住宅輻射－送風末端冷負荷分擔率研究:從熱舒適及室內空氣品質角度

隋學敏，張 旭

(1.長安大學a.環境科學與工程學院；b.國土資源部干旱半干旱地區水資源與國土環境開放研究實驗室，西安710054；2.同濟大學 暖通空調及燃氣研究所，上海200092)

眾多實驗研究及實際應用研究表明，冷輻射吊頂與常規空調相比可獲得更高的熱舒適性[1－4]，但是冷吊頂并不能消除室內潛熱負荷、CO2、揮發性有機物、氣味等氣體污染物，因此在冷吊頂應用的基礎上，必須增加通風系統。以CRCP＋DOAS(ceiling radiant cooling panel＋dedicated outdoor air system)為代表的輻射供冷匹配送風系統的復合式空調系統已被廣泛應用于歐洲市場，主要應用于辦公建筑[5－7]。近年來，輻射供冷系統也在中國開始興起，并受到了越來越多的關注，也逐步應用于住宅建筑。與傳統對流空調所不同的是，輻射供冷系統室內熱濕負荷由輻射末端與送風末端共同承擔，其中，送風末端承擔室內全部潛熱負荷及部分顯熱負荷，同時兼顧室內衛生需求，輻射末端承擔剩余顯熱負荷。從調節室內熱微氣候參數的本質上講，在冷負荷一定的情況下，各室內熱微氣候參數的大小由輻射和送風末端承擔的冷負荷比例來決定。輻射末端承擔的冷負荷量影響平均輻射溫度和空氣溫度2個參數，送風末端承擔的冷負荷影響空氣溫度、相對濕度和空氣流速3個參數。送風末端和輻射末端兩者所承擔冷負荷比例的不同會影響室內對流和輻射份額，進而影響室內流場、溫度場和濃度場分布，從而影響人體熱舒適性及室內空氣品質。

縱觀已有關于輻射供冷系統的研究，其核心思想是送風末端的風量為最小新風量，承擔全部潛熱負荷和一小部分顯熱負荷[8－10]。當前，輻射供冷空調系統的設計也主要是沿襲這一思想。然而，是否采用最小新風量，送風末端僅承擔很小一部分冷負荷，室內可獲得最佳的熱舒適性和室內空氣品質？從室內熱環境及空氣品質的角度，是否存在一個輻射－送風末端的優化匹配問題？本文針對低、中、高負荷3種不同住宅負荷工況，對不同冷負荷分擔率下的室內熱環境進行了數值模擬，分別分析比較不同冷負荷分擔率下室內熱舒適性水平和室內空氣質量水平，從舒適和健康的角度，得出適宜的冷負荷分擔率值。

1 計算模型

1.1 物理模型

以外形及室內布局如圖1所示的住宅建筑為研究對象，其幾何尺寸為4.6m×3.4m×2.8m。室內熱源為人體、燈具及用電器，燈具照明功率根據GB50034—2004《建筑照明設計標準》[11]設計，居住建筑取7W／m2。送風口布置在外墻下部，排風口位于對面墻壁上部。冷板布置在吊頂上，與天花板的面積比為70%。用電器散熱量為150W。污染物以人體污染物CO2為代表，人體活動強度為靜坐休息狀態時，CO2呼出量為0.013m3／(h·人)，房間內有2人。室內濕源為人員散濕量，每人散濕量為82g／h。圍護結構的滲濕與季節地區及圍護結構材料等多種因素有關，計算中不予考慮。

圖1 模擬房間的物理模型

1.2 數學模型

選用室內零方程模型作為紊流附加方程，與質量、動量、能量方程及污染物擴散方程聯合，求解室內速度場、溫度場及濃度場。采用理想氣體狀態方程考慮浮升力的影響，采用表面－表面模型來考慮冷板與其它固體表面的輻射傳熱。因壁面和熱源附近存在較大的溫度和速度梯度而采用加密網格；送風口和排風口附近，網格宜加密；其余計算空間，網格較疏，以提高計算速度。模擬中的數學模型的準確性筆者已在文獻[12]中進行了實驗驗證。

1.3 室內設計參數的確定

對于輻射供冷系統，在達到同樣熱舒適性的條件下，室內設計溫度可比常規空調系統提高1～2℃[13]。因此，本文數值計算中，在初設供冷條件對室內熱環境控制目標進行設計時，室內空調設計溫度取28℃，室內相對濕度取50%。

1.4 設計氣流組織及送風溫濕度參數的設置

從文獻[12]對新風量利用的有效性分析可知，與輻射冷吊頂相結合時，采用置換通風及下送風的氣流組織形式，新風量可以獲得更有效的利用，室內工作區可獲得更佳的室內空氣品質。因此，本文數值計算中氣流組織初設置換通風及下送風形式，具體是兩者中的哪一種由送風參數及輻射末端參數來決定。本文通風模式為全新風，新風量保證大于最小新風量，按照文獻[14]對最小新風量的設計探討，人均居住面積為8m2／人時，人均折算新風量為18m3／h，本文計算物理模型對應最小新風量為36 m3／h。新風溫度及速度由承擔的室內負荷量來確定，新風送風含濕量滿足濕平衡：

因此，送風含濕量為：

式中：W1為室內濕負荷，g／h；Gw為新風送風量，m3／h；dn為設計工況室內含濕量g／kg·干；dr為送風含濕量，g／kg·干。

2 住宅負荷工況的選取及負荷分擔率的計算

2.1 負荷工況的選取

室內冷負荷大小取決于室內熱源的散熱量及通過圍護結構從室外傳至室內的熱量，二者是隨時間和房間使用情況而變化的。在室內熱擾一定的情況下，外圍護結構所占比例越大，室內冷負荷越高，室內冷負荷的變化反映在圍護結構傳熱量的變化上。

為確定圍護結構負荷在住宅建筑負荷中所占負荷比例，對一典型住宅建筑負荷情進行計算，如表1中數據所示，從計算結果中可以看出圍護結構負荷在房間總顯熱負荷中所占比例為0～53%。為反映不同的建筑負荷情況，全面分析不同負荷情況下不同分擔率下的室內熱環境，本文數值計算中選取3種不同的負荷工況，為低負荷、中負荷、高負荷工況，分別代表不同的住宅類型，圍護結構負荷在總顯熱負荷中所占比例分別為0、30%、60%，具體數值如表2所示。

表1 建筑空調負荷

表2 計算負荷工況

2.2 負荷分擔率的計算

送風末端的主要任務是去除室內余濕和稀釋室內污染物，同時承擔一部分顯熱負荷，剩余顯熱負荷由輻射吊頂承擔。顯熱負荷分擔率的計算可用下式表示：

送風承擔的顯熱冷負荷比例ωsupply：

冷吊頂承擔的顯熱冷負荷比例ωc：

分擔率滿足：

送風承擔的負荷：

冷吊頂承擔的負荷：

其中：Qsupply為送風承擔的冷負荷；Qc為冷吊頂承擔的冷負荷；Qheatsource為室內熱源散熱量；Qenvelope為由圍護結構傳遞到室內的熱量；Vsupply為送風量tsupply為送風溫差；q為冷板單位面積供冷量；s為冷板鋪設面積。

2.3 分擔率的調節模式及模擬工況

縱觀已有關于輻射吊頂＋新風系統的研究，新風是獨立的，從系統的節能性考慮，一般采用最小新風量設計。在住宅空調中，由于新風量很小，要實現風側承擔冷負荷比例實現從0～100%的變化具有局限性。本文計算模擬中，若采用最小新風量送風，按0.55次／h換氣次數，置換通風采用2℃送風溫差時，送風末端承擔的顯熱負荷很小，即使下送風按傳統混合通風的8℃溫差來設計，送風承擔的顯熱負荷依然很小。此時可通過在保證最小新風量的基礎上，通過調節送風末端的送風量來調節送風末端承擔的顯熱負荷量。

表3 分擔率的調節模式

根據公式(3)—(7)，在負荷一定的情況下，送風末端承擔的顯熱負荷分擔率主要由送風量和送風溫差來決定，輻射末端承擔的顯熱負荷分擔率主要由單位面積供冷量和鋪設面積來決定。因此，調節送風末端和輻射末端的冷負荷分擔率，需要分別調節送風末端和輻射末端的設定參數，以達到相應的匹配。表3給出了負荷分擔率的4種調節匹配模式。在風口面積一定的情況下，送風末端承擔的顯熱負荷分擔率由送風速度和送風溫差來決定。另外，在實際工程應用中，一般輻射冷板鋪設面積是固定不變的，通過調節冷板單位面積供冷量來改變冷板供冷量，因此模擬中只選取模式1和模式2。模式1和模式2的具體介紹如下：

模式1：定風量，通過改變送風溫差來調節送風末端承擔的冷負荷分擔率，送風量滿足1.4節最小新風量的限值，保證室內衛生需求，送風溫差保證風口末端不結露。輻射末端鋪設面積一定，通過改變冷吊頂單位面積供冷量來改變輻射末端承擔的冷負荷分擔率。

模式2：送風溫差一定，通過改變送風量來調節送風末端承擔的冷負荷分擔率，送風量滿足1.4節最小新風量的限值。輻射末端鋪設面積一定，通過改變冷吊頂單位面積供冷量來改變輻射末端承擔的冷負荷分擔率。

3 不同負荷分擔率下室內熱環境及室內空氣品質分析

對于文中低、中、高3種負荷工況，分別采取模式1及模式2兩種調節模式，共進行了6種工況的數值模擬，由于文章篇幅有限，本文選取中負荷工況，采用模式1的分擔率調節模式下的不同負荷分擔率下的室內熱環境及室內空氣品質進行分析。

3.1 不同冷負荷分擔率下的供冷條件

中負荷工況，模式1下的空調末端供冷參數如表4所示。

表4 末端供冷條件

3.2 室內熱舒適評價

計算PMV指標時，設定人的服裝熱阻為0.5clo，人的新陳代謝率為1.0met(即58W／㎡，相當于人體靜坐時的新陳代謝率)。ISO7730對PMV－PPD指標的推薦值為：PPD＜10%，即PMV值在－0.5～0.5之間[15]。圖2給出了不同負荷分擔率下工作區的PMV值，從圖中可以看出，隨著輻射末端冷負荷分擔率的逐漸增大，PMV值增大，ωc在0.08～0.78之間時，PMV在ISO7730標準允許的范圍內。

圖2 不同負荷分擔率下的PMV值

3.3 局部不舒適度評價

圖3給出了中等負荷條件下不同負荷分擔率下的室內垂直溫度分布，從圖中可以看出，不同工況室內2.65m以下空間垂直方向呈正增加的溫度梯度，房間冷卻頂板下部較小的空氣層由于冷吊頂的冷卻作用使得溫度沿高度方向降低。冷卻頂板負荷分擔率ωc越大，室內垂直溫度梯度越小。不同工況熱分層高度仍在1.3m左右。可見，雖然中等負荷條件下，圍護結構有一定的得熱量進入室內，相當于壁面的面熱源，但對室內垂直溫度分布影響不大。

垂直溫度梯度是影響局部熱不舒適度的重要因素。按照ISO7730舒適性標準，人體腳部到頭部(靜坐人員為0.1～1.1m)的垂直溫度梯度應小于3℃／m。圖4給出了不同負荷分擔率下0.1～1.1m差值的變化規律，選取Z方向中間斷面3個豎軸進行分析，x＝0.6m為a軸，x＝2.3m為b軸，x＝4.0m為c軸。從圖中可以看出，隨著冷吊頂承擔的冷負荷分擔率ωc的逐漸增加，頭部和腳踝處的溫差t1.1－t0.1逐漸減小。以b軸為例，當ωc小于0.37時，t1.1－t0.1為3～4.2℃，超出標準限值。當ωc大于0.37時，t1.1－t0.1為0～3℃，在標準允許的許可范圍內。因此，從垂直溫度梯度上講，要使室內保持良好的熱舒適性，送風末端承擔的冷負荷份額應該加以限制，增加冷吊頂承擔的冷負荷份額。每一工況b軸值可反映房間平均垂直溫度分布。由圖可見，對于該工況系列，冷吊頂承擔的冷負荷分擔率ωc大于0.37時，頭部與腳步的溫差t1.1－t0.1小于3℃，滿足ISO7730允許的限值范圍。

圖3 不同負荷分擔率下的室內垂直溫度分布

圖4 不同負荷分擔率下0.1～1.1m溫度差值的變化規律

表5 不同負荷分擔率下的冷風感不滿意率值

由于吹風引起的冷風感是引起人體局部不舒適感的主要因素之一。Fanger教授的調查研究表明，由冷風引起的局部不滿意率PD(predicted percentage of people dissatisfied due to draft)值主要與平均空氣流速、室內空氣溫度及紊流度有關[16]。選取房間中間斷面0.1m、0.3m、0.5m 高度，距送風口0.5m距離的3個點做為考察對象，分別從整體和局部來考察輻射供冷環境吹風感對人體局部不舒適度的影響。紊流度的選取，根據ASHRAE Standard 55－2004[16]標準，混合通風紊流度為35%，置換通風紊流度為20%，文中紊流度取20%。表5給出了中等負荷條件下不同負荷分擔率下的局部PD指標。所有工況各點冷風不滿意率最大值為10%，遠遠小于ISO7730標準限值(ISO7730規定PD限值為20%)。可見通過調節溫差來調節送風末端分擔率時，雖然最大溫差有10℃，但由于送風速度很小，室內不會產生布局吹風感。各分擔率工況PD值差別不大。

3.4 室內空氣品質評價比較

筆者在文獻[12]中已對各種室內空氣質量評價指標的優缺點和適用范圍進行了分析比較，定風量時，宜采用排污效率對室內空氣品質進行評價，排污效率值越高說明通風氣流排除室內污染物的能力越強，人員活動區域內空氣品質越好。變風量時，排污效率僅能表示氣流分布形式下移除污染物能量利用的有效性強度，不能用來評價室內空氣品質的好壞，宜采用排污效率結合實際新風換氣次數進行綜合評價，實際新風換氣次數越大，室內空氣品質越好。本文所分析模式1工況為定風量工況，所以采用排污效率這一指標對室內空氣品質進行評價。圖5給出了中負荷條件下，不同冷負荷分擔率下的排污效率。冷吊頂承擔的冷負荷分擔率ωc小于0.15時，排污效率小于1。ωc在0.15～0.5之間時，排污效率為1.1左右。ωc在0.5～0.9之間時，排污效率較高，最大值為1.8。當ωc從0.9增加到1時，排污效率下降至1。造成這種結果的原因是負荷分擔率的改變導致室內溫度分布的不同，從而導致室內空氣流場的變化。ωc小于0.5時，雖然送風氣流速度較小，但送風溫差較大，工作區氣流組織處于混合通風與置換通風之間。ωc從0.5增加到0.9時，此時送風溫差較小，由熱源浮力羽流引起的置換污染物的效果明顯，工作區污染物濃度最低，排污效率最高。當冷吊頂負荷分擔率接近于1時，室內垂直溫度分布趨于均勻，室內污染物濃度分布均勻，排污效率接近于1。

圖5 不同負荷分擔率的排污效率

4 計算結果總結

對3種負荷下不同負荷分擔率下人體熱舒適性及室內空氣品質評價總結歸納，表6給出了不同負荷下熱舒適標準允許范圍內負荷分擔率范圍，表7給出了不同負荷分擔率下室內空氣品質評價。

表6 不同負荷下熱舒適允許范圍內負荷分擔率

表7 不同負荷分擔率下室內空氣品質評價

5 結 論

以住宅建筑為研究對象，對不同冷負荷條件下不同負荷分擔率下的室內熱環境進行了數值模擬，揭示末端不同負荷分擔率匹配時的人體熱舒適性及室內空氣品質情況，主要得出以下結論：

1)低負荷條件下，ωc＜0.7時，人體熱舒適性指標可控制在舒適標準允許范圍內。模式1，0.42＜ωc＜1時，局部不舒適度指標可控制在舒適標準允許范圍內。模式不同分擔率工況局部不舒適度指標均可控制在舒適標準允許范圍內。

2)中負荷下，ωc＜0.78時，人體整體熱舒適性指標可控制在舒適標準允許范圍內。模式1，0.36＜ωc＜1時，局部不舒適度指標可控制在舒適標準允許范圍內；模式2不同分擔率工況局部不舒適度指標均可控制在舒適標準允許范圍內。

3)高負荷下，0.26＜ωc＜0.74時，人體整體熱熱舒適性指標可控制在舒適標準允許范圍內。模式1，0.45＜ωc＜1時，局部不舒適度指標可控制在舒適標準允許范圍內；模式2不同分擔率工況局部不舒適度指標均可控制在舒適標準允許范圍內。

4)模式1定風量工況低負荷及中負荷下，當0.5＜ωc＜0.9時，氣流組織排除污染物的能力較強，室內工作區可獲得較佳的室內空氣品質。高負荷工況，0.35＜ωc＜0.6時，室內工作區可獲得較佳的空氣品質。高負荷工況有別于低中負荷的主要原因是高負荷工況圍護結構負荷在總負荷中已占主要比例，室內熱源的顯著變化導致室內空氣流場的變化，ωc在0.3到0.6之間時，氣流組織置換污染物的效果較佳。

5)模式2變風量工況，3種負荷工況ωc＝0，即送風末端冷負荷分擔率最大時，室內可獲得最佳的空氣品質。

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