輻射空調房間供暖期室內熱環境及通風效率實驗研究

吳小舟孫雪豐王灃浩

（1西安交通大學人居環境與建筑工程學院 西安 710049；2上海原構設計咨詢有限公司遼寧分公司 沈陽 110000）

輻射空調房間供暖期室內熱環境及通風效率實驗研究

吳小舟1孫雪豐2王灃浩1

（1西安交通大學人居環境與建筑工程學院 西安 710049；2上海原構設計咨詢有限公司遼寧分公司 沈陽 110000）

本文通過實驗研究了供暖工況下輻射吊頂系統分別與混合通風系統和置換通風系統復合時辦公房間室內熱環境參數分布及新風系統的通風效率。結果表明：當輻射吊頂表面溫度變化范圍為25～29℃、送風溫度變化范圍為15～19℃及以換氣次數表達的新風量等于4.2 h－1時，輻射吊頂供暖與混合通風房間室內垂直溫差較小（不超過1℃）、空氣紊流強度較大及新風系統的通風效率大約為1.0，而輻射吊頂供暖與置換通風房間室內垂直溫差較大（最大能達到4℃），空氣紊流強度較小及新風系統的通風效率為1.1左右。

輻射吊頂；混合通風；置換通風；室內熱環境；通風效率

隨著國民經濟及中國城市化的不斷發展，能源的需求量不斷增加，相應的環境問題也日趨嚴重，節能減排已成為保證我國經濟與社會健康、平穩發展的重大問題。當前我國建筑能耗占社會總能耗四分之一以上，其中建筑能耗50% ～60%為暖通空調能耗［1］。因此，面對節能減排的重大挑戰，高效節能的空調新技術已成為暖通空調行業發展的主要方向之一。

近年來，清華大學的江億院士等［2］基于熱濕解耦處理方法提出了溫濕度獨立控制空調新技術。有別于常規對流空調系統的熱濕耦合處理方法，溫濕度獨立控制空調系統采用溫度控制系統及濕度控制系統分別調節控制室內溫度及濕度。由于除濕的任務由獨立的濕度控制系統承擔，因而溫度控制系統的冷水供水溫度可以提高到16～18℃，可以顯著提高能源利用效率，降低空調系統能耗［2］。為了滿足現代綠色建筑的要求，目前常見的溫濕度獨立控制空調系統由適合大流量小溫差的輻射吊頂供冷系統及獨立新風系統構成，國內稱為輻射空調系統［3－6］。

D.L.Loveday等［7］和S.G.Hodder等［8］的研究表明，當送風溫度為19℃，送風量變化范圍為3.0 ～3.9 h－1及吊頂表面溫度變化范圍為12～22℃時，PMV（predicted mean vote）指標［9］仍然適用于評價輻射吊頂供冷與置換通風房間室內熱環境。S.Schia?von等［10］對輻射吊頂供冷與置換通風房間室內溫度分布進行了實驗研究，發現房間下層空氣垂直溫度呈線性分布，而房間上層空氣受到冷卻頂板產生的下降冷氣流作用溫度梯度較小。路詩奎等［11］利用CFD軟件對輻射吊頂供冷與置換通風室內溫度分布進行了數值模擬，并與實驗結果進行了對比，結果表明在夏季運行工況下，輻射空調系統可以提供優于常規對流空調系統的熱環境。

雖然國內外許多學者對輻射空調房間供冷期室內熱環境及通風效率進行大量的研究，但對輻射空調在供暖期相關性能研究較少。本文的研究對象為供暖工況下，輻射吊頂系統分別與混合通風系統和置換通風系統復合時的辦公房間，研究了輻射吊頂供暖與供新風房間室內熱環境參數分布及新風系統的通風效率，為輻射空調技術的應用提供理論支撐。

1 室內熱環境與通風效率的實驗方法

1.1 測試房間及測試系統

測試房間長×寬×高為12 m×6 m×2.7 m，如圖1所示［12］。測試系統包括輻射吊頂供暖與混合通風復合系統，輻射吊頂供暖與置換通風復合系統，如圖2所示。

圖1測試房間及測點布置圖Fig.1 Diagram of test room and measurement point

圖2測試系統原理圖Fig.2 Diagram of test systems

通風系統送風溫度和流量設為常數，調節吊頂表面溫度，控制室內空氣溫度保持為22℃（具體為房間中心離地1.1 m處的空氣溫度），如表1所示。

表1測試工況及邊界條件Tab.1 Test cases and boundary conditions

實驗中通過調節通風系統冷熱盤管可以精確控制送風溫度，根據實驗要求，相同工況下混合通風和置換通風的送風溫度相同。同樣，通過調節風機頻率可以精確控制通風系統送風量，根據實驗要求，相同工況下混合通風和置換通風的送風量相同。但由于混合通風與置換通風的風口有效面積不同，分別為0.046 m2和 0.14 m2，因此對應的風速分別為4.8 m／s和1.6 m／s。

為了節能，新風系統一般帶有熱回收。為了避免結霜，新風系統的進風溫度不能低于－10℃，否則需要對新風進行預熱，而預熱后的空氣溫度不應高于5℃。目前顯熱回收裝置的能效可達80%，因此新風系統的送風溫度變化為15～19℃。吊頂表面溫度按照標準ISO 7730［13］不能高于29℃，因此吊頂表面溫度變化范圍為25～29℃。

1.2 測試參數及計算公式

1）室內熱環境

采用球形探頭測試室內空氣溫度及室內空氣速度，標定后測量誤差分別為±0.1℃和 ±（0.02＋0.02v）m／s，其中v為空氣速度讀值。室內空氣溫度及室內空氣速度垂直測點布置是依據室內熱環境測試標準ISO 7726［14］，主要位于人員的活動區域：0.1 m、0.6 m、1.1 m及1.7 m。由于測試房間是對稱的，室內熱環境參數水平測點布置主要集中在房間的半邊（測點P1～P4），如圖1所示。

室內垂直空氣溫差及距離地面1.1 m處空氣紊流強度計算公式如式（1）及式（2）所示［13］。

式中：ta1．1為距離地面1.1 m處的空氣溫度，℃；ta0．1是距離地面0.1 m處的空氣溫度，℃。

式中：Tu為空氣紊流強度；SDv為距離地面1.1 m處空氣速度標準偏差，m／s；為距離地面1.1 m處平均空氣速度，m／s。

2）通風效率

在室內熱環境參數記錄完畢后，系統運行參數不變，利用Innova系統釋放和采集示蹤氣體，進行新風系統的通風效率測試。采用R134a作為污染物，測點C1～C4位于辦公人員頭部附近并距離地面1.1 m，如圖1所示。

依據標準 ASHRAE 129［15］采用衰變法（decay method）進行通風效率測試，包括室內人員活動區內污染物瞬時體積分數和回風口處污染物瞬時體積分數測試，計算如式（3）～式（5）所示［15］。

式中：τn為時間常數，s；p為局部平均空氣年齡，s；cp（t）為室內活動區內污染物瞬時體積分數（10－6）；ce（t）為回風口處污染物瞬時體積分數（10－6）。

2 室內熱環境及通風效率測試結果與分析

2.1 室內熱環境測試結果與分析

1）室內空氣溫度分布的測試結果與分析

輻射吊頂系統分別與混合通風系統及置換通風系統復合時，房間室內空氣溫度如圖3～圖5所示。

圖3 工況Ⅰ時房間室內空氣溫度分布Fig.3 Vertical distribution of air temperature for caseⅠ

圖4 工況Ⅱ時房間室內空氣溫度分布Fig.4 Vertical distribution of air temperature for caseⅡ

由圖3～圖5可知，送風溫度和輻射吊頂表面溫度在相應的溫度范圍變化時，輻射吊頂供暖與混合通風房間活動區內室內空氣溫度分布較均勻，輻射吊頂供暖與置換通風房間活動區內室內空氣溫度分布較不均勻，如表2所示。

輻射吊頂系統分別與混合通風系統及置換通風系統復合時，房間室內垂直溫差計算結果如表2所示。

由表2可知，送風溫度和輻射吊頂表面溫度在相應的溫度范圍變化時，輻射吊頂供暖與混合通風房間的室內垂直溫差較小，不超過1℃；而輻射吊頂供暖與置換通風房間的室內垂直溫差較大，最大可達4℃，大于熱舒適標準ISO 7730的限定范圍。這主要是由于混合通風房間室內空氣混合比較充分，而置換通風房間室內空氣混合較少，室內有明顯的垂直熱分層現象。此外，外圍護結構冷壁面產生的下沉冷氣流對室內空氣流動也有一定影響。

圖5 工況Ⅲ時房間室內空氣溫度分布Fig.5 Vertical distribution of air temperature for caseⅢ

表2 室內垂直溫差計算結果（單位：℃）Tab.2 Calculation result of vertical air temperature difference

2）室內空氣速度分布的測試結果與分析

輻射吊頂系統分別與混合通風系統及置換通風系統復合時，房間室內空氣速度分布如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可知，送風溫度和輻射吊頂表面溫度在相應的溫度范圍變化時，輻射吊頂供暖與混合通風房間活動區內室內空氣速度分布較均勻，輻射吊頂供暖與置換通風房間活動區內室內空氣速度分布較不均勻。

輻射吊頂系統分別與混合通風系統及置換通風系統復合時，房間室內空氣紊流強度計算結果如表3所示。

圖6 工況Ⅰ時房間室內空氣速度分布Fig.6 Vertical distribution of air velocity for caseⅠ

由表3可知，送風溫度和輻射吊頂表面溫度在相應的溫度范圍變化時，輻射吊頂供暖與混合通風房間的室內空氣紊流強度較大，而輻射吊頂供暖與置換通風房間的室內空氣紊流強度較小，與H.Hanzawa等［16］的研究結果一致。這主要是因為混合通風系統直接向工作區輸送冷空氣，射流作用導致人體坐著脖子附近的空氣速度波動較大。而對于置換通風系統，空氣流動主要由熱浮力控制，導致人體坐著脖子附近的空氣速度波動較小。

2.2 通風效率測試結果與分析

輻射吊頂系統分別與混合通風系統及置換通風系統復合時房間室內污染物濃度變化如圖9～圖11所示。

圖7 工況Ⅱ時房間室內空氣速度分布Fig.7 Vertical distribution of air velocity for caseⅡ

圖8 工況Ⅲ時房間室內空氣速度分布Fig.8 Vertical distribution of air velocity for caseⅢ

表3 室內空氣紊流強度Tu計算結果（單位：%）Tab.3 Calculation result of turbulence intensity

由圖9～圖11可知，送風溫度和輻射吊頂表面溫度在相應的溫度范圍變化時，輻射吊頂供暖與混合通風房間和輻射吊頂供暖與置換通風房間活動區內室內污染物濃度變化基本一致。將室內活動區內污染物瞬時濃度和回風口污染物瞬時濃度代入式（4）～式（6）中，計算可得輻射吊頂系統分別與混合通風系統和置換通風系統復合的通風效率，如表4所示。

表4 室內新風系統通風效率計算結果Tab.4 Calculation result of ventilation effectiveness

圖9 工況Ⅰ時房間室內污染物體積分數變化Fig.9 Indoor contaminant distribution for caseⅠ

圖10 工況Ⅱ時房間室內污染物體積分數變化Fig.10 Indoor contaminant distribution for caseⅡ

圖11 工況Ⅲ時房間室內污染物體積分數變化Fig.11 Indoor contaminant distribution for caseⅢ

由表4可知，送風溫度和輻射吊頂表面溫度在相應的溫度范圍變化時，輻射吊頂供暖與混合通風房間的通風效率約為1.0，與ASHRAE 62.1標準［17］中規定的推薦值（1.0）相等；而輻射吊頂供暖與置換通風房間的通風效率為1.1左右，略低于ASHRAE標準中規定的推薦值（1.2），并當送風溫度為19℃及輻射吊頂表面溫度為27℃時通風效率達到最大。

3 結論

本文以供暖工況下輻射吊頂系統分別與混合通風系統和置換通風系統復合時辦公房間為研究對象，通過測試研究輻射吊頂供暖與供新風房間室內熱環境參數分布及新風系統的通風效率，當輻射吊頂表面溫度變化范圍為25～29℃、送風溫度變化范圍為15 ～19℃及以換氣次數表達的新風量為4.2 h－1時，得到以下結論：

1）對于輻射吊頂供暖與混合通風房間，送風溫度和吊頂表面溫度的變化對室內熱環境及新風系統的通風效率的影響較小。

2）對于輻射吊頂供暖與置換通風房間，送風溫度和吊頂表面溫度的變化對室內熱環境及新風系統通風效率影響較大。當送風溫度為19℃及輻射吊頂表面溫度為27℃時，室內熱環境可接受及新風系統通風效率達到最大。

本文受陜西省自然科學基礎研究計劃（2016JQ5081）和西安市科技計劃項目（CXY1514（3））資助。（The project was supported by Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province of China（No.2016JQ5081）and Xi′an Science and Technology Research Plan（No.CXY1514（3）.）

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Experimental Study of Indoor Thermal Environment and Ventilation Effectiveness in a Room with Ceiling Heating and Mechanical Ventilation

Wu Xiaozhou Sun Xuefeng2Wang Fenghao1

（1.School of Human Settlement and Civil Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an，710049，China；2.Shang?hai Yuangou Design Consulting Co.，Ltd.，Shenyang，110000，China）

Experimental studies of indoor thermal environment and ventilation effectiveness were performed in a room with low temperature radiant ceiling heating system combined with mixing ventilation system and displacement ventilation system.The results show that when ra?diant ceiling surface temperature ranges from 25 to 29℃，supply air temperature ranges from 15 to 19℃ and supply air flow rate equals 4.2 h－1，the distribution of indoor thermal environmental parameters are relatively uniform，the indoor vertical air temperature differences are less than 1℃ and ventilation effectiveness is approximately 1.0 when low temperature radiant ceiling heating system is integrated with mixing ventilation system.The distribution of indoor thermal environmental parameters are relatively non?uniform，and the indoor vertical air temperature differences are large and up to 4℃ and ventilation effectiveness is approximately 1.1 when low temperature radiant ceiling heating system is integrated with displacement ventilation system.

radiant ceiling；mixing ventilation；displacement ventilation；indoor thermal environment；ventilation effectiveness

TU832.1＋6；TU834.3

A

0253－4339（2017）01－0040－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.040

國家自然科學基金（51408482）資助項目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 51408482）.）

2016年4月14日

吳小舟，男，副教授，西安交通大學人居環境與建筑工程學院，18991848252，E?mail：fonen519＠mail.xjtu.edu.cn。研究方向：輻射空調基礎理論及應用。

About the corresponding author

Wu Xiaozhou，male，associate professor，School of Human Settle?ment and Civil Engineering，Xi′an Jiaotong Univeristy， ＋86 18991848252，E?mail：fonen519＠mail.xjtu.edu.cn.Research fields：radiant heating and cooling technology.