大空間建筑地板輻射供冷系統數值模擬

侯博　屈長杰　狄浩

摘要：建立大空間建筑地板輻射供冷系統模型，對大空間建筑地板供冷房間熱過程及負荷計算進行研究，并與傳統對流式空調系統進行能耗比較。模擬結果表明：輻射供冷系統比傳統對流式空調系統節約一次能源29.15%，節能優勢明顯。采用地板輻射供冷，可降低圍護結構內表面溫度，從而加大了人體的輻射散熱量，同時地板輻射供冷沒有冷氣流的感覺，也沒有噪聲，避免了傳統空調因吹風而引起的不適。綜上所述，地板輻射供冷提供了一種節能、舒適、經濟、健康的降溫方式。

關鍵詞：地板輻射供冷；數值模擬；

0前言

隨著我國城市化進程的不斷發展，我國交通樞紐的建筑規模呈加速上升的趨勢。我國未來將有約1億平方米的機場、車站、大型會展及體育場館等高大空間類建筑。機場、車站的建筑圍護結構以大面積透光玻璃幕墻為主，通常為高大空間，進深大，旅客等候區域的層高多為10米以上，甚至超過20米，旅客客流量大且人員密度變化大。這些特點造成了機場、車站室內熱環境的特殊性，比如地板表面太陽輻射強度高、圍護結構壁面溫度高、僅近地面人員活動區域需要空調控制等。這類建筑通常采用全空氣射流噴口送風空調系統，全面控制4-6米高度內的室內熱濕環境。這種傳統空調系統存在冬季“熱風下不來”的問題，熱舒適性差；以空氣作為介質輸送冷、熱量，系統輸配能耗高；要求的冷水溫度低，限制冷源利用效率；風管占用空間大，甚至需要設置管道夾層，增加土建部分投資。空調系統的能耗越來越高，已占到了整個建筑物能耗的60%-70%，因此，設計優化節能的大空間建筑、配置優化匹配的空調系統以及對空調系統的運行進行優化控制對降低整個大空間建筑物的能耗，乃至降低整個城市和國家的能耗有著十分重要的意義，而優化合理的空調系統的重要基礎之一便是大空間建筑空調負荷的準確計算。

能源資源的短缺制約著我國今后社會和經濟的持續發展。人類為了追求短期內的高速發展消耗了大量的資源，同時破壞了生態環境。因此，可以提倡全社會節能減排，以緩解目前的能源危機和環境危機，節能減排一方面可以緩解能源緊缺嚴峻的形勢，另一方面可以保護日益被破壞的生態環境。據資料統計，建筑能耗占社會總能耗的比例超過三分之一。在發達國家，這一比例已經高達40%，成為能源消耗大戶。因此減少建筑能耗意義重大。近年來，輻射供冷以其降低空調負荷、減少輸送能耗、提高制冷供熱效率、節能以及舒適性高的突出優勢，在種類繁多的空調末端設備當中脫穎而出，成為大空間建筑首先考慮的空調系統形式之一。

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數學模型及其求解

1.1模型的建立

模型長、寬、高為：377m*125m*16 m，整個建筑模型構成一個熱工區域。建筑面積4.7萬m²。輻射系統是在地板中，通過循環環路將高溫冷熱水通入水管，以降低/升高圍護結構溫度，達到調節室內溫度的空調系統。它的數學模型包括輻射系統的控制模型和傳熱模型。

1.2計算的設置

采用energyplus軟件分別對地板輻射供冷系統和傳統對流式空調系統進行數值模擬。室外氣象參數采用西安地區（寒冷B區），夏季空調室外計算干球溫度為35.1℃，夏季空調室外計算濕球溫度為25.8℃；冬季空調室外計算溫度為-5.6℃。夏季供冷約4個月（5月初至9月底）；冬季供暖約4個月（11月10日至次年3月15日）；過渡季約4個月。空調使用時間一般為06：00-24：00。人員密度：10，²/人

燈光：30w/m²設備：10w/m²

2計算結果及對比分析

地板輻射供冷系統全年消耗一次能源約為5231307.63kWh對流式空調系統全年消耗一次能源約為6756259.5kWh結果見下圖。

從圖中可知，地板輻射供冷系統比傳統空調系統節約一次能源29.15%，故采用地板輻射供冷系統較為節能。這是因為夏季輻射管內供水溫度與風機盤管相比，溫度相對高，提高了制冷機組的COP值，能源利用效率有所提升；輻射板通過輻射換熱直接作用于人體表面，在相同室內溫度條件下，換熱/冷能力要強于常規對流換式空調，空氣對流強度的減弱也減少了門窗的開啟和室外空氣滲透負荷；房間大部分負荷都由輻射地板承擔，所需送風量較少，且采用置換通風比傳統的獨立新風節能，通風效率高，風機耗能大幅度減少；作用溫度可以提高1-2℃，水泵的輸送能耗也隨之下降，總體來說節能優勢明顯。

3結語

由上述模擬結果可以發現，地板輻射供冷系統節能優勢較為明顯，對于大空間建筑，地板輻射系統結合置換通風消耗的能量較低，并提供了更高程度的舒適性。采用輻射供冷，降低了圍護結構內表面的溫度，加大了人體輻射散熱量，提高舒適性；冬夏季共用一套室內系統，大大減少了初投資；也更有利于地板供暖系統的推廣應用。