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温湿度独立控制系统气流组织的比较 清华大学建筑技术科学系 赵恒★ 赵彬 摘要 目前传统空调存在的初投资大、能耗高等问题使得温湿度独立控制的新型空调系统出现。本文以清华大学节能示范楼为例，通过计算流体力学（CFD）的方法，模拟了采用辐射板结合地板送风的温湿度独立控制系统的空调方式时的室内气流、温度分布及热舒适指标情况，并针对室内人员负荷变化的工况做了比较分析。通过模拟认为辐射板与地板送风相结合的方式在实际工程中是可行的，为温湿度独立控制系统送风系统的设计提供了一定依据。 关键词 温湿度独立控制 辐射板 地板送风 气流组织 计算流体力学（CFD） 前言 目前的中央空调系统通常采用传统的温湿度同时控制的方式，这种空调方式存在两个主要问题：一是冬夏季无法共用一套空调系统，造成初投资较高；二是由再热损失、大循环风量、制冷机低效率运行等问题导致空调能耗较高[1]。基于这些弊端，有学者提出了温湿度独立控制的室内环境控制方式[1]，将建筑物降温和除湿这两个任务分开，温度控制系统只负责排除室内余热，而湿度控制系统排除室内余湿。 这种新的空调形式将向室内送入干燥新风以去除余湿，由于其送风系统仅为满足新风和除湿要求，如果按照人均新风量30m3/小时，每人占地10m2，层高3m，则换气次数约为1次/小时，需要的风量远小于传统空调形式下的送风量。而室内人员、发热设备等产生的余热则通过干式末端控制，如辐射板和干式风机盘管。本文以清华大学节能示范楼这一实际工程为例，采用计算流体力学（CFD）的方法对辐射板结合地板送风的空调系统进行模拟，并对辐射顶板和辐射侧壁以及室内人员负荷增加的工况进行了模拟分析，对气流分布、温度分布以及热舒适指标进行全面的比较，从而选择确定适于温湿度独立控制的气流组织形式。 模型建立 模拟房间尺寸为长×宽×高＝6.1×5.7×2.8 m，它位于清华大学节能示范楼三层南侧，是典型的办公建筑格局。该房间均布4块送风地板，尺寸为600mm×600mm，于房间壁面近顶板处布置一尺寸为200mm×400mm的回风口，每人保证35m3/h的送风量(送风参数：26℃，9.1g/kg干空气)。人员负荷的空间分布给出了设计人员负荷和人员负荷增加两种情况：设计人员负荷时，室内有6名静坐人员，每人散热量为104.67W；考虑到办公室的人员流动，增加6名办公者，均匀站立于房间中，散热量亦为104.67W。每人散湿量为184g/h，假定散湿集中在人员头部。辐射板的安装位置也选择了辐射顶板和辐射侧壁(此工况为了保证辐射板面积与其它情况一致以便于比较，在近辐射侧壁的顶板也安装了辐射顶板)两种情况，总辐射板面积均为34.8 m2，此为辐射板满布的理想情况，实际工程中由于灯具、结构等需要，辐射板不可能实现满布。4种工况的说明如表 1所示： 表 1 工况说明 工况1 工况2 工况3 工况4 辐射板位置 顶部 顶部 侧壁＋顶部 侧壁＋顶部 人员(人) 6 12 6 12 冷负荷(W/ m2) 35 53 35 53 总送风量(m3/h) 210 420 210 420 辐射板供水温度(℃) 20 17 20 17 根据以上条件，建立的模型如图 1所示： （a）工况1 （b）工况2 （c）工况3 （d）工况4 图 1 模拟工况示意图 模拟结果及分析 采用商用CFD软件Fluent数值求解了室内空气湍流流动的控制方程（质量、动量、能量和水蒸质量守恒方程），湍流模型为 k-ε模型，计算网格为90×45×65，辐射模型采用face to face模型。经过计算得到室内气流和温度分布，以及相对湿度、PMV（Predicted Mean Vote，预测热舒适投票）的分布，并针对室内设计负荷与人员负荷增加的情况作了比较，具体结果见下面的图表。 辐射顶板 对人员工作区的温度，湿度及舒适性进行了分析，并针对辐射顶板附近是否含湿量过高导致结露的问题进行了研究。截取了2个人员工作区竖直断面的温度分布(图 2)，观察发现，除人员上方区域由于人员散热，热空气上升，温度较高外，主要呼吸区域温度基本维持在26℃左右，顶部由于辐射顶板中通入冷水降温，将顶板表面温度设定为20℃，因此接近顶部的地方温度有所降低。考察人员呼吸区水平截面(1.3m高处)的相对湿度(图 3)，基本在50~60%，符合设计要求。 图 2 工况1工作区温度剖面图 图 3 工况1人员呼吸区相对湿度分布图 辐射侧壁 考虑到室内含湿量随高度方向而升高，近顶板处空气含湿量最高，将辐射板布置于顶板，顶板有可能出现结露问题。下面对将辐射板布置于侧壁的情形进行模拟，为了保证与辐射顶板工况的辐射板面积一致，在靠近辐射侧壁的顶板处仍布置了辐射板(图 1（c）)。 观察工作区温度，比辐射板安装于顶部时普遍要低，大约