王 倩，金梧凤，于志浩

(天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室，天津 300134)

辐射吊顶空调系统中结露特性的数值研究

王 倩，金梧凤，于志浩

(天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室，天津 300134)

摘要：采用Fluent数值模拟的研究方法，对辐射吊顶空调房间内贴附层的湿量分布情况在不同湿源位置和湿源散湿强度下进行了对比分析研究，研究了湿源位置和散湿强度对辐射板结露时间的影响。结果表明：在系统稳定阶段，湿源上方的辐射板比其他位置处的辐射板早发生结露现象，平均提前5min左右；湿源的散湿强度会影响各辐射板的结露时间，当增加一个成年男子轻度劳动时的散湿量时，结露时间大约提前8min。

关键词：数值模拟；湿量扩散特性；露点温度；结露时间

收稿日期：2014-12-17 2015-01-08

作者简介：王倩(1988—)，女，河北沧州人，天津商业大学硕士研究生。 刘钊(1978—)，女，山东济宁人，博士，编辑，主要从事期刊传播学研究。

中图分类号：TU831.3

文献标识码：A

文章编号：：1674-9944(2015)02-0267-04

基金项目：中国高校科技期刊研究会编辑学研究资助项目(编号：MGKJQY1401)资助

1引言

近年来毛细管辐射供冷空调系统作为一种新型式的空调系统在国内引起了广泛关注，其主要依靠冷辐射面提供冷量使室内温度下降，采用辐射供冷系统的房间内温度场分布较均匀，垂直方向上温差梯度较小，提高了人体的舒适度[1]。在相同的热感觉下，辐射供冷空调系统可以将室内设计温度提高1~2℃，辐射供冷空调系统可比常规空调系统节能15%以上[2,3]。

虽然毛细管辐射供冷空调系统具有以上舒适、节能等优点，但该系统存在的一些问题也不容忽视：单纯的辐射供冷空调系统当供水温度较低或者室内湿度较高时，在辐射板表面容易出现结露现象。另外，当门窗开启时，室外的热湿空气进入，接触到低温辐射板也容易产生结露现象，辐射板表面结露不仅会影响室内卫生，且会间接导致毛细管辐射供冷系统的供冷能力的降低，如何有效地解决辐射板表面结露问题是辐射供冷推广的关键问题之一[4]。国内外已有许多学者对于毛细管辐射供冷系统防结露问题进行了理论和实验的研究，主要包括辐射供冷的控制方式、新型末端结构的开发、耦合系统运行策略等[5~11]，但对于辐射供冷系统中水蒸气传播和室内空气湿度分布规律的研究很少，而只有从根本上掌握辐射供冷系统中辐射板结露的过程，进而采取相应的措施才能防止结露现象的发生，所以研究室内湿量扩散特性对提出防结露措施具有重要意义。

在建筑室内环境中，湿空气中水蒸气一般处于过热状态，且含量通常很低，可以近似当做理想气体[12]。由于其密度较低，其扩散作用可以被忽略，因而就物理过程而言，其在空间内的传播可以当作被动气体来处理，遵守组分传播的控制方程。在室内空气中的水蒸气传播规律中，可引入污染物传播的送风可及度、源可及度、初始条件可及度概念，用于描述室内非均匀湿环境中各类边界、湿源等对室内任意点水蒸气浓度瞬时值的贡献程度[13]。

本文应用Fluent计算流体软件模拟湿源对室内湿量分布规律的影响，主要从湿源位置和湿源散湿强度两个方面对贴附层的湿量分布进行研究，并探究其对辐射板结露时间的影响。

2模型的建立和计算

2.1　物理模型

本课题数值模拟房间几何模型依照本学校装有辐射吊顶空调系统的办公室的几何尺寸建立，即3.95m(长)×3.0m(宽)×2.1m(高)，吊顶共有9块辐射板，每一块辐射板的尺寸设为1.65m×1.0m，辐射板直接定义为面边界，湿源为0.05m(长)×0.01m(宽)×0.3m(高)的长方体(图1、图2)。

图1　毛细管辐射吊顶空调房间模型

图2　辐射板编号

2.2　数学模型

假设室内流体为瞬态、不可压缩流体，流动的方式为湍流，由于此模型中考虑因密度差引起的自然对流问题，因此在模拟中启用浮力模型[14]。本模拟中采用质量连续性方程、动量方程、能量方程及标准模型。

(1)

(2)

(3)

(4)k-ε模型：

(4)

(5)

式中：ρ为流体密度；U为气流速度向量；SM为体积力总和；ueff为紊流粘性系数，N·s/m2；Ρ'为修正压力；μt为紊流黏度；k代表紊流动能，ε为紊流损耗；Cε1、Cε2、σk、σε均为常数；Pkb和Pεb表示浮力的影响。

2.3　边界条件及相关参数的设置

(1)本模拟采用非稳态模型，湍流方程采用标准k-ε方程，采用DO辐射模型，激活能量方程；

(2)组分输运方程开启species下transport and reaction模型，在材料的选择上选用mixture，组分设置为两种成分水蒸气vapor和空气air，且水蒸气位于空气上方；

(3)在自然对流的条件下，由于温度差的存在会引起浮升力，本模拟考虑到这一问题采用boussinesq模型，并且考虑重力的作用；

(4)围护结构的边界条件按实验测得的数据进行设置：均设置成定温边界条件，东、西、北墙温度为295K，南墙为外墙，由于采取了遮阳保温措施，忽略了太阳辐射的影响，温度为297.5K，地板采用水泥直接铺设，温度为292.5K，假设辐射板传热为理想状态，温度分布均匀，设定为293K；

(5)湿源出口设置成质量流量边界条件，假设室内初始含湿量分布均匀，为11 g/kg(干空气)。

3模拟结果分析

3.1　湿源位置对结露特性的影响

本文分别对湿源位于房间南、北两侧的地板上时进行数值模拟，研究湿源的位置对湿量扩散和结露特性的影响，房间内湿源的散湿强度约为6个成年男子极轻劳动时的散湿量，即600g/h(图3)。

图3　含湿量分布云图

图3(a)、(b)分别为湿源位于房间南侧、北侧地面中央位置，扩散5min时刻的含湿量分布云图，从以上云图中可以看出水蒸气离开湿源之后在初动量的作用下

向上扩散，在向上扩散的同时也有向水平方向扩散的趋势，扩散到房间顶部时，由于受到冷辐射板的影响，温度降低的水蒸气有向下扩散的趋势。

利用Fluent软件对9块辐射板下方0.01m处的贴附层处温湿度进行监测，导出监测点的模拟数据进行整理分析，得出各测点的露点温度，湿源位于南侧地板中央工况下的贴附层露点温度变化情况如图4所示，湿源位于北侧地板中央工况下的贴附层露点温度变化情况如图5所示。

图4　南侧地板中央工况下贴附层露点温度变化曲线

图5　北侧地板中央工况下贴附层露点温度变化曲线

比较不同时刻贴附层的露点温度和辐射板表面温度，得出各辐射板结露时间，结露时间如表1所示。

表1　不同湿源位置时各辐射板结露时间

由表1中可以看出位于湿源上方的辐射板比其它位置处的辐射板早发生结露现象，这主要是因为在湿源出口的初动量的作用下，湿量向上扩散的强度较大，在湿量到达顶板后才会沿水平方向扩散，因此湿源上方贴附层处的含湿量较其他位置处大，而之前已假定在理想状况下各辐射板的表面温度相同，各贴附层处的干球温度也相差很小，因此湿源上方贴附层处的露点温度较高，湿源上方辐射板比其他位置处辐射板先发生结露，平均提前5min左右。

3.2　湿源散湿强度对湿量扩散特性的影响

模拟湿源位于房间地面中间位置时，散湿强度分别为400 g/h、500 g/h、600g/h，即约为4、5、6个成年男子极轻劳动时的散湿量。利用Fluent软件对9块辐射板下方贴附层处温湿度进行监测，导出监测点的模拟数据进行整理分析，得出不同时刻各测点的露点温度。3种工况下辐射板的温度均维持在20℃，取散湿强度为500 g/h为例，该工况下贴附层的露点温度变化情况如图6所示。

图6　房间地面中间位置贴附层露点温度变化曲线

比较不同散湿强度下辐射板表面温度和贴附层露点温度，得出三种工况下辐射板的结露时间，结露时间如表2所示。

表2　不同散湿强度下各辐射板结露时间

如表2中所示，从表中可以看出，随着散湿强度的增加，各辐射板首次结露时间都有所提前，每增加一个成年男子轻度劳动时的散湿量，结露时间平均提前8min左右，因此在室内潜热负荷增加时，可以根据增加的潜热负荷动态预测采取防结露措施的时间，从而在防止结露发生的同时达到提高辐射空调制冷能力的目的。由表2中数据还可以得出，随着湿量强度的增加，同一辐射板结露时间的差值也逐渐减小。

4结论

(1)在空调系统稳定阶段，随着湿源散湿强度的增加，各辐射板的结露时间都有所提前，每增加一个成年男子轻度劳动时的散湿量时，结露时间平均提前8min左右，因此当室内的潜热负荷增加时，可以根据增加的潜热负荷值动态预测需要采取防结露措施的时间，从而可以在防止结露的同时增大辐射空调制冷能力。

(2)在空调系统稳定阶段，在理想状况下各处辐射板的表面温度相同，辐射板对应的贴附层处的干球温度相差很小，湿源上方的贴附层处含湿量比其他位置处的含湿量高，所以湿源上方的贴附层处露点温度较高，湿源上方的辐射板较早发生结露，比其他位置处的辐射板结露时间提前4min左右，所以在防结露时，应当将湿源上方区域的辐射板作为重点区域监测其表面温度。

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