新风除湿辅助毛细管辐射供冷房间流场模拟_技术研究

摘要

摘　要：建立毛细管辐射供冷系统传热模型。对分别采用单纯毛细管辐射供冷系统、新风除湿辅助毛细管辐射供冷系统的空调房间内的温度场、速度场进行模拟。采用新风除湿辅助毛细

摘　要：建立毛细管辐射供冷系统传热模型。对分别采用单纯毛细管辐射供冷系统、新风除湿辅助毛细管辐射供冷系统的空调房间内的温度场、速度场进行模拟。采用新风除湿辅助毛细管辐射供冷系统，室内可达到更为舒适的温度范围，在工作区内无吹风感。

关键词：毛细管辐射供冷新风除湿流场模拟

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

毛细管辐射供冷弥补了传统空调系统以对流换热为主的不足，有助于提高室内舒适度，室内温度场分布均匀，垂直方向上空气温度梯度较小^[1-2]。在相同热感觉下，毛细管辐射供冷系统可以将室内设计温度提高1～2℃，供冷量比常规空调系统降低10％～20％^[3-4]。

毛细管辐射供冷系统存在的一些问题也不容忽视：当毛细管辐射表面温度低于空气露点时，易产生结露现象，影响室内卫生，且降低了毛细管辐射供冷系统的供冷能力。因此，毛细管辐射供冷系统通常只承担显热负荷，潜热负荷需要其他空调装置承担(如新风机组)。本文对新风除湿辅助毛细管辐射供冷房间流场(温度场、速度场)进行模拟。

1　毛细管辐射供冷系统传热模型

1.1　物理模型

毛细管辐射供冷系统物理模型见图1，换热包括：毛细管壁与管内水的换热，顶面与毛细管壁的换热；室内与顶面的换热。为简化模拟计算，进行以下设定^[5]：水的物性参数为常量；水在毛细管内为恒定流动；由于砂浆层上部没置绝热层，可将上边界条件作为绝热处理。

1.2　数学模型

①毛细管壁与管内水的换热

毛细管壁与管内水的换热量垂．计算式为：

式中F1——毛细管壁与管内水的换热量，W

K1——温差为l℃时，通过单位长度毛细管管壁的传热量，W／(m·K)

L——毛细管管长，m

Dqm——毛细管内水与管壁的对数平均温差^[5]，℃

qg——供水温度，℃

qh——回水温度，℃

qb——毛细管管壁外表面温度，℃

水吸热量西：的计算式为：

F2＝qmcpDq

式中F2——水吸热量，W

qm——毛细管内水的质量流量，kg／s

cp——水的比定压热容，J／(kg·K)

Dq——供回水温度差，℃

根据能量守恒定律有：

F1＝F2

②顶面与毛细管壁的换热

式中q——温度，℃

t——时间，s

a——顶面向毛细管壁的热扩散率，m²／s

x——x轴坐标，m

y——y轴坐标，m

鉴于毛细管辐射顶板温度场的对称性，对每一个计算单元，沿着戈轴的两面可近似认为是绝热面，因此有：

式中L1——绝热面的距离(见图l)，m

毛细管作为冷源，不断向砂浆层传热，在毛细管管壁与砂浆层接触处有：

q＝qb

在绝热边界条件下有：

式中l——砂浆层的热导率，W／(m·K)

L1——毛细管圆心至绝热层的距离(见图1)，m

③室内与顶面的换热

室内与顶面的换热量由对流换热量、辐射换热量两部分组成：

对于对流部分：

式中Fc——室内与顶面的对流换热量，W

qp——室内非供冷表面的加权平均温度，℃

qa——室内设计温度，℃

辐射部分为：顶面与室内非供冷表面之间的辐射换热可简化为一组灰体表面组成的传热模型，设定东侧墙、北侧墙、西侧墙均为内墙，且物性参数相同，可将三者视为一个灰体表面。房间的其他表面：南侧墙(外墙)、顶面、地面分别各自作为一个灰体表面。房间模型见图2。

由4个灰体表面组成的有效辐射方程组见文献[6—7]，由有效辐射方程组得到室内与顶面的辐射换热量Fr的计算式为：

式中Fr——室内与顶面的辐射换热量，W

qb,1——顶面辐射能力，W／m²

q1——顶面有效辐射量，W／m²

e1——顶面发射率

A1——顶面面积，m²

室内与顶面换热量Ft的计算式为：

Ft＝Fc+Fr

式中Ft——室内与顶面的换热量，W

2　流场模拟

2.1　初始条件

房间模型尺寸(长×宽×高)为5m×4m×3m。毛细管内直径为3.4 mm，壁厚为0.55mm，管内水流速0.40～0.50m／s，雷诺数<2300，为层流流态。毛细管管长为2m，采取定供水温度(为23℃)运行。

流场模拟采用速度一压力耦合算法，采用Gamibit进行房间模型的建立及网格划分，将网格划分后的房间模型导入Fluent软件，模拟室内温度场、速度场。模拟时进行以下设定：室内空气视为不可压缩流体，密度视为常量，忽略室内外空气的渗透。

在模拟单纯采用毛细管辐射供冷系统室内流场的基础上，对新风除湿辅助毛细管供冷系统的室内流场也进行了模拟，送风口位于东侧墙距顶面0.2m居中位置，回风口位于西墙距地面0.2m居中位置，送风温度l8℃，送风风速3m／s。

2.2　流场模拟

①毛细管辐射供冷系统

由于室内温度场是三维场，因此选取其中最有代表性的3个切面进行分析：南北向及东西向的中心面、人员工作区距地面1.5m的平面。南北向中心面温度场见图3，南北向、东两向中心面温度场见图4，1.5m高度处温度场见图5。

由图3、4可知，靠近顶面的空气温度较低，且垂直方向温度梯度较大，而距地面l.5m范围内的垂直方向温度梯度较小。由图3、5可知，靠近外窗的空气温度较高，但水平方向上的温度梯度并不大。

②新风除湿辅助毛细管辐射供冷系统

送回风口中心面温度场见图6，南北向、东西向中心面温度场见图7。送回风口立面、南北向中心面速度场见图8，东西向中心面速度场见图9，送、回风口及1.5m高度处速度场见图l0。由图6、7可知，采用新风除湿辅助毛细管辐射供冷系统的房间，室内温度在舒适范围内，垂直方向温度梯度小，舒适性更强。由图8～10可知，工作区内风速在0.3m／s左右，无吹风感。