes caused by indoor personnel to jump to change ahead of the time range of air supply parameters. The results show that the pre-dehumidification stage can be shortened to 65s when the vertical temperature difference meets the thermal comfort of the personnel, increasing the air supply speed and decreasing the air supply humidity. When two people are increased suddenly and the moisture quantity changes from 218g/h to 654g/h, the humidity of the ventilation system can be reduced within 10 minutes.
Key words: radiant floor condensation; floor radiant cooling; displacement ventilation; numerical simulation
0 引言
辐射供冷系统被认为是一种经济、节能、舒适性好的空调系统形式而逐渐得到研究和应用[1]。然而单独的地板辐射供冷系统无法满足新风的要求也无法消除室内的潜热负荷[2]，由于地板供冷的对流传热系数低于地板供暖，处于热舒适性的考虑，冷地面的温度不能低于19℃，限制了冷地面的供冷能力[3]。当地板表面温度低于空气的露点温度时，容易产生结露现象，影响人体的舒适感。
为解决辐射地板易结露这一问题，国内外许多学者做了大量的研究：路诗奎[4]提出可将地板辐射供冷系统与置换通风系统结合，利用置换通风可以在辐射地板表面形成干燥的空气层，阻止湿空气与冷表面接触，减少结露现象的发生；Song等[5]研究了地板辐射供冷与独立除湿联合运行系统的性能，利用室外积分控制和室内温度反馈控制的方法不仅解决了结露问题而且还增强了对室内负荷变化的响应能力，根据初步分析，该系统的节能潜力高达67％；Lim[6]的研究表明，控制水温比控制水流量能更好的保持室内温度，利用该控制方法，地板温度高于21℃，表面不会结露，垂直方向温差小于1.9℃，热舒适性很好；Amini等[7]建议在辐射板顶部使用除湿器盘管，并采用数值模拟的方法研究了两种不同对流换热系统的流场、温度和湿度变化细节，研究表明所提出的系统降低了房间的湿度，从而防止了结露现象的发生。
虽然已经有学者提出将置换通风系统与地板辐射供冷系统结合，但是目前对于该复合系统在预除湿和除湿调节方面研究较少，由于两个系统同时开启有结露的风险，所以需要提前开启置换通风系统进行预除湿处理，但是对于如何提高送风速度，如何降低送风湿度，以及预除湿持续时间问题鲜有提及，有待进一步完善；同时，当室内人员突然增加导致的湿负荷增大，为了避免地板结露需改变送风参数，但是调节的开启时间和持续时间，亦需进一步研究。因此论文针对预除湿和除湿调节问题，建立地板辐射供冷和置换通风系统仿真模型，对夏季济南某办公室的热湿环境进行模拟，研究在不同调节工况下室内温度、湿度和热舒适的变化，为实际工程的应用提供理论支持。
1 数值模拟
1.1 数学模型
Chen的研究表明，在所有模拟混合对流流动的涡流粘性模型中，RNG K-ε湍流模型性能最好[8]。因此，采用RNG K-ε湍流模型，与质量，动量，能量方程和组分输运方程联合，对室内空气流动进行预测，采用标准壁面处理方法处理近壁面气流。RNG K-ε湍流模型的控制方程为[9]：
湍动能K方程：
（1）
湍动能耗散率ε方程：
（2）
式中：μeff=μ+μt， 
，C1ε和C2ε为经验常数，分别为1.42和1.68；
，η=4.377，β=0.012；Gk为平均速度梯度引起的湍动能k。
针对所研究的目的对模型做如下假设：
（1）外墙的冷热负荷采用第二边界条件，即定热流密度[10]；
（2）空气被认为是一种不可压缩的气体，包括干燥的空气和水蒸气。浮力可由温差引起[8]，忽略室外空气的渗入；
（3）人体是体热源，水蒸气从人体中释放出来；
（4）室内空气采用Boussinesq假设。
考虑该模型中包含大量复杂几何面，并且需要充分考虑热浮升力的影响，因此辐射模型采用离散坐标辐射模型。为实现水蒸气从人体产生并扩散到周围环境的现象，将人体设置为一个释放热量和水蒸气的区域。在这个区域的组分扩散不是单向的，周围空气也可以通过人体表面被加热，其他热源以恒定的热流从表面释放热量，送风口设置为速度进口边界条件，排风口设置为出流边界条件。
模型的求解采用基于压力的求解器。求解过程中，压力与速度耦合采用SIMPLE算法[11]。动量方程，能量方程和组分输运方程的求解均采用二阶迎风格式。
1.2 模型描述
模拟对象为济南市某办公室，房间尺寸6m×4.5m×2.5m，室内内热源包括办公人员，两台电脑，一盏电灯，考虑室外环境的影响，设北外墙热流密度为128w/m2，外窗传热系数为0.36w/m2·k。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB-50736-2012）[12]，设置室内温度为26℃，相对湿度为65%，室内散湿主要来自室内办公人员，参考一名成年男子静坐时散湿量为109g/h。三维室内模型尺寸和内热源等参数设置详见表1，图1为预除湿阶段几何模型的示意图，图2为人员突增2人几何模型示意图。
表1 模型参数
（1-外窗2-送风口3-电脑4-人体模型5-电灯6-书橱 7-回风口）
图1 预除湿阶段几何模型示意图
图2 人员突增2人几何模型示意图
1.3 网格独立性分析
利用ANSYS ICEM CFD软件对所研究的模型进行六面体结构性网格的划分，选择三种不同的网格来研究数值模拟的网格独立性[7]。粗网格、中网格和细网格分别有337542、529276、802342个计算单元。图5显示了不同网格下的温度和含湿量的变化，可以看出，使用中网格和细网格，在150s内温度和含湿量没有明显变化，两种网格最大误差为0.5%，相比之下，使用粗网格时，温度和含湿量变化较明显，因此，选择具有529276个计算单元的中网格用于之后的数值模拟。
图3 不同网格下截面Y=1.475m温度和含湿量的变化
1.4 模拟工况介绍
在系统运行初期，室内湿度较高，同时启动地板辐射供冷系统和置换通风系统结露风险高，因此在预除湿阶段应关闭地板辐射供冷系统以降低结露的风险。由于预除湿阶段不能提供热舒适，因此提出了缩短该阶段持续时间的两种方法，即减小送风湿度和提高送风速度。根据李红伟等[13]研究结果，从送风口被吹入房间内的空气温度设为23℃。送风湿度的设置范围为6.5～8g/kg，为满足人员所需最小新风量，送风速度应不低于0.05m/s，同时根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB-50736-2012）[12]，舒适性空调夏季风速取值小于等于0.25。研究设计了4种模拟工况详见表2，工况1的送风湿度为8g/kg，送风速度为0.1m/s，以该工况下室内热环境的模拟结果为基础，保持送风速度不变，将送风湿度分别降低到7.25g/kg（工况2）和6.5g/kg（工况4），分析减小送风湿度对预除湿阶段持续时间的影响；工况3的送风湿度为7.25g/kg，送风速度为0.05m/s，将工况3的模拟结果与工况2进行对比，分析提高送风速度对预除湿阶段持续时间的影响。
表2 预除湿阶段送风参数
在系统运行稳定后，室内人员突然增加2人致使湿度增加容易导致冷却地板结露，为防止之后地面发生结露现象，需要改变置换通风系统的送风参数进行减湿处理。过快的送风会导致人体的不舒适，因此在人员突增阶段的模拟中将风速提高到0.1m/s，之后均保持不变。研究设计了4个工况，如表3所示，工况1和工况2是在人员增加5分钟范围内地板温度和空气露点温度的差值处于2oC的安全范围时，将送风湿度分别降低到7.25g/kg和6.5g/kg；工况3和工况4是在人员增加10分钟范围内空气露点温度处于安全范围时，将送风湿度分别降低到7.25g/kg和6.5g/kg。分析改变通风系统合适的时间范围，比较不同工况下地板附近空气露点温度的变化。
表3 室内突增2人模拟工况
1.5 模型验证
测量位置布置如图4所示，图5为实验测量与模拟获得的含湿量对比结果，从图中可以看出模拟数据与大多数实验测量数据一致。测点1在初始阶段出现偏差，Ma等人[14]提到实验测量数据的波动是由系统在初始阶段的不稳定性引起的。测点1靠近入口，实验和模拟的误差可能比较大。
通过与Ma等人[14]的实验结果对比，验证了本文建立的模型。良好的一致性表明，上述模型的精度足以用于进一步研究。
图4 测量位置布置
图5 测点1-5含湿量实验与模拟数据对比
2 结果与讨论
2.1 预除湿阶段
截面Z=0.1露点温度的变化如图6所示，由于工况3的送风速度较小，预除湿阶段持续时间较长，该工况的温度和湿度变化容易理解，因此，对工况3截面Y=1.425的温度和湿度变化进行研究，如图7所示，在50s时底部区域处于高温高湿状态，70s通风后，地板附近代表低温低湿空气的面积增加。经过90s通风，地板附近空气的温度和湿度持续下降，此时空气的露点温度比地板的设计温度低2℃，可以完成初始阶段。
对比工况1-4预除湿阶段的持续时间，工况4可将预除湿阶段缩短到65s，与工况3相比节省了68.3%的时间，当送风湿度从8g/kg（工况1）降低到6.5g/kg（工况4）时，预除湿阶段可缩短23.5%，当送风速度从0.05m/s（工况3）提高到0.1m/s（工况2）时，预除湿阶段可缩短65.8%。因此，通过提高送风速度可以有效地缩短预除湿阶段持续时间，但过快的送风会破坏室内的舒适性。
图6 预除湿阶段截面Z=0.1m的露点温度变化
图7 工况3预除湿阶段截面Z=1.475m温度和湿度变化
2.2 地板辐射供冷系统开启阶段
由于工况1的预除湿阶段持续时间短且能耗低，因此，在后续的研究中将工况1的运行结果作为地板辐射供冷系统与置换通风系统并行阶段的输入数据。在该阶段中，其他参数保持不变，将送风速度降低到0.05m/s，打开地板辐射系统。考虑到中国大部分办公楼白天的使用时间，假设该阶段的运行时间为12小时，利用头部和脚踝的温差来评价工作区的热舒适性。
头部和脚踝温度差的计算公式：
ΔT=|Th-Tf| （3）
式中：Th和Tf是距离地面1.1m和0.1m处人体周围的平均温度。
ISO7730[15]标准规定：人员采取坐姿时，人员活动区处于地面上方0.1m和1.1m之间的温差应保证不大于３℃。
图8显示了此阶段截面Z=0.1m露点温度变化，在绝大部分的工作时间内，地板附近空气的露点温度处于安全范围内，可以防止地板发生结露现象。图9为在地板辐射供冷系统开启后截面Z=0.1m和Z=1.1m温度变化，可以看出，工作区域的温度在0.4小时左右趋于稳定，在12小时内头部和脚踝的温差小于3℃，满足局部热舒适。
图8地板辐射供冷系统开启阶段截面Z=0.1m露点温度变化 图9地板辐射供冷系统开启阶段截面Z=0.1m和Z=1.1m温度变化
2.3 室内人员突增阶段
图10显示了室内人员突增2人时，截面Z=0.1m的温度和湿度变化，随着人员和时间的增加，地板附近空气的温度和含湿量逐渐升高。图11和图12分别是人员未增加和人员增加2人截面Y=1.475m温度和含湿量云图，从图中可以看出，人员未增加时，室内热环境处于低温低湿状态，室内增加2人300s时，人员附近代表高温高湿的面积增加，600s时室内大部分低温低湿的空气被湿热空气取代。
图10 人员突增2人截面Z=0.1m温度和含湿量变化
图11 人员未增加截面Y=1.475m温度和湿度云图分布
图12 人员增加2人截面Y=1.475m温度和湿度云图变化
室内突增2人5分钟时空气的温度为24.93℃，含湿量为9.85g/kg，如图12所示，则其露点温度为13.72℃，处于安全范围内，此时改变置换通风系统的送风参数，将送风湿度分别降低到7.25g/kg（工况1）和6.5g/kg（工况2），如图13（a）所示，露点温度从13.72℃降低到12.27℃，工况2比工况1节省了50%左右的时间。10分钟时空气的温度为26.72℃，含湿量为10.4g/kg，露点温度升高到14.53℃，也处于安全范围内，此时降低送风湿度，如图13（b）所示空气的露点温度从14.53℃降低13.24℃，工况4比工况3节省了大约51.9%的时间。因此，室内人员突增2人时，可在10分钟范围内降低置换通风系统的送风湿度。
图13 突增2人不同工况下截面Z=0.1m露点温度变化
3 结 论
根据上述研究表明：
（1）在垂直温差满足人员热舒适的条件下，通过提高送风速度和降低送风湿度可将预除湿阶段缩短至65s。相比之下，提高送风速度对缩短该阶段持续时间有很大影响。当送风速度从0.05m/s提高到0.1m/s时，预除湿阶段持续时间可缩短65.8%
（2）地板辐射供冷系统启动后，工作区域的热环境需要0.4小时稳定；在12小时工作时间内，地板附近的露点温度处于安全范围内，可避免冷却地板发生结露现象。
（3）人员增加2人，散湿量由218g/kg变化到654g/h，地板附近空气的露点温度处于结露风险的时间是18分钟，在10分钟内空气的露点温度都处于安全范围内，因此可在10分钟范围内降低通风系统的送风湿度；当送风湿度从7.25g/kg降低到6.5g/kg，将地板附近空气的露点温度降低到相同值时，时间可节省50%左右的时间。
（4）研究只考虑了送风速度和湿度对预除湿阶段持续时间的影响，而忽略了送风温度的调节，今后将进一步研究；仅对室内增加2人的情况进行了研究，之后将会对人员增加4人、6人进行模拟分析，寻找改变通风系统合适的时间范围。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。