李红伟（宁波市鄞州区建筑工程质量监督站，浙江宁波315100）

地板辐射供冷与置换通风空调房间热环境模拟与能耗分析

李红伟（宁波市鄞州区建筑工程质量监督站，浙江宁波315100）

本文建立了地板辐射供冷与置换通风空调房间热环境模拟模型，利用fluent软件对室内的热湿分布情况进行了模拟；并且在室内冷负荷达到最大值时，通过模拟等温和非等温送风情况下不同的地板表面温度所形成的温度场和相对湿度场；运用PMV-PPD热舒适指标进行分析，得出了人体在基本满足热舒适情况下的空调系统参数的变化。

地板供冷；置换通风；热舒适；能耗模拟；数值分析

引言

最近几年，辐射供冷得到了人们的广泛关注，因为它具有高效、舒适等优点，而地板辐射供冷加置换通风空调方式是现在非常有应用前景的空调方式。地板辐射供冷主要原理是由供冷部件与维护结构内表面和人体进行的辐射换热。研究调查表明，1.8m处的人体温度场分布基本接近理想状态。空调房间就是通过地板辐射供冷与置换通风两个条件提供制冷制热功能，但是辐射供冷在空调使用过程中暴漏出单位热强度低、易结露等等问题。置换通风的工作原理是利用空气的密度差形成的热气流上升而冷气流下降，它的送风分布器一般都是安装在地板附近，送风的面积较大，出风口风速一般低于是0.5m/s。置换通风用于采暖时，对于送风就没有湿度的要求。据相关研究表明，置换通风能够将地面与室内的对流换热效果强化，使用地板辐射供冷加置换通风空调方式复合系统时，地面与室内空气的对流换热系数高出单独使用地板供冷时约45%，导致总换热系数高出约30%，也就是说，温差相同时，复合系统的供冷能力要高约30%[1]。本文为了解决这些问题，现对“地板辐射供冷加置换通风空调方式”下的室内热环境进行数值模拟，研究室内的温度、湿度、速度分布规律，为这种空调方式的设计提供理论依据。

1 空调房间热环境数值模拟模型的建立

空调房间热环境数值模拟模型依据中部地区夏季气象参数，研究对象是一间普通的两人办公室，室内设计温度为26℃，设计相对湿度为60%，其对应的露点温度为18.03℃；房间内人体的散热、散湿量都是以成年男子为基本标准值；其中，末端送回风设备是由单层格栅回风口、半圆柱型置换通风器等构成。

1.1 模拟房间模型

模拟房间尺寸长×宽×高为4.2m×3.3m×2.8m，如图1所示。

图1 模拟房间立体

1.2 室内模拟参数的确定

1.2.1 房间送风温度确定

现阶段，国外已有很多学者将目光投入到置换通风系统的研究上，国内诸多的理论研究和工程实践表明，置换通风系统中的温差是可以得到保证的。置换通风系统的送风温度可以低至18℃，一般而言，地板供冷系统的地面温度不会低于ASHRAE提出对坐着的轻体力劳动者的温度，所以地面适用的温度为18～26℃，因而地板供冷中的对流成份约为20%，并不会使房间的负温度梯度增大，地板表面温度分布一般也比较均匀，不会对室内温度梯度造成显著的影响[2]。当采用置换通风时，根据冷湿负荷计算来确定送风温、湿度的参数，基本上置换通风系统采用的送风温度保持在23～l9℃，相对于室内温度26℃来说，送风温差控制在3～7K范围内。室内除人员外无其他发湿源时送风湿差可采用4～5g/kg。

1.2.2 地板表面温度的确定

本文中的模型的地板表面温度是根据北京建筑工程学院邱林等人实验测量的干式结构地板情况进行数据取样，地表面温度见表1。

表1 模型模拟参数

2 空调房间热环境数值模拟结果分析

本次模型中的状态1和状态2，通过改变地板表面温度，送入比室内设计温度相对较低的温度来模拟辐射供冷的情况；状态3和状态4通过改变地板表面温度，送入比室内设计温度相对较高的温度来模拟辐射供冷情况。

2.1 室内温度场的模拟结果及分析（见图2）

由图2所示，通过以上温度场模拟的结果中进行比较，结果可以看出，送风温度与地板表面温度温差较大时，室内工作区域的温度场分布较为均匀；送风温度与地板表面温度温差较小时；室内的温度分层较为明显。

2.2 室内相对湿度场模拟结果及分析（见图3）

由图3所示，通过以上湿度场模拟的结果中进行比较，结果可以看出，室内的湿度场均按层分布，随高度增加相对湿度减小，温差较大时，室内工作区的相对湿度较小；地面与送风温差较小时，室内工作区的相对湿度较大。

2.3 不同的送风温度和地板表面温度下模拟结果分析

图2 y=1.3m处相对温度场

图3 y=1.3m处相对湿度场

本次模型中的数据通过的分析结果得出，状态1和状态3通过改变地板辐射表面温度和送风温度，当地板表面温度较高时，可降低送风温度，保证室内人员的热舒适，同时送风温度不要太低，可以避免室内产生结露现象；在地板表面温度达到较低状态时，提高送风的温度，实现节能[3]。接下来，笔者就研究人体的热舒适分布。在此情况下，由温度场图2a），2c）和相对湿度场图3a），3c）可以得出以下结论：大温差送风时，室内的温度场和湿度场模拟的结果显示湿度较小，温度分布均匀是我们想要的理想状态。

2.4 不同的送风温度和相同的地板表面下模拟结果分析

状态2和状态4是通过改变送风温度来比较相同的地板辐射供冷的情况下，送风温度对室内人体的热舒适的影响程度。由温度场图2b），2c）及相对湿度场图3b），3c）可知：在相同的地板温度条件下，送风温度相对较高时，室内温、湿度场分布较理想，此时，室内既不会有结露现象，又达到节能的目的。

综合分析前面得出的温度场和相对湿度场模拟结果，取人员工作区域的地板表面、离地0.1m，1.1m及1.8m处的温、湿度数据进行比较，得出具体的室内温湿度分布及热舒适情况，温湿度图表如图4a）和4b）所示。

图4 工作区域温、湿度表

由图4可知，根据国际标准IS07730的推荐值，人体在0.1～1.1m之间的的热湿环境中，温差不能超过3℃，才能保证人体的舒适性。

2.5 PMV与PPD模拟结果及分析

本文模拟办公室工作人员状态为坐立办公（（sedentary activity），新陈代谢率为1.2met；其衣着情况，如表2所示。

表2 人体衣着及热阻分布情况单位（clo）

分别模拟在casel-4情况下PMV与PPD值。为了较为直观的反映人体的热舒适性，如下的面截图是人体中间y=2.6m处及脚部位点c（1.5，2.0）至点d（（1.5，2，2.8）的截图、模型中央点e（2.1，1.65，0）至点f（2.1，1.65，2.8）。

根据Fanger提出的人体的热感觉PMV和预测不满意百分比PPD，见表3所示PMV热感觉标尺。

表3 PMV热感觉标尺

当PMV=0时，PPD为5%。它表示，在最佳热舒适状态的室内热环境中，仍有5%的人感到不满意。因此IS07730对PMV-PPD指标推荐值在-0.5～+0.5之间，相当于人群中允许有10%的人感觉不满意。由以上的PMV值可看出：在点a～b的0.6～1.2m处，由于电脑和人体的散热源比较集中，其PMV值较大，在0.1～1.1m的PMV值在-0.2～1.2；在室内中央点c～d处0.1～1.1m的PMV值在-0.6～0.6[4]。

在现实生活中，地板材料不同，会影响传热系数，传热系数大的材料，自脚底传热更凉一些同样，穿鞋和没穿鞋的人，对热的感觉也是不一的。

结果表明：典型工况和casel状态下人员最舒适，case2相对较case3舒适，case3模拟了地板辐射温度较低时，送入6℃温差新风，置换通风送风温度过高，达不到设计要求；case4由于送风温度和地板表面温度过高，人员热舒适得不到保证。

3 结束语

本文利用Fluent软件建立辐射模型，运用Tecplot后处理软件进行处理。通过模拟结果，分析了不同情况下的气流组织、温度场、湿度场，并运用PMV-PPD热舒适性模拟进行分析。保证人员觉得热舒适的前提下，为防止地板表面结露，得出了置换通风与地板辐射供冷复合式空调系统的运行参数，数据表明，置换通风的送风温度只能低于或者等于室内设计温度，一般要低于2～4℃，同时地板表面温度控制在19～23℃，送风相对湿度控制在50～55%范围内较适宜。

[1]高治国.置换通风条件下地板辐射供冷的热环境数值模拟[D].山东建筑大学，2013.

[2]魏艳立.羽毛球馆地板辐射供冷数值模拟与分析[D].西华大学，2014.

[3]杨 苏.地板供冷-置换通风空调房间热环境模拟研究[D].山东建筑大学，2014.

[4]安迎超.置换通风-地板辐射供冷系统分析与研究[D].河北工程大学，2013.

TU831

A

2095-2066（2016）24-0241-02

2016-8-10