頂板和地板輻射供冷方式下的室內熱舒適研究

楊冬，張艷，聶怡丹

（1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.可再生能源建筑利用技術省部共建教育部重點實驗室，山東濟南250101）

頂板和地板輻射供冷方式下的室內熱舒適研究

楊冬1，2，張艷1，聶怡丹1

（1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.可再生能源建筑利用技術省部共建教育部重點實驗室，山東濟南250101）

對頂板和地板輻射供冷的室內熱舒適進行研究可為優化供冷系統，提出能夠滿足人體熱舒適的、較為合理的輻射供冷方式提供一定的理論依據。文章闡述了頂板和地板輻射供冷兩種輻射供冷模式及其輻射供冷機理，分析了室內熱舒適影響因素。以濟南市某個應用輻射供冷空調技術的實驗房間為研究對象，采用Airpak構建仿真房間模型，進行數值模擬，從室內垂直溫差、PMV—PPD指標及吹風感三方面對比分析了頂板輻射和地板輻射兩種供冷方式對室內熱舒適的作用效果。結果表明：頂板輻射供冷沿房間高度方向垂直溫差小于3℃，而地板輻射供冷垂直溫差過大，不能滿足局部熱舒適要求；頂板輻射供冷的PMV值基本處于－0.5～＋0.5的范圍，人體離最佳熱舒適狀態最近，而地板輻射供冷只能保證在人體周圍取值時能夠得到比較滿意的PMV值；兩種供冷模式對于吹風感的不滿意率PD均小于15%，都能滿足人體對于吹風感熱舒適的要求。

頂板輻射供冷；地板輻射供冷；室內熱舒適

0 引言

隨著空調產業的不斷發展，人們對于建筑室內環境的舒適度要求也逐漸增高。近年來，輻射供冷方式作為一種新型的空氣調節模式，克服了傳統的以對流換熱為主要方式的空調的缺點，增大了人體與圍護結構之間以及圍護結構與圍護結構之間的輻射換熱［1］，與傳統送冷風空調方式相比，以其高效節能、安靜舒適等優點得到了越來越多的關注。輻射供冷系統是指通過安裝在豎直墻壁、地板、天花板的盤管中水的循環冷卻作用來調節室內溫度，以保證室溫處于人體舒適范圍的一種空調方式［2］。Miriel等對頂板輻射供冷（暖）系統的熱舒適和能耗水平進行了數值計算及實驗測試對比研究［3］。Rhee等總結了輻射空調系統50年來的基礎理論及應用現狀，提出輻射空調系統在提高舒適性及降低能耗上都得到了不斷地改善［4］。Mumma等提出了輻射空調系統與獨立新風系統結合的復合空調系統的設計計算方法［5］。Seo等利用數值仿真分析研究了在首爾炎熱和潮濕環境中，將地板輻射供冷與室外空氣冷卻耦合進行除濕通風的可能性，并用實驗進行了結果驗證［6］。Diaz等對吊頂毛細管網輻射供冷系統進行實驗及模型分析，分析了影響輻射供冷效果的幾種因素包括室內熱源位置、圍護結構及物體的表面溫度等［7］。王婷婷利用Airpak軟件，通過建立毛細管平面空調房間的數值仿真模型，對不同毛細管敷設位置、敷設形式下的室內舒適性及毛細管空調性能等進行了模擬研究［8］。陳鵬建立毛細管微環境的傳熱物理模型，獲得不同頂板溫度、送風方式及送風溫度下，供冷房間內的溫度場、速度場的分布情況［9］。李永安等對毛細管網的敷設方式進行了優化［10］。

目前大多數都對單一的供冷方式進行相關影響參數的研究。研究和應用相對成熟的系統有頂板輻射供冷、地板輻射供冷及墻體輻射供冷。但是對于不同輻射供冷方式下室內熱環境的對比研究相對較少。因此，文章根據實驗室的實際敷設情況，闡述了地板輻射供冷和頂板輻射供冷兩種方式及其供冷機理，以濟南市某個應用輻射供冷空調技術的實驗房間為研究對象，采用Airpak構建仿真房間模型，對比分析頂板輻射和地板輻射兩種供冷方式對室內熱舒適的作用效果，為提出能夠滿足人體熱舒適的、較為合理的輻射供冷方式提供一定的理論支持。

1 頂板和地板輻射供冷機理

1.1 輻射供冷簡介

輻射供冷是一種新型的對室內進行降溫的技術方法，以被降低溫度的室內某個表面作為冷輻射面，與室內其他表面進行輻射換熱。輻射換熱的能量比例在輻射空調系統中占50%以上，所以，夏季室內采用輻射供冷方式時，室內設計溫度與傳統空調系統相比高出約1～2℃［11］。幾種輻射面敷設位置如圖1所示。

圖1 輻射面敷設位置圖

輻射供冷系統的優點：

（1）節能性 與傳統空調系統能源消耗水平相比，可降低約28%～40%［12］；

（2）舒適性 一般情況下，人體處于舒適狀態時散熱比例如下：對流換熱為30%、輻射熱交換為45%、通過蒸發換熱為25%［12］。可以看出輻射換熱所占份額較大，因此，夏季采用輻射供冷方式時，能顯著提高人體的輻射換熱量，增加舒適性；

（3）降低供電系統負擔 輻射供冷系統在高溫季節的耗電量比較低，約為全空氣空調系統27%左右，能明顯降低供電系統的負擔，有效調節用電峰值［12］；

（4）節省建筑空間 與全空氣空調系統相比，輻射供冷因為系統形式簡單、布置方式靈活等特點，能夠減小風道尺寸，節省空間。

1.2 頂板輻射供冷機理

輻射供冷頂板系統主要包括末端裝置、冷源裝置以及通風裝置。在吊頂輻射供冷系統中，通過向末端頂板提供冷凍水降低頂板溫度，使其形成冷輻射面，承擔室內顯熱冷負荷，而通風系統則負擔室內的部分顯熱冷負荷及潛熱冷負荷。頂板表面通過輻射和對流兩種方式與室內空氣進行換熱。冷卻頂板、墻體、人體以及室內物體的表面溫度、形狀、位置等因素會對輻射換熱量產生顯著的影響。對流換熱量則由冷卻頂板附近空氣對流作用的強弱來決定。輻射供冷頂板工藝流程和冷量傳遞方式如圖2所示。

圖2 頂板輻射供冷機理圖

1.3 地板輻射供冷機理

地板輻射供冷主要采用輻射換熱，通過向盤管中通入冷水來降低地板表面溫度，形成冷輻射面，然后與室內其他表面通過輻射方式進行換熱，降低圍護結構及室內物體表面溫度，同時與室內空氣通過對流方式進行換熱，降低房間內的空氣溫度。房間高度方向上溫度梯度較小，溫度分布均勻性很好，能有效降低冷損失。另外，地板供冷可與深井水、地熱等冷源結合使用，可節約能源。

實驗室的地板輻射空調系統采用了干式地板。根據地板輻射供冷應用和研究的現狀，對實驗室的干式地板輻射采暖系統夏季通冷水，來達到夏季供冷要求，供水溫度的控制一方面依據人體的熱舒適，另一方面配合置換通風，保證地板表面不出現結露現象。地板輻射供冷為目前冬季供暖、夏季供冷的居住建筑提供了又一種末端系統形式［13］，用同一套地板系統供冷熱，有利于系統形式和布置方式的進一步優化。干式薄型地暖現場施工及干式薄型地暖模塊板分別如圖3所示。

圖3 干式地暖施工圖

2 室內熱舒適影響因素

現階段熱舒適在常規空調環境下的研究成果已經形成較為成熟的評價體系，對于室內熱舒適環境已經有較明確的數值界定。ISO 7730—2005［14］和ASHRAE 55—2004［15］是國際上通用的預測和評價室內環境熱舒適度的標準。影響熱舒適的因素主要有6個，其中環境因素有空氣溫度、平均輻射溫度、濕度和風速等4個；人體的因素有代謝率和服裝熱阻等2個。造成局部熱不舒適的因素主要有垂直溫差、吹風感、地板溫度、輻射不對稱度等。

（1）PMV和PPD指標

國際標準ISO 7730標準采用PMV—PPD（Predicted Mean Vote-Predicted Percentage Dissatisfied）指標來評價人體對環境的舒適感，在此標準中將人體活動量、衣著、空氣溫濕度、平均輻射溫度、空氣流速等因素考慮在內。

PMV指標反映了處于同一環境中的絕大多數人的熱舒適感覺，能夠預測不同熱環境下人體不同的熱反應。而PPD指標則反映了大多數人對熱環境的不滿意率。根據GB／T 18049—2000中等熱環境PMV和PPD指數的測定及熱舒適條件的規定［16］，采用PMV和PPD評價空氣調節室內的熱舒適性，熱舒適等級劃分為A級和B級。PMV指標的分布見表1，不同舒適度等級對應的PMV、PPD值見表2。

表1 PMV指標分布

表2 不同舒適度等級對應的PMV、PPD值

（2）垂直溫差

國際標準中給出了頭部和腳踝處允許的最大溫差值。ASHRAE 55—2004中規定溫差＜3℃；ISO 7730—2005中按建筑分類（A、B、C類）給出了不同的要求：A類＜2℃，B類＜3℃，C類＜4℃。

ISO 7730標準規定：人員采取坐姿時，人員活動區處于地面上方0.1和1.1 m之間的溫差應保證不大于3℃，而美國ASHRAE 55—92標準考慮人員站著工作的情況，從可靠性角度建議，1.8和0.1 m之間的溫差≤3℃［17］。

（3）DR和PD

DR（Percentage Dissatisfied Due to Local Discomfort from Draft）是指由于吹風感而引起的不滿意百分比，PD（Percentage Dissatisfied Due to Local Discomfort from Other Sources）是指由吹風感之外的其他因素而引起的不滿意百分比，ASHRAE 55—2004中給出的由于不同因素引起的DR和PD的限定范圍見表3。

表3 DR和PD的限定范圍

2 房間仿真模型的建立

2.1 房間幾何模型

以濟南市山東建筑大學科技館供熱鍋爐實驗室房間內一個小室為研究對象，房間尺寸5.9 m× 3.4 m×3.0 m（長×寬×高），實驗房間由2面混凝土墻及2面隔墻板組成，各墻體均為內維護結構，隔墻板上均安有900 mm×900 mm單層玻璃窗。根據房間建筑尺寸并結合空調區域中風口的布置情況等因素，構建房間三維仿真模型，房間的長度、寬度和高度分別為5.9、3.4和3.0 m。以房間南面、高度、西面分別作為坐標的x、y、z方向，將坐標的原點設置在房間的西北角。房間幾何模型如圖4所示。

圖4 房間幾何模型示意圖

2.2 數值邊界條件

根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》［18］，以濟南市氣候參數為負荷計算依據，室內設計溫度為26℃，相對濕度為60%。對于文中研究的實驗房間，新風量按照滿足人員要求的最小新風量確定，G＝30 m3·h－1。假設人體在房間中處于站姿，不考慮室內其他熱源影響，假設輻射頂板與地板面積相等。濟南市夏季空氣調節室外設計計算參數見表4［18］。

表4 濟南市空調室外設計計算參數

房間內的熱源主要為人體、日光燈、設備以及圍護結構，輻射頂板承擔部分室內負荷，其余負荷和全部濕負荷由新風系統承擔。室內負荷計算結果有：室內總冷負荷為1029.54 W，室內濕負荷為0.35 kg／h。設定輻射板承擔全部室內負荷的44.5%，新風承擔55.5%，則新風負荷為458.15W，室內負荷為571.39 W。由此，數值模擬邊界條件見表5。

表5 數值模擬邊界條件

2.3 物理模型

通常情況下，將室內空氣看作理想氣體，室內空氣壓力看作常數。室內空氣流速一般較小，屬于低速，尤其采用輻射供冷時，速度更小，所以將室內空氣看作不可壓縮流體進行分析。采用輻射供冷時，室內空氣溫度的變化很小，密度變化可忽略，流體性質幾乎不變，因此動量守恒方程中的慣性力項、壓力項及粘性力項可忽略。但是室內空氣的粘性不可忽略，須用粘性流體力學的理論來研究。

文章輻射換熱模型采用DO模型，湍流模型采用標準k—ε模型，數值計算使用SIMPLE算法，浮升力影響通過Boussinesq模型來處理，模型的基準溫度T0為0℃，基準密度ρ0為1.2 kg／m3，熱膨脹系數β0為0.001344 1／K。為了加速收斂，各變量設置松弛因子見表6。除能量方程收斂于10－6外，速度方程及其他方程均收斂于10－3。

表6 控制參數

3 兩種供冷方式的室內熱舒適對比分析

3.1 垂直溫差對比分析

頂板輻射供冷可以加強人體的輻射散熱量，降低人體對流與蒸發部分的散熱量，有效地減少人體吹風感，且室內溫度分布均勻，可有效降低垂直溫差，增加人體的舒適性。與頂板輻射供冷相比，地板輻射供冷時冷表面在下面，也是通過對流和輻射作用與房間進行熱量交換，但對流換熱量相對較小。頂板輻射供冷及地板輻射供冷時房間中心點沿垂直方向的溫度分布如圖5所示。

圖5 房間中心點沿垂直方向的溫度分布圖

由圖5可以看出，約在垂直高度1.7 m以下，兩種輻射供冷方式室內空氣溫度都存在明顯的上升趨勢，并且垂直溫差較大；1.7 m高度以上，垂直溫度梯度較小，所以室內在1.7 m高度左右形成熱力分層。

根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》［18］，舒適性空調夏季風速取值小于等于0.25 m／s。因此對于風速范圍內的頂板、地板輻射供冷分別結合置換通風兩種供冷模式下的垂直溫差進行取值比較。設工作區距離地面0.1 m處溫度為t1，距離地面1.1 m處溫度為t2，則工作區的垂直溫差為t1－2。數值模擬計算的兩種供冷方式下的垂直溫差見表7。

表7 兩種供冷方式下的垂直溫差／℃

按照標準ISO 7730—2005規定，在工作區地面之上0.1 m和1.1 m之間的溫差不應該大于3℃［14］。結合圖5和表7可以看出，采用地板輻射供冷時垂直溫差過大，會使人產生“頭暖足寒”的感覺，難以很好的滿足舒適度的要求；而采用頂板輻射供冷時，工作區垂直溫差小于3℃，沿高度方向溫度略有上升，滿足人體舒適度的要求。

3.2 PMV和PPD指標對比分析

比較了應用頂板輻射供冷和地板輻射供冷后，房間PMV、PPD的分布情況，房間中線垂直方向上的PMV、PPD的分布如圖6所示。

圖6 房間中線垂直方向上的PMV、PPD分布圖

從圖6可以看出，應用頂板輻射供冷時，在人員活動區域，PMV平均值在0.83左右，最小值為0.4，PMV值均小于1，PPD平均值大約為20%，人員對于房間熱舒適的滿意度比較高，因此，頂板輻射供冷可以較好地滿足人體對室內熱舒適的要求。而應用地板輻射供冷時，在人員工作區地面至0.25 m左右，PMV的值大于1，PPD值大于30%，這是由于冷輻射板向人體輻射冷量，對流換熱差，導致人體腳踝處溫度偏低。隨著房間高度增加，PMV值平均為0.9左右，PPD值平均為25%左右，基本滿足人體對舒適度的要求。

基于以上數值結果，同時考慮了Fanger提出的基于人體熱平衡的熱舒適方程，由式（1）表示為

PMV＝（0.303exp（－0.036M）＋0.0275）Q（1）式中：M為人體新陳代謝率；Q為熱舒適系統的能量傳輸率。

由于人與人之間存在生理上的區別，所以Fanger提出了PPD指標來預測大多數人對熱環境的不滿意率，同時利用概率分析法提出了PMV和PPD之間的定量關系，由式（2）表示為

PPD＝100－95exp［－（0.03353PMV4

＋0.2179PMV2）］ （2）假設室內溫度為室內距離地面1.1 m處人體周圍的平均溫度，人員在室內逗留時間大于3 h，由室內設計參數及經驗公式可知，頂板和地板兩種輻射供冷模式下的PMV和PPD計算值見表8。

表8 兩種輻射供冷模式下的PMV-PPD值

從表8及圖6中可以看出，采用輻射頂板供冷時的PMV和PPD的值比較接近ISO 7730—2005中對于PMV—PPD的指標推薦值－0.5～＋0.5的范圍，人體離最佳熱舒適狀態最近；采用地板輻射供冷時，只有在人體膝部以上范圍取值時能夠得到比較滿意的舒適狀態，若不采取合適的通風措施，會造成“腳冷頭熱”的感覺，不符合人體健康要求，尤其對于老年人群體會有不舒適感。如果地板溫度過低還可能導致結露現象。因此，采用地板輻射供冷時，基本滿足人體對于熱舒適的要求，但不能滿足人體局部熱舒適的需求。

3.3 吹風感指標對比分析

為了評價室內熱環境是否滿足室內熱舒適，吹風感是常用的評價指標，由此提出了吹風感的預測模型，來預測一定環境條件下，因吹風感引起的人體不滿意百分比。其中，被國際標準廣泛采用的是Fanger模型。在實驗中，將測試者裸露于空氣溫度分別為20、23和26℃，空氣流速逐步增加，紊流程度分別為高、中、低三種的氣流中，根據測試者的主觀回應，分析得出PD模型。該模型由動態部分（反應人體整體熱損失）和靜態部分（反應氣流紊流強度對吹風感的影響）組成，由式（3）表示為

PD＝PDstatic＋PDdynamic＝3.143（34－ta）（v－0.05）0.6223

＋0.3696vTu（34－ta）（v－0.05）0.6223（3）式中：v是人員附近平均空氣速度，m／s；ta是人員附近平均空氣溫度，℃；Tu是空氣紊流強度，設為40%。

根據數據計算結果，取人員工作區距離地面1.1 m處的平均值，可以得出在送風速度較小的情況下，頂板輻射供冷和地板輻射供冷對于吹風感的不滿意率PD均小于15%，相差不大，說明在相同的供冷參數下，兩種方式均能滿足人體熱舒適的要求。

4 結論

根據上述研究表明：

（1）采用地板輻射供冷時垂直溫差大于3℃，會引起人體腳冷頭熱的感覺，而采用頂板輻射供冷時，沿房間垂直方向，溫差較小，不超過3℃，所以從垂直溫差來看，頂板輻射供冷比地板輻射供冷熱舒適性好。

（2）采用頂板輻射供冷時人體活動區域PMV值和PPD值均在標準指定的舒適范圍－0.5～＋0.5內，人體離最佳熱舒適狀態最近；而采用地板輻射供冷時，在近地板處，PMV值和PPD值超出標準范圍，無法滿足人體局部熱舒適的需求，只有在人體周圍取值時能夠得到比較滿意的舒適狀態。

（3）在相同的供冷參數下，頂板輻射供冷和地板輻射供冷兩種方式對于吹風感的不滿意率PD取值相差不大，取值均小于15%，且都在合理范圍之內，兩者均能夠滿足人體對于吹風感熱舒適的要求。

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Study on the indoor thermal com fort under the condition of the ceiling and floor radiant cooling

Yang Dong1，2，Zhang Yan1，Nie Yidan1

（1.School of Thermal Energy Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Buildings of the National Education Ministry，Jinan 250101，China）

Study of indoor thermal com fort under the condition of the ceiling and floor can provide the oretical basis for opitirnizing the cooling system and meeting the human body thermal comfort.This paper expounds the two types of radiation cooling mode for ceiling radiant cooling and floor radiant cooling，and their radiant cooling mechanism，analyzes the factors affecting the indoor thermal comfort.Taking experiment room applied of radiant cooling air conditioning technology as the research object，this paper builds simulation model of the room using Airpak，makes numerical simulation and contrastively analysis of the effect on the indoor thermal comfort for the two types of radiation cooling mode for ceiling radiant cooling and floor radiant cooling in three aspects of indoor vertical temperature difference，PMV-PPD index and draft sensation.The results show that along the height direction of the room，the vertical temperature difference of roof radiant cooling is less than 3℃.But that of roof radiant cooling is toomuch，local thermal comfort requirements can't bemet well；PMV value of the ceiling radiant cooling is fundamentally in－0.5～＋0.5，the human body is closest to the best state of thermal comfort.But the floor radiant cooling only guarantees satisfactory PMV value around human body.When considering draft sensate，disapproval rating PD of two cooling patterns are less than 15%，which can meet the requirements of the human body for the thermal comfort of the hairdryer.

ceiling radiant cooling；floor radiant cooling；indoor thermal comfort

TU831.8

：A

1673－7644（2017）02－0125－07

2017－02－17

山東省自然科學基金資助項目（ZR2016EEM10）；山東省住房和城鄉建設廳科技計劃項目（K12016071）

楊冬（1973－），男，副教授，博士，主要從事室內空氣品質控制等方面的研究.E-mail：ydc1178＠sdjzu.edu.cn