毛细管平面辐射空调系统下的辐射不对称性研究

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1、毛细管平面辐射空调系统下的辐射不对称性研究【摘要】针对毛细管平面辐射空调系统下的辐射不对称性问题，通过CFD技术定量分析了辐射不对称性对人体的热影响，从而揭示出辐射不对称性对热舒适性研究的重要性，以及对空调负荷计算的影响。　　【关键词】毛细管平面辐射空调系统；辐射部对称性；CFD；辐射模型　　1.引言　　（1）辐射不对称性是指，当组成封闭空间的多个表面存在温差时，即使在角系数相同的情况下，该空间内的物体与各表面间的辐射换热量也是不同的。这种由于表面温度差别而造成的辐射换热不均匀的现象是广泛存在的。而在毛细管平面辐射空调系统中，由于辐射换热的面积增大，不

2、对称辐射现象更加明显。　　（2）一般来说，空调负荷与系统形式无关，而往往是由当地气象参数，建筑本身的热性能及其用途等条件决定的[1][2]。但对于毛细管平面辐射空调而言，冷表面的介入使室内的长波辐射换热场得到加强（占室内总换热量的60%左右），这就导致人体的感受到的主观温度与实际空气温度之间存在偏离。这种偏差被辐射的不对称性放大，反映在设计层面，就是冬季和夏季室内设计温度的调整。　　（3）本文从不对称辐射的传热学机理出发，利用CFD技术建立三维辐射换热模型，定量分析了辐射不对称性对于人体热感受和空调负荷的影响。　　2.辐射不对称性的存在　　（1）当组成

3、封闭空间的多个表面存在温差时，置身其中的物体会受到来自不同方向的对称辐射。这种广泛存在的物理现象在空调领域有不一样的意义。因为当该物体是位于房间内的人时，问题的性质就发生了变化。一方面，人作为客体，是室内长波辐射换热场的研究对象之一；另一方面，人作为主体，是室内热环境的承受者和评价者。因此，辐射不对称问题从一个单纯的传热问题，最终转化成为室内热舒适性研究的一部分。　　（2）在毛细管平面辐射空调系统下，辐射不对称性依然存在。对于传统的全空气系统来说，无论送风方式如何变化，室内各墙面间的温差并不显著。但对于辐射供暖/供冷系统来说，地板或天花板的温度与其他墙

4、面的存在较大差别。特别是在毛细管平面辐射系统中，当把外径2～5的聚丙烯细管以8～10的间距密铺于吊顶时，整个吊顶表面的温度场往往比传统的辐射地板采暖更均匀，其产生的辐射不对称现象也会更明显。但换一个角度看，辐射不对称性也就意味着辐射的定向性。如果把这种性质加以利用，并把不对称辐射的强度控制在不影响人体热舒适感的范围内，则可以实现在冬季适当降低室内空体温度（或在夏季适当抬高室内空气温度），而不影响人的主观热感觉。这也正是空调室内设计温度得以改变的根本原因。下面，从辐射换热的机理出发，进一步研究辐射部不称性对人体的影响程度。　　3.不对称辐射的传热学分析　

5、　3.1从单纯的传热机理入手，截取热辐射过程的某一时刻为研究对象，见图1，则位置r处的s方向的辐射传输方程为：　　dI（r，s）ds+（α+σs）I（r，s）=an2σT4π+σsπ∫04πI（r，s'）I（s，s'）dΩ'（1）　　其中：r——位置向量；s——方向向量；r‘——散射方向向量；s——路径长度；n——折射指数；σs——折射系数；σ——波尔兹曼常数（5.672×10-82·K4）；I——辐射强度；T——局部温度；——相函数；Ω'——立体角。　　图1有介质参与下的辐射传热　　图2人体与冷表面角系数计算示意图3.2事实上，即使在边界条件一定的情

6、况下，随着人体的移动所带来的角系数的变化，人与周围环境间的辐射换热仍然是一个不断变化的动态过程。设人体重心正好通过冷吊顶表面OHAE顶角O的垂线（如图2所示），则人对该矩形表面的角系数可通过积分求得：　　FP-AEOH=1πx=ax=0x=bx=0fp（x2+y2+z2）3/2dxdz　　=1πx/z=a/cx/z=0y/z=b/cy/z=0fp（1+（xz）2）+（yz）2）3/2dxzdyz（2）　　3.3对于整个顶板ABCD来说，人体重心位于其中垂线上，几何尺寸存在对称关系，所以可运用代数法求解角系数，人与矩形壁面ABCD之角系数为：　　FP-A

7、BCD=FP-AEOH+FP-BEOF+FP-CGOF+FP-DHOG　　=4πx/z=a/cx/z=0y/z=b/cy/z=0fp（1+（xz）2）+（yz）2）3/2dxzdyz（3）　　3.4假设冷顶板尺寸为a=3.0，b=2，c=2.2，代入上式得热源与冷吊顶表面角系数FP-ABCD=0.14。同理，通过解析公式求出人与墙壁角系数F【摘要】针对毛细管平面辐射空调系统下的辐射不对称性问题，通过CFD技术定量分析了辐射不对称性对人体的热影响，从而揭示出辐射不对称性对热舒适性研究的重要性，以及对空调负荷计算的影响。　　【关键词】毛细管平面辐射空调系统

8、；辐射部对称性；CFD；辐射模型　　1.引言　　（1）辐射不对称性是指，当组成封闭空间的多个表