新風除濕輔助毛細管輻射供冷房間流場模擬

摘要

摘　要：建立毛細管輻射供冷系統(tǒng)傳熱模型。對分別采用單純毛細管輻射供冷系統(tǒng)、新風除濕輔助毛細管輻射供冷系統(tǒng)的空調(diào)房間內(nèi)的溫度場、速度場進行模擬。采用新風除濕輔助毛細

摘　要：建立毛細管輻射供冷系統(tǒng)傳熱模型。對分別采用單純毛細管輻射供冷系統(tǒng)、新風除濕輔助毛細管輻射供冷系統(tǒng)的空調(diào)房間內(nèi)的溫度場、速度場進行模擬。采用新風除濕輔助毛細管輻射供冷系統(tǒng)，室內(nèi)可達到更為舒適的溫度范圍，在工作區(qū)內(nèi)無吹風感。

關鍵詞：毛細管輻射供冷新風除濕流場模擬

Simulation of Flow Field in Room Using Capillary Radiant Cooling System Assisted by Fresh Air Dehumidification

Abstract：The heat transfer model of capillary radiant cooling system is established．The temperature field and velocity field in air conditioning rooms using capillary radiant cooling system alone and capillary radiant cooling system assisted by flesh air dehumidification are simulated．Using capillary radiant cooling system assisted by fresh air dehumidification can achieve a more comfortable indoor temperature，without feeling of air flowing in the work zone．

Key words：capillary radiant cooling；fresh air dehumidification；simulation of flow field

毛細管輻射供冷彌補了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)以對流換熱為主的不足，有助于提高室內(nèi)舒適度，室內(nèi)溫度場分布均勻，垂直方向上空氣溫度梯度較小^[1-2]。在相同熱感覺下，毛細管輻射供冷系統(tǒng)可以將室內(nèi)設計溫度提高1～2℃，供冷量比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)降低10％～20％^[3-4]。

毛細管輻射供冷系統(tǒng)存在的一些問題也不容忽視：當毛細管輻射表面溫度低于空氣露點時，易產(chǎn)生結露現(xiàn)象，影響室內(nèi)衛(wèi)生，且降低了毛細管輻射供冷系統(tǒng)的供冷能力。因此，毛細管輻射供冷系統(tǒng)通常只承擔顯熱負荷，潛熱負荷需要其他空調(diào)裝置承擔(如新風機組)。本文對新風除濕輔助毛細管輻射供冷房間流場(溫度場、速度場)進行模擬。

1　毛細管輻射供冷系統(tǒng)傳熱模型

1.1　物理模型

毛細管輻射供冷系統(tǒng)物理模型見圖1，換熱包括：毛細管壁與管內(nèi)水的換熱，頂面與毛細管壁的換熱；室內(nèi)與頂面的換熱。為簡化模擬計算，進行以下設定^[5]：水的物性參數(shù)為常量；水在毛細管內(nèi)為恒定流動；由于砂漿層上部沒置絕熱層，可將上邊界條件作為絕熱處理。

1.2　數(shù)學模型

①毛細管壁與管內(nèi)水的換熱

毛細管壁與管內(nèi)水的換熱量垂．計算式為：

式中F1——毛細管壁與管內(nèi)水的換熱量，W

K1——溫差為l℃時，通過單位長度毛細管管壁的傳熱量，W／(m·K)

L——毛細管管長，m

Dqm——毛細管內(nèi)水與管壁的對數(shù)平均溫差^[5]，℃

qg——供水溫度，℃

qh——回水溫度，℃

qb——毛細管管壁外表面溫度，℃

水吸熱量西：的計算式為：

F2＝qmcpDq

式中F2——水吸熱量，W

qm——毛細管內(nèi)水的質(zhì)量流量，kg／s

cp——水的比定壓熱容，J／(kg·K)

Dq——供回水溫度差，℃

根據(jù)能量守恒定律有：

F1＝F2

②頂面與毛細管壁的換熱

式中q——溫度，℃

t——時間，s

a——頂面向毛細管壁的熱擴散率，m²／s

x——x軸坐標，m

y——y軸坐標，m

鑒于毛細管輻射頂板溫度場的對稱性，對每一個計算單元，沿著戈軸的兩面可近似認為是絕熱面，因此有：

式中L1——絕熱面的距離(見圖l)，m

毛細管作為冷源，不斷向砂漿層傳熱，在毛細管管壁與砂漿層接觸處有：

q＝qb

在絕熱邊界條件下有：

式中l——砂漿層的熱導率，W／(m·K)

L1——毛細管圓心至絕熱層的距離(見圖1)，m

③室內(nèi)與頂面的換熱

室內(nèi)與頂面的換熱量由對流換熱量、輻射換熱量兩部分組成：

對于對流部分：

式中Fc——室內(nèi)與頂面的對流換熱量，W

qp——室內(nèi)非供冷表面的加權平均溫度，℃

qa——室內(nèi)設計溫度，℃

輻射部分為：頂面與室內(nèi)非供冷表面之間的輻射換熱可簡化為一組灰體表面組成的傳熱模型，設定東側墻、北側墻、西側墻均為內(nèi)墻，且物性參數(shù)相同，可將三者視為一個灰體表面。房間的其他表面：南側墻(外墻)、頂面、地面分別各自作為一個灰體表面。房間模型見圖2。

由4個灰體表面組成的有效輻射方程組見文獻[6—7]，由有效輻射方程組得到室內(nèi)與頂面的輻射換熱量Fr的計算式為：

式中Fr——室內(nèi)與頂面的輻射換熱量，W

qb,1——頂面輻射能力，W／m²

q1——頂面有效輻射量，W／m²

e1——頂面發(fā)射率

A1——頂面面積，m²

室內(nèi)與頂面換熱量Ft的計算式為：

Ft＝Fc+Fr

式中Ft——室內(nèi)與頂面的換熱量，W

2　流場模擬

2.1　初始條件

房間模型尺寸(長×寬×高)為5m×4m×3m。毛細管內(nèi)直徑為3.4 mm，壁厚為0.55mm，管內(nèi)水流速0.40～0.50m／s，雷諾數(shù)<2300，為層流流態(tài)。毛細管管長為2m，采取定供水溫度(為23℃)運行。

流場模擬采用速度一壓力耦合算法，采用Gamibit進行房間模型的建立及網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格劃分后的房間模型導入Fluent軟件，模擬室內(nèi)溫度場、速度場。模擬時進行以下設定：室內(nèi)空氣視為不可壓縮流體，密度視為常量，忽略室內(nèi)外空氣的滲透。

在模擬單純采用毛細管輻射供冷系統(tǒng)室內(nèi)流場的基礎上，對新風除濕輔助毛細管供冷系統(tǒng)的室內(nèi)流場也進行了模擬，送風口位于東側墻距頂面0.2m居中位置，回風口位于西墻距地面0.2m居中位置，送風溫度l8℃，送風風速3m／s。

2.2　流場模擬

①毛細管輻射供冷系統(tǒng)

由于室內(nèi)溫度場是三維場，因此選取其中最有代表性的3個切面進行分析：南北向及東西向的中心面、人員工作區(qū)距地面1.5m的平面。南北向中心面溫度場見圖3，南北向、東兩向中心面溫度場見圖4，1.5m高度處溫度場見圖5。

由圖3、4可知，靠近頂面的空氣溫度較低，且垂直方向溫度梯度較大，而距地面l.5m范圍內(nèi)的垂直方向溫度梯度較小。由圖3、5可知，靠近外窗的空氣溫度較高，但水平方向上的溫度梯度并不大。

②新風除濕輔助毛細管輻射供冷系統(tǒng)

送回風口中心面溫度場見圖6，南北向、東西向中心面溫度場見圖7。送回風口立面、南北向中心面速度場見圖8，東西向中心面速度場見圖9，送、回風口及1.5m高度處速度場見圖l0。由圖6、7可知，采用新風除濕輔助毛細管輻射供冷系統(tǒng)的房間，室內(nèi)溫度在舒適范圍內(nèi)，垂直方向溫度梯度小，舒適性更強。由圖8～10可知，工作區(qū)內(nèi)風速在0.3m／s左右，無吹風感。