U型毛细管房间室内热舒适性模拟与分析

第26卷第6期 张 岩，等：U型毛细管房间室内热舒适性模拟与分析 ·587· 文章编号：1671-6612（2012）06-587-05 U型毛细管房间室内热舒适性模拟与分析 张 岩 冯圣红 王 刚 （北京建筑工程学院 北京 100044）

【摘 要】 对U型毛细管房间建立三维流固耦合模型，运用fluent软件模拟了室内存在热源的情况下房间内的温度场及速度场，模拟结果表明在自然对流情况下，毛细管辐射供冷能满足室内人员的热舒适性。分析了不同工况下毛细管内水流速及送回水温度对毛细管制冷能力的影响，得出了毛细管的最佳运行参数。分析了抹灰层对毛细管制冷能力的影响，从而为实际工程中抹灰层材料、厚度的参数选择提供了一定的依据。 【关键词】 毛细管；三维模型；运行参数；制冷量 中图分类号 TU831.6 文献标识码 B

Numerical Simulation and Analysis on Room Cooled by U-tube Capillary Mats Zhang Yan Feng Shenghong Wang gang ( Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing, 100044 ) 【Abstract】 Model 3-dimentional room with U-tube capillary mats and simulate with fluent velocity distribution and temperature distribution of the room with heat resources which is cooled by U-tube capillary mats, the simulated results prove that under nature convection effects the tube capillary mats radiant system could reach thermal comfort of occupants . Analyze the influent factors of the cooling capability of tube capillary mats such as supply water velocity and temperature, and the best performance factors is presented. Analysis of tube capillary mats floated concrete effects on cooling capacity is important references of how to choose floated concrete material and material thickness in projects. 【Keywords】 tube capillary mats; 3-dimentional model; performance factors；cooling capacity

作者简介：张 岩（1986-），男，在读硕士研究生，E-mail：bingj14@yahoo.com 通讯作者：冯圣红（1967-），男，博士，副教授，E-mail：fengshenghong@bucea.edu.cn 收稿日期：2011-08-25

0 引言 伴随着世界能源短缺的加剧，节能正逐步成为各行各业的共识。在我国城市化进程不断加快，越来越多的新建建筑不断出现，而建筑业在我国国民经济中的耗能所占的比例较高，为实现我国到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%的目标，建筑行业的节能对这一目标的实现至关重要。近年来节能建筑、绿色建筑成为引领建筑行业发展的趋势。而辐射供冷节能和良好的热舒适性的特点，使其在近年来出现的节能示范建筑中得到应用如清华节能楼、北京锋尚国际公寓等。毛细管辐射末端承担负荷的能力大，能利用天然冷源供冷，辐射板表面均匀，室内热舒适性好，为温湿度独立控制系统末端的最佳方式[1-5]。本文研究了毛细管席顶面敷设时其室内的温度场及速度场，重点分析了毛细管内不同供回水温度及供水速度对其制冷能力的影响。

1 数值模型建立 1.1 房间模型 本文研究的毛细管辐射房间模型位于北京，房间尺寸为3m×3m×3m（长×宽×高）。室内设计温度为25℃，设计相对湿度为50%，其对应的露点温度为17.6℃。毛细管席顶面敷设，敷有3块毛

第26卷第6期 2012年12月 制冷与空调 Refrigeration and Air Conditioning Vol.26 No.6 Dec. 2012.587～591·588· 制冷与空调 2012年

细管席，其尺寸分别为1m×3m，0.8m×3m，0.8m×3m。管席表面用10mm厚的水泥砂浆覆盖。毛细管尺寸为Ф3.35×0.5mm[6]，考虑了毛细管U型弯管处的换热，模型如图1所示。 图1 房间几何模型 Fig.1 Geometry of the room 图2 房间模型网格划分 Fig.2 Mesh of the room model 1.2 网格划分 相对于房间尺寸，由于毛细管尺寸比较小，毛细管附近区域的网格划分应当加密，来使得模型反映出房间温度分布的实际情形。模型中毛细管及抹灰层采用Hex-Cooper方式划分网格，其它区域采用Triangle网格，室内热源、外窗附近网格加密。面网格为4804943，体网格1994020，节点数为897407。划分后的网格如图2。 1.3 模型边界条件 模型的假设条件为：（1）不考虑毛细管接触热阻的影响；（2）毛细管内冷水的进水温度及速度相同；（3）毛细管席不向上部空间传热；（4）考虑太阳辐射对房间的影响，使用太阳加载模型。 该房间只有一面南向的外墙，其余为内墙。外窗的尺寸为1m×0.8m（长×高），除外墙及外窗外，其它维护结构均按绝热边界条件处理。室内热源假设为一个坐姿状态的人，尺寸为0.4m×0.4m×0.4m（长×宽×高），位于室内中心位置，人着装时皮肤表面温度为33～34℃，故内热源表面温度为33℃[7]。

取夏季某天13:00时刻为计算时刻，经计算可得此时的外墙热流密度为10w/m2，外窗对流及导热热流密度为15W/m2，辐射热流密度取太阳加载模型的计算值。太阳加载模型计算的该时刻太阳辐射的值见表1。

表1 13:00时刻太阳的辐射值 Table 1 Sun irradiation value at 13:00 直接法向太阳辐照 （W/m2） 漫射太阳辐照 （垂直表面W/m2） 漫射太阳辐照 （水平表面W/m2） 地面反射太阳辐照 （垂直表面W/m2） 874.686 146.525 117.791 94.5606

初始条件的简化： （1）室内空气为自然对流，毛细管内水流为层流； （2）室内空气按不可压缩流体来考虑，考虑到空气温度变化较小，其密度可作常数来处理，故空气采用Boussinesq模型[8]； （3）忽略室内外空气的渗透。 模拟的基本算法为速度和压力耦合的算法。考虑到模型的光学厚度、散射和发射、局部热源的因素，辐射模型选为DO模型[9]。 2 室内的温度场及速度场分析 取毛细管内送水温度为18℃，回水温度为20℃时，水流速度为0.2m/s时的条件来分析其温度场速度场。 2.1 y=1.5m处的温度场及速度场 从图3-4中可以看出热源周围温度在25℃左右，速度为0.2m/s，其它区域温度为23℃左右，第26卷第6期 张 岩，等：U型毛细管房间室内热舒适性模拟与分析 ·589· 速度为0.15m/s左右，满足室内热舒适性要求。顶板表面温度为19℃，由于室内空气露点温度为17℃，顶板温度比室内空气露点温度高2℃，可以肯定顶板附近不会出现结露状况。

图3 y=1.5m处温度场 图4 y=1.5m处速度场 Fig.3 Temperature distribution at y=1.5m Fig.4 Velocity distribution at y=1.5m

2.2 z=0.1m和z=1.1m处的温度场及速度场

图5 z=0.1m处温度场 图6 z=0.1m处速度场 Fig.5 Temperature distribution at z=0.1m Fig.6 Velocity distribution at z=0.1m

图7 z=1.1m处温度场 图8 z=1.1m处速度场 Fig.7 Temperature distribution at z=0.1m Fig.8 Velocity distribution at z=1.1m ·590· 制冷与空调 2012年 从图5-8可以看出靠近外墙附近风速较高，达到了0.3m/s，而热源附近速度为0.2m/s，其它区域风速在0.13m/s左右，满足室内风速小于0.2m/s的要求。外墙附近及热源附近风速比其它区域高，主要是因为外墙和热源温度比室内空气高，在其附近产生热烟羽，热气流在上升过程中不断卷吸周围空气。热源附近空气温度为26℃左右，其它区域为23℃左右。z=0.1m处的平均温度21℃，z=1.1m处的平均温度24℃，两断面温差小于3℃，满足热舒适性条件。 3.3 毛细管席内部抹灰层的温度分布 图9 毛细管网温度分布 Fig.9 Temperature distribution around capillary mats 从图9中可以看到，热源上方的毛细管温度为18.5℃左右，外墙附近的毛细管附近抹灰层温度为19℃左右，毛细管进口处附近的抹灰层温度为18℃。可知毛细管在进口处附近水温变化不大，而在热源上方受到热源的辐射和热源附近上升热烟羽的影响，水温有所升高。外墙附近的毛细管抹灰层与外墙处上升的热气流换热，使得其温度升高。 图10 y=1.5m处速度矢量图 Fig.10 Velocity vectors distribution at y=1.5m 3.4 室内气流的速度矢量图 从图10中可以看到热源附近明显的热烟羽现象，热源附近的气流不断上升，上升过程中又不断卷吸周围的空气，气流到达顶板附近后，由于顶板的温度较低，气流在此处被冷却，故气流运动到内墙两侧，而后沿着内墙下降，进入到房间的下部区域，而后又向热源下方汇集，再随热羽流上升，从而形成了空气在房间内的循环。

3 不同参数对毛细管席表面供冷量的影响 因在实际工程中毛细管内水流速一般在0.05m/s～0.4m/s范围内，故在模拟工况中毛细管内水流速在此范围内变化，供水温度在16℃～19℃变化，模拟在此种情况下不同运行工况对毛细管席供冷能力的影响。 3.1 供回水温度与流速