不同设计参数下冷却顶板热舒适性
王丽洁，李念平，章文杰
(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410082)
摘要：结合长沙地区夏季室外气象参数，分别取室内设计温度为26，27和28 ℃，室内设计相对湿度取60%的情况下，计算出相应的夏季最不利时刻空调冷负荷和湿负荷，进而确定6种不同辐射供冷空调方案和新风方案。利用Fluent软件建立顶板辐射供冷结合独立新风系统复合空调方式下普通单人办公室的辐射模型，模拟不同方案下室内以及人体周围的温度场和空气流场；根据模拟得到的数据通过人体热舒适评价标准计算方法得出相应的整体热舒适(PMV-PPD)和局部热不舒适性指标(吹风感，垂直温差，地板温度和辐射不对称温度)。基于国际标准EN ISO 7730—2005关于室内热环境分类标准同时结合天津大学对于国内大量人群所作的实测研究所得到的中国人舒适标准，从热舒适角度对各方案的室内热环境进行对比研究和解释分析，同时为顶板辐射供冷空调系统的设计提供一定的参考。
关键词：设计参数；顶板辐射供冷；独立新风；热舒适
中图分类号：TU831.6 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0099-05
Simulative research on thermal comfort of ceiling radiant cooling panels based on different design parameters
WANG Li-jie, LI Nian-ping, ZHANG Wen-jie
(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)
Abstract: Several different kinds of radiant cooling air-conditioning schemes and fresh air scheme were determined. Radiant mathematical model of a single office in ceiling radiant cooling panels (CRCPs) together with dedicated outdoor air systems (DOAS) was set up with the computational fluid dynamics software FLUENT to simulate indoor air flow distribution and temperature field. According to the obtained simulation data, the general thermal comfort was analyzed from PMV-PPD and local thermal discomfort was analyzed via comparing draft sensation, vertical temperature difference, the floor temperature and radiant temperature asymmetry through theoretical calculation method based on the international standard EN ISO 7730—2005 indoor thermal environment classification standard. Comparative study and analysis was carried on indoor thermal environment of each scheme from the perspective of thermal comfort so as to provide certain reference for the scheme selection and parameter design of radiant cooling air-conditioning system.
Key words: design parameter; ceiling radiant cooling panels (CRCPs); dedicated outdoor air systems (DOAS); thermal comfort
辐射供冷以其节能效益高[1-2]、热舒适性强[3-5]、环境污染少[6]、温湿度独立控制，同时在系统形式、布置方式和空调末端控制方面的灵活性，以及由较强的蓄冷能力所带来的室内环境稳定性等诸多优点，近年来在我国的空调市场上得到了良好的发展与广泛的应用。其中顶板辐射供冷于20世纪70年代源于欧洲，北美和日本学者对此也进行了大量研究。常见的顶板辐射供冷(Radiation roof cooling)主要有辐射板(Ceiling radiant cooling panels)和埋管式的冷顶板(Chilled ceiling panels)2大类[7]。通常顶板辐射供冷需要结合新风系统以满足室内的空气品质等要求，近年来置换通风系统(Displacement ventilation，简称DV)凭借其环境舒适、运行经济及室内布置灵活等优点，与顶板辐射供冷相结合在我国一些工程应用中有了广泛而快速的发展[8]。然而置换通风在应用中出现的吹风感及辐射板结露等问题限制了其在冷负荷和湿负荷较大的场合中的应用。而研究表明：独立新风系统(Dedicated outdoor air systems，简称DOAS)作为全世界最有优势的节能技术之一[9]，通过与顶板辐射供冷结合，有效地消除了室内的全部湿负荷，提高了系统的供冷能力，同时降低了结露风险。本研究的研究目的在于通过负荷计算及室内设计参数确定几种不同的送风及顶板供冷方案，结合CFD模拟比较不同方案下的室内热环境，并根据EN ISO 7730—2005通过理论计算综合分析各方案下的整体热舒适指标(PMV-PPD)和局部热不舒适指标(吹风感，垂直温差，地板温度和辐射不对称温度)，同时为顶板辐射供冷空调系统应用在湖南等夏季高温高湿气候特点的地区提供一定的设计参考。
1 模型简化
模拟中选取的物理模型实体为一间位于中国长沙市的单人办公室，一面外墙(北)，一面内墙(南)，两面内隔墙(东、西)，且邻室为空调房间。室内热源为电脑及坐姿人体，坐姿人体简化为长方体组合模型[10]，房间维护结构及相关散热设备规格尺寸描述如表1所示。
2 房间空调负荷的计算
2.1 确定室内外设计参数
长沙地区的夏季平均大气压为99.940 kPa，室外干球温度为to=35.80 ℃，相对湿度为75%。考虑到辐射供冷空调方式下，室内人体的体感温度比常规对流空调方式下的温度低1~2 ℃，本研究在室内设计相对湿度取为60%的情况下，选定3种不同的室内设计干球温度tn分别为26，27和28 ℃。
2.2 负荷计算及边界条件的确定
根据室内外设计参数计算3种工况下的冷负荷和湿负荷，并确定相应的边界条件，结果如表2所示，其中Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ依次代表室内设计温度为26，27和28 ℃的情况。
3 辐射供冷空调方案的设计
3.1 新风量的计算及辐射顶板表面温度的确定
送回风口布置形式为上侧送上侧回，送回风口尺寸为110 cm×200 cm，送风速度为0.4 m/s。
单人办公室根据人均最小新风量计算，需送入房间新风量为Qs=30 m3/h，房间总的湿负荷为W=243.9 g/h，新风承担全部的湿负荷。根据湿平衡原理可得出送风状态点的含湿量。当相对湿度取95%时，可得到相应的干球温度。考虑1 ℃的风管温升，可确定送风状态点。同时为避免结露，辐射顶板表面温度应比室内空气露点高1~2 ℃。
表1 物理模型的描述
Table 1 Description of physical model
表2 边界条件的类型及设定
Table 2 Types and settings of boundary conditions
3.2 辐射供冷设计方案
本研究设计6种辐射供冷空调方案，如表3所示。
表3 辐射供冷设计方案
Table 3 Radiant cooling design schemes
4 模拟结果与分析
4.1 模型网格划分
模拟中对送回风口及南内窗和北外窗采用非结构化混合面网格，网格步长为0.01，网格总数分别为220，220，462和546，且对窗户进行边界层加密；房间整体利用基于加密函数的非结构化混合体网格进行网格划分，网格总数为368 249，如图1所示。
图1 模型网格划分
Fig.1 Mesh division of model
4.2 模拟参数及计算模型的选择
假定室内气流流动为定常和不可压缩流动。控制方程分别为连续性方程、动量方程、能量方程及k-ε二方程湍流模型，壁面函数为标准壁函数；压力速度耦合采用SIMPLE算法；控制方程离散格式采用二阶迎风离散格式，压力插值格式采用标准离散格式；设置稳态求解器，开启DTRM辐射模型：辐射强度更新次数为4，流场每迭代2次，辐射迭代1次，每个辐射面跟踪4条射线；采用Boussinesq模型考虑浮升力对计算结果的影响；控制方程及能量方程的收敛标准分别为10-3和10-6。
4.3 整体热舒适指标的计算
热舒适是人体在动态热环境下对环境表示满意的一种状态[11-12]，鉴于评价因素的复杂性，本研究根据标准EN ISO 7730—2005结合整体热舒适和局部热不舒适指标对环境的热舒适性进行分析性预测和解释评价。标准EN ISO 7730—2005主要描述了热环境的人类工效学，采用PMV-PPD指标进行整体热舒适评价，其中指标PMV和PPD的计算公式参见该标准。
4.4 局部热不舒适指标的计算
根据标准EN ISO 7730—2005，人体所不期望的局部冷感和热感也会造成热不舒适。常见的局部热不舒适因素有辐射不对称温度(冷表面和热表面)，吹风感(由于气流运动造成的人体局部冷感)，垂直温差和冷暖地板。通常处于静坐下轻劳动的人对于局部不舒适较为敏感。其中各项指标的计算公式参见标准EN ISO 7730—2005[13]。
4.5 各方案模拟及理论计算结果的比较分析
通过CFD模拟可得房间内的流场及温度场分布，各方案下的温度相关参数如表4所示。经过处理后得到距地板0.6 m处的温度分布云图，如图2所示。根据模拟结果，通过理论计算的方法可得到各方案下整体热舒适指标和局部热不舒适指标，结果如表5所示。
(1) 综合各方案的维护结构表面温度可得温度由低到高排列为：顶板，东西墙，地板，南墙，北墙。这是由于东西墙为内隔墙，邻室为空调房间，故温度相对较低；同时采用顶板辐射供冷，顶板对地板的辐射角系数大于对南北墙的辐射角系数，故地板温度低于南北墙；另外北外墙由于受太阳辐射，温度比邻近走道的南内墙的高。
(2) 垂直温差分析：根据EN ISO7730—2005关于在工作区上方0.1 m~1.1 m之间的垂直温差的规定，上述6种方案均满足A类标准的规定(低于2 ℃)，且随着室内设计温度的提高，垂直温差逐渐减小；
(3) 辐射不对称温度的分析：6种方案的辐射不对称温度逐渐降低，且低于EN ISO 7730—2005标准关于舒适热环境A类标准的规定(低于14 ℃)，且随着室内设计温度的提高，辐射不对称温度逐渐减小。
(4) 地板温度的分析：6种方案的地板温度逐渐升高(29.69~30.42 ℃)，且符合EN ISO 7730—2005标准关于舒适热环境标准的规定，且随着室内设计温度的提高，地板温度逐渐升高。
通过6种方案热舒适性指标的对比分析，可得到如下结论：
表4 各方案的温度相关参数(℃)
Table 4 Relevant temperature parameters in different design schemes
图2 距地面0.6 m处平面上的温度分布云图
Fig.2 Contours of temperature distribution at 0.6 m
(1) 总体而言，根据EN ISO7730-2005国际标准关于热环境舒适等级划分类别，前3种设计方案均满足C类标准，即-0.7＜PMV＜0.7，PPD＜15%，DR＜30%，PDv＜10%，PDf＜15%，PDr＜10%，也就是说中国长沙地区办公室采用冷顶板辐射供冷加独立新风复合式系统设计时，设计温度可采用26 ℃，部分对室内热环境舒适性要求不高的地区可采用27 ℃；
(2) 同时考虑到限制热环境舒适等级的主要因素为地面温度不满意率相对偏高，经过调查，除特殊用途房间(如部分住宅，舞蹈室等着轻便鞋袜或赤脚的房间)，通常穿着普通鞋袜的人员对地面温度敏感性下降，从而实际不满意率高于标准中规定，另外，根据天津大学对于国内大量人群所作的实测研究[14]，由于生活习惯等因素的影响，中国人满意温度下限比Fanger标准要低1 ℃左右，上限要高0.7 ℃左右，即中国人舒适标准为-1.5＜PMV＜1.2，此范围内的辐射供冷，均能较好地满足舒适要求，故在设计时根据实际情况除少数热舒适要求较高的房间外，室内设计温度26~28 ℃基本满足热舒适要求。
表5 各方案的整体热舒适指标和局部热不舒适指标
Table 5 General thermal comfort and local thermal discomfort indexes in different design schemes
5 结论和展望
(1) 采用辐射冷却顶板结合独立新风系统时，室内工作区气流组织分布良好，人员所在区气流速度小于0.05 m/s，湍流气流强度DR为0，不会产生吹风感，改善了置换通风造成的局部吹冷风感的热不舒适；
(2) 各方案中地板温度的不满意率普遍偏高，这是由于复合式辐射供冷方案导致房间下部区域温度相对较低，但基本在15%左右，接近或者略高于EN ISO 7730—2005中舒适热环境C类标准；
(3) 各方案中垂直温差及辐射不对称不满意率普遍较低，说明采用该供冷方案能够减少人员工作区因房间垂直温差及辐射不对称造成的局部热不舒适；
(4) 本研究主要参考国际标准EN ISO 7730—2005进行热环境划分类别和进行舒适性评价，鉴于东西方人种和经济等的差异，同时受实验条件限制，本研究主要通过模拟手段对设计方案下的室内热环境进行评估。在下一阶段研究中，将结合现场实验及测量对模拟结果进行论证，以期制定出适合中国长沙地区的舒适的热环境标准，为辐射供冷的设计提供参考。
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(编辑 何运斌)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178169)
通信作者：王丽洁(1986-)，女，河南三门峡人，硕士研究生，从事建筑节能与室内空气品质研究；电话：15873147314；E-mail：wanglijie008@139.com
