周璇玉 ，丁云飞 ，2，邓 燕

（1.广州大学 土木工程学院，广州 510006；2.广州大学 广东省建筑节能与应用技术重点实验室，广州 510006）

0 引言

近年来，随着公众对建筑环境舒适性的关注以及节能意识的增强，人们在积极寻找一种舒适、健康、环保、节能的空调方式［1-2］。采用冷吊顶供冷方式提高了辐射换热比例，降低了对流换热作用，室内风速小，大大提高了人体舒适性。但由于辐射冷吊顶表面温度低于室内空气的露点温度时，会在表面出现结露现象，从而要求辐射板的表面温度要高于室内空气的露点温度，这又限制了辐射板的供冷能力［3］。目前独立新风+辐射冷吊顶的新型空调系统被逐渐应用到实际工程中［4-6］，新风承担全部潜热负荷和部分显热负荷，通过贴附射流方式，经深度除湿处理的干燥新风贴附在冷吊顶板的表面，使室内工作区的空气与冷辐射板分隔，形成空气保护层，从而避免冷辐射板表面结露［7］，并且可提高辐射板的供冷量，工程应用中往往采用恒定新风量。在冷辐射空调中，新风不仅要满足室内卫生条件要求，还要保证冷板表面不结露，因此含湿量低（约 8.5～9 g/kg（da）），其焓值也远低于常规空调新风焓值（室内焓值），导致新风处理能耗高。在诸如办公室、商场等冷辐射空调系统中，室内湿源主要是人员散湿，在运行过程中，当室内人员发生变化时，新风量也应该进行相应的调节，一方面可以节约新风能耗，另一方面也有利于更大地发挥辐射板的供冷能力。

本文通过CFD模拟结合试验验证流场的正确性，对冷辐射顶板结合新风诱导送风贴附射流供冷［8-9］时的结露特性进行研究，分析室内人员变化时，改变新风量条件下新风贴附射流长度与贴附层内空气露点温度变化特性，探讨冷辐射空调中，对新风量进行动态调节，在满足卫生要求和不结露的同时，实现系统的运行节能。

1 试验装置

冷辐射顶板测试房间的尺寸为长×宽×高=5.2 m×4.6 m×2.7 m，在房间顶部安装3个呈条形布置的诱导型新风口，结构如图1所示，诱导比达到1：3。在室内放置外表面涂白的钢制圆筒作为热源，试验时冷辐射顶板温度为17.8 ℃，新风送风温度为13.8 ℃，将室内温度和相对湿度分别控制在26 ℃和60%。

图1 诱导型新风口结构Fig.1 Structure diagram of induced fresh air inlet

测试断面位于中间诱导型新风口处，测点分布如图2所示。测试前，对QDF-3型的热球式风速仪（测试范围0.05～30 m/s，基本误差≤5%FS）进行了调零校准。测试过程重复3次，对测得的风速值取平均值。

图2 测试断面测点分布Fig.2 Distribution of test points on test section

2 CFD模拟计算

对试验房间进行建立物理模型，模拟房间内部热源包括人员散热、计算机及打印机等设备散热，总冷负荷2 841 W。将人体简化为直径30 cm、高度1.2 m的圆柱体［13］，其他的室内热源简化成0.5 m×0.5 m×0.5 m的正方形。根据实际情况对风口喷嘴直径以及回风口进行适当的简化［14］，划分非结构网格，并进行网格加密处理。通过模拟房间流场以及含湿量分布，研究贴附射流变新风运行模式下冷辐射板结露特性。

2.1 数学模型

采用瞬态仿真模拟室内空气湍流运动。在求解过程中，压力速度耦合采用的是SIMPLE算法，应用二阶迎风格式求解控制方程，结合连续性方程、能量守恒方程、可实现k-ε方程对空气的流动进行三维模拟。辐射换热模型采用DO模型［10］，壁面函数使用增强壁面函数法［11］，散湿模拟采用组分输运方程［12］，流体组分为空气和水蒸气，组分的水蒸气位于空气的上方位置。

2.2 边界条件和初始条件

室内冷负荷由新风和冷辐射顶板共同承担，并充分发挥冷辐射顶板的供冷能力。

（1）室内设计干球温度为26 ℃，相对湿度为60%；

（2）室内湿源设置为质量流量进口，成年男子在轻微劳动下的散湿量109 g/h［15］；

（3）新风干球温度13.8℃，含湿量8.8g/kg，新风风量180 m3/h；

（4）冷辐射顶板设置成定温边界，温度设定为 17.8 ℃；

（5）四周壁面设置为绝热边界；

（6）采用门缝自然出流的边界条件。

冷辐射顶板下方1 cm厚度的贴附层露点温度决定了冷板表面是否会结露［16］，通过分析该露点温度的变化，可以获得冷辐射顶板表面的露点温度分布情况。空气露点温度的经验公式如下：

式中 tL——露点温度，℃；

pq——湿空气的水蒸气分压力，Pa。

3 结果分析与讨论

设定空调房间6人，人均新风量为30 m3/h的情况下，模拟冷辐射板下1cm处贴附层露点温度随时间的变化，在空调运行期间，分析当在室人数降为设计值的50%（3人）时，新风量变化（降至80%，60%，40%，20%）的情况下，冷辐射板表面贴附层露点温度随时间的变化，以及变新风量时贴附射流长度变化对冷辐射板结露的影响。

3.1 模型验证

在设计人数条件下（6人），新风量为100%时贴附层的流场分布如图3所示。从图3可以看出，新风经过安装在隔板上的喷嘴高速喷出，在诱导风口内部形成局部负压，由此诱导室内的二次风由风口下方的中央孔板吸入。新风沿着两边的条形风口水平吹出，迅速贴顶板流动，形成贴附效应。且通过试验对贴附层表面的流速进行验证，保证了模拟流场的正确性。

图3 测试截面位置的模拟流线分布Fig.3 Simulation streamline distribution diagram of test section position

图4示出测试截面位置贴附层（顶板下1 cm）模拟与实测风速对比图，从图中可以看出，模拟与实测结果相比，最大偏差0.07 m/s，模型能反映诱导型新风口+辐射板系统实际运行性能。

图4 测试截面位置贴附层（顶板下1 cm）模拟与实测风速对比Fig.4 Comparison of attached layer（1 cm below the ceiling）simulation and measured wind speed at test section position

3.2 设计人数时变新风量对贴附层露点温度的影响

3.2.1 典型位置贴附层空气露点温度变化趋势

随着气流贴附长度减少，贴附层各点露点温度升高的速率加快，当贴附层某一点露点温度升高至辐射板的表面温度时，辐射板将出现结露现象。通过分析冷辐射顶板对应的贴附空气层最大露点温度规律，可以得到辐射板开始结露的具体位置。由于室内流场的对称性，选择了流场中的3个典型位置（如图5所示）进行比较，点1为气流贴附效应最弱的区域（距内墙0.5 m处）的中心点，点2为湿源正上方的位置，点3为回风口区域的中心点。

图5 贴附层表面不同的测点Fig.5 Measuring points of different surface of the attached layer

图6示出所分析的贴附层不同点处的露点温度变化曲线，由图可以看出，在标准工况下（6人，新风量180 m3/h），贴附层中的3个点的露点温度均逐渐上升，在60 min左右达成最大值，但均小于辐射板的表面温度（17.8 ℃），冷辐射顶板不会结露，且在系统运行的80 min内，这3点的露点温度升幅均在1 ℃以内，其中射流沿风口吹出，在点1处气流贴附效果最差，当新风量为100%时，此处的空气流速为0，人体产生的湿量上升至顶板，干燥的新风没有把这部分湿量完全带走，因此该区域的含湿量较高，露点温度由一开始16.1 ℃上升至16.7 ℃，点2位于湿源正上方，此时该处的风速约为0.35 m/s，湿量被新风带走，因此该处的露点温度为16.1 ℃上升至16.4 ℃，点3位于回风口区域的中心，干燥的新风将室内的湿量带走，一部分通过门缝排出，一部分被室内诱导回风，因此回风口处的含湿量高于室内各处。点3的露点温度由16.1 ℃上升至16.9 ℃，高于贴附层其他位置，为贴附层空气最大露点温度。

图6 贴附层不同点处的露点温度变化Fig.6 Dew point temperature change at different measuring points of the attached layer

从图7可以看出，各个测点通过数值模拟得出的露点温度与试验测得的露点温度对时间的变化基本保持一致，在试验过程中，房间的密闭性良好，但由于季节原因，室外的低湿空气会随着房间原有的风口渗透进入试验室，导致了试验测得的数据比模拟数据略低一些，因此试验值和模拟只之间存在着一定的偏差是合理的。在系统运行的阶段中，送风含湿量在一定微小的范围内波动，没有达到绝对的稳定，因此导致了各测点的露点温度有浮动的趋势。统计各测点的相对误差最大的模拟值与试验值，见表1。

图7 贴附层各测点处的露点温度对比Fig.7 Comparison of the dew point temperature at measuring points of the attached layer

表1 露点温度最大相对误差Tab.1 Maximum relative error of dew point temperature

通过表1中的数据可以看出，各测点的试验值和模拟值之间存在着一定的误差，但最大的相对误差在5%以内，因此可以判定所建模型的正确性。

3.2.2 变新风量时贴附层空气露点温度变化特性

在设计人数条件（6人）下，当改变新风量，系统运行15 min时贴附层露点温度分布如图8所示。从图中可以看出，在15 min时，贴附空气层的露点温度随着新风量的减少，上升的速率明显加快。当新风量为180 m3/h时，气流贴附效果明显，此时贴附空气层的最大露点温度出现在回风口处，该处的露点温度为16.6 ℃；随后调节新风量为80%，气流贴附效果减弱，新风除湿能力下降，由图8（b）可知，此时贴附空气层的最大露点温度为17 ℃；当新风量为60%，贴附空气层的最大露点温度为17.4 ℃，小于辐射板的表面温度（17.8 ℃），冷辐射顶板仍不结露。但当送风量为40%和20%时，气流速度衰减快，基本不贴附辐射板表面，整个辐射板表面都容易出现结露现象，当系统运行至15 min时，此时贴附空气层的最大露点温度为17.8 ℃，辐射板开始结露。因此，当风量为60%～100%时，每减少20%风量，露点温度上升0.4 ℃左右，由于风量为20%，40%时冷辐射板表面不形成贴附层，故两者的结露速率几乎趋同。

图8 系统运行15 min时贴附层露点温度分布云图Fig.8 Dew point temperature distribution nephogram of attached layer when the system has been running for 15 min

图9示出贴附层空气最大露点温度随新风量变化曲线。

图9 贴附层空气最大露点温度随新风量变化曲线Fig.9 Variation curve of the maximum dew point temperature of the attached layer with the fresh air volume

由图可以看出：在系统运行的80 min内，当送入新风量为100%时，满足了室内除湿量的条件，贴附层空气露点温度从16.1 ℃上升至16.9 ℃，系统运行1 h后趋于稳定的状态，该条件下辐射板不结露；新风量为80%时，贴附层空气最大露点温度在逐渐上升，在系统运行至80 min时贴附层空气露点温度上升至17.8 ℃，此时该露点温度等于辐射板表面温度，辐射板有结露风险。新风量为60%时，系统运行24 min时，辐射板开始结露。当新风量为40%和20%时，系统分别运行18 min和15 min时，辐射板出现结露现象。因此当新风量降低至60%以下时，贴附层空气最大露点温度上升的速率明显加快，在30 min内，辐射板会出现结露现象。

通过上述分析可知，在设计人数条件下，新风可根据室内卫生条件要求（监测CO2）使新风量在80%～100%范围内间歇调节，即在80%风量下运行1 h，然后在100%新风量下运行，待含湿量降低后，再按80%新风量运行，避免辐射板结露的同时实现新风节能。

3.3 人员变化时变新风量对贴附层露点温度的影响

系统在运行过程中，在室人员数会发生变化，假设室内人员减少50%（3人），改变送入新风量的大小，此时贴附层空气露点温度变化趋势如图10所示。从图中可以看出，室内人员数量减少，室内的散湿量也同步减少，当新风量为100%（180 m3/h）、80%（144 m3/h）时，系统运行 80 min，由于送入室内的新风量远大于室内除湿所需新风量，贴附层空气露点温度逐步下降至14.8 ℃和15.4 ℃后趋于稳定；当新风量为60%（108 m3/h），此时新风量刚好满足室内所需的除湿新风量，此时贴附层空气露点温度维持在室内的初始阶段不变；当新风量减少至40%运行80 min时，该贴附层空气露点温度上升至17.4 ℃，具有一定的结露风险。当风量减少至20%运行35 min时，辐射板表面出现了结露现象。

图10 贴附层空气露点温度随新风量变化的变化曲线Fig.10 Variation curve of the air dew point temperature of the attached layer with the change of fresh air volume

因此，在室人员数量减少时，可根据CO2传感器相应降低新风量，当新风量降低至室内除湿所需新风量时，应根据贴附层露点温度上升的速率适当调节新风量大小，避免结露。

4 结语

通过对冷辐射顶板结合诱导式新风口系统进行CFD模拟，分析室内人员变化，变新风量运行时冷辐射顶板结露特性。在设计人数条件下，当满足室内卫生条件时，可调节新风量至80%运行1 h，随后增加新风量至100%，当室内的露点温度降至16.8 ℃稳定后，再调节新风量至80%交替运行。当室内人数减少50%时，可通过监控CO2浓度降低新风量，使新风量在60%条件下稳定运行，或在40%及20%条件下交替运行。在冷辐射顶板结合新风诱导送风贴附射流供冷模式下，调节新风量既可以满足室内卫生及防结露要求，又可以加大辐射板的供冷能力，达到节能目的。