住宅天棚輻射空調系統工程的應用研究

周靜娜，謝立輝，劉圣武，周文武，廟詩祥

（1.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230032；2.中建三局第二建設工程有限責任公司，安徽 合肥 230071）

0 前言

隨著科學技術的快速發展和人民生活水平的不斷提高，人們對生活環境有了越來越高的要求，因此集中空調系統在住宅中的應用也越來越廣泛[1]。為了進一步提升室內空氣質量，天棚輻射、置換通風等技術也逐漸被應用于高端住宅中，大大增強了建筑環境的安全性、健康性和舒適性[2]。

本文以合肥市“當代花園”住宅小區項目為研究對象，利用PHOENICS軟件，針對天棚輻射、置換通風等技術在住宅中的實際應用效果進行分析，得出室內溫度、風速的分布情況，進一步了解天棚輻射和置換通風技術相結合應用于住宅項目的特點，有助于為今后工程設計提供參考依據，起到一定的指導作用[3]。

1 空調系統設計

合肥市“當代花園”住宅小區項目采用天棚輻射采暖及制冷，夏季輻射制冷水溫為18℃～21℃，冬季輻射供暖水溫為31℃～28℃。新風由熱回收空調機組供給。室內采用地板送風，起居室、客廳和臥室通過墊層內風管獲得較為新鮮的空氣，回風口位于廚房和衛生間內，具體位置如圖1和圖2所示，送回風口形式如圖3和圖4所示。

圖1 1#住宅標準層通風平面圖

圖2 1#住宅標準層天棚管平面圖

圖3 地板送風口

圖4 回風口

2 模型建立

2.1 物理模型

本文利用PHOENICS軟件對合肥市“當代花園”住宅小區項目1#住宅的標準層進行模擬計算。由于標準層兩個戶型布局基本一致，故選取西側的戶型為代表進行建模分析。模型依據暖通施工圖進行建模，建筑層高3m，新風口位于地面，尺寸為310mm×160mm，回風口尺寸為φ75mm。

為簡化計算，模型假設條件為：房間為密閉空間，除新風管和天棚管外，不考慮其它內部熱源的影響[4]。建筑模型如圖5所示。

圖5 建筑模型圖

2.2 邊界條件（表1）

為使模擬結果更接近于實際運行情況，模型邊界條件的輸入值均以現場實測值為準。

①建筑圍護結構的邊界條件：考慮到室外氣象條件對建筑室內環境的影響，采用紅外測溫儀對所有外墻、外窗的內表面溫度進行多次多點測量，發現外墻內表面溫度與室內溫度基本一致，而外窗受太陽輻射影響，與室內的溫度差距較大，且不同朝向的外窗溫度也有差距，說明外窗是影響室內環境的主要影響因素，因此模型中也主要考慮外窗的影響，取多次測量的內表面溫度平均值作為邊界條件輸入到軟件中。內圍護結構視為絕熱。

②采用風速儀和溫度計，對送風口的風速、溫度進行測量，將測量結果作為邊界條件輸入到軟件中。

③采用紅外測溫儀對頂棚的內表面溫度進行多次多點測量，取測量的平均值作為邊界條件輸入到軟件中。

3 模擬結果分析

考慮到本項目熱源主要為外窗，因此分析整個戶型的中間區域最為穩定。PHOENICS軟件模擬結果如圖6所示，以客廳餐廳的豎向截面為例，室內溫度場在垂直方向上有一個明顯的分層特性，上部區域溫度高，下部區域溫度低，整個立面上（0.1m～2.9m）垂直溫差有4℃左右，人員活動區（0.1m～1.8m）垂直溫差只有1.5℃左右。依據美國ASHRA55-92[5]標準建議0.1m和1.8m之間的溫差應不大于3℃，說明本項目人員活動區的溫度較為舒適，沒有明顯的“頭熱腳涼”的感覺。

靠近外窗區域的溫度較高，由于地板送風口靠近外窗，因此外窗附近的熱空氣會快速向上移動，減小對室內人員活動區的影響。頂棚溫度較低，會冷卻頂棚附近區域的空氣溫度，從而減輕了置換通風導致的垂直溫差問題，提高室內的人員舒適度。

圖6 溫度場截面圖

由圖7～圖11可知，0.1m～1.1m之間，室內每個房間的溫度變化較小，基本均在24.0℃～25.5℃之間，較為舒適。1.1m～2.0m之間，室內每個房間的溫度出現了較為明顯的差異。南向外窗由于太陽輻射得熱較多，溫度較高，導致南向房間的溫度明顯高于其它朝向的房間，西向次之，北向最低。同時由于客廳有南向陽臺，起到了較好的隔熱作用，所以客廳溫度明顯低于南向臥室的溫度。

圖7 0.1m高度處溫度場

圖8 0.6m高度處溫度場

4 模擬值與實測值的對比分析

邊界參數 表1

為了對模擬結果進行驗證，采用溫度巡檢儀對每個房間的室內溫度進行實測，每個房間測點布置方式為：在水平方向上設1個測點，位于房間正中央；在垂直方向上設5個測點，分別距地面0.1m（腳踝處），0.6m（膝部），1.1m（坐姿時的呼吸區），1.7m（站立時的呼吸區），2.0m（活動區上部）[3]。

圖9 1.1m高度處溫度場

圖10 1.7m高度處溫度場

圖11 2.0m高度處溫度場

圖12 測點布置圖

將測量值與模擬值進行對比，由圖13～圖17可知，主臥、客臥豎向溫差最大，其次是書房，再次是客廳餐廳，儲藏室豎向溫差最小，充分體現了朝向差異。由于本項目主要考慮外窗的傳熱，因此0.1m～1.1m溫度變化較小，1.1m以上溫度升高明顯。同時由于0.1m～1.1m溫度場較為穩定，實測值與模擬值較為接近，而1.1m以上紊流明顯，溫度場不穩定，導致實測值與模擬值的差距變大。但是絕對誤差仍控制在3%以內，說明模擬值和實測值較為吻合，模擬值可基本反映室內溫度場情況，模型可靠。

5 不同運行工況下的模擬分析

通過模擬值和實測值的對比分析可知，建筑模型已較為完善，模擬結果基本可反映實際運行情況。因此可針對不同運行工況進行模擬分析，進一步優化天棚輻射、置換通風等技術在住宅中的應用效果。

圖13 客廳餐廳溫度實測值和模擬值的分析

圖14 主臥溫度實測值和模擬值的分析

圖15 客臥溫度實測值和模擬值的分析

圖16 書房溫度實測值和模擬值的分析

圖17 儲藏室溫度實測值和模擬值的分析

5.1 改變天棚管溫度

本項目設計供回水水溫為18℃～21℃，頂棚溫度為21℃，設計工況詳見圖19。

由圖18可知，當頂棚溫度下降1℃時，雖然頂部溫度有所下降，但是人員活動區溫度不及設計工況下穩定，且溫度太低，易結露，也不節能。

圖18 頂棚溫度為20℃時溫度場

圖19 頂棚溫度為21℃時溫度場（設計工況）

圖20 頂棚溫度為22℃時溫度場

圖21 頂棚溫度為23℃時溫度場

由圖20和圖21可知，當頂棚溫度上升1℃時，溫度分層現象明顯加重，人員活動區溫度雖不及設計工況下舒適，但也在可接受范圍內。當頂棚溫度上升2℃時，會有明顯的“頭熱腳涼”感覺，室內舒適度較差。

5.2 改變送風風速

本項目設計送風風速為0.22m/s，設計工況詳見圖22。置換通風設計風速一般為0.2m/s～0.5 m/s，因此本文分別對0.3 m/s和0.4m/s的工況進行分析。

圖22 送風風速為0.22m/s時溫度場（設計工況）

圖23 送風風速為0.3m/s時溫度場

圖24 送風風速為0.4m/s時溫度場

由圖22～圖24可知，由于本項目送風口位置靠近外窗，風速越大，外窗處的熱空氣越快向上移動，對室內的溫度影響越小，室內溫度越低。同時整體溫度分層的界限也會越高，則下部區域舒適度更高。但風速越大，靠近送風口位置的吹風感越強，噪聲也越大，舒適度降低。

5.3 室內環境優化

本項目天棚管溫度和送風風速均設計合理，室內溫度滿足舒適度要求，但是每個房間的舒適度略有差異，南向臥室人員活動區域的垂直溫差在2℃～3℃左右，其它房間的垂直溫差均在1.5℃左右，因此南向臥室的室內溫度場可優化。

圖25 1.7m高度處溫度場（設計工況）

考慮到增大送風風速，可減弱外窗的傳熱影響，同時升高溫度分層界限，因此將南向主臥送風風速調整為0.3m/s，其它房間風速不變，如圖25和圖26所示，1.7m高度處南向主臥的溫度明顯降低，人員活動區垂直溫差也降至1.5℃左右，室內舒適度改善明顯。

6 結論

通過對合肥市“當代花園”住宅小區項目天棚輻射+置換通風系統的室內應用效果進行實測和模擬分析后，得出以下結論：

①天棚輻射+置換通風系統在住宅項目中應用效果良好，整個立面上（0.1m～2.9m）垂直溫差有4℃左右，人員活動區（0.1m～1.8m）垂直溫差只有1.5℃左右，沒有明顯的“頭熱腳涼”的感覺；

②天棚管供回水水溫為18/21℃時，較為合理，若考慮節能因素，供回水水溫最多只能再提升1℃，超過1℃，室內舒適度將大幅度降低；

圖26 1.7m高度處溫度場（優化后）

③設計送風風速在0.2m/s～0.3m/s時，較為合理，若風速再增大，吹風感明顯；

④考慮到住宅戶型朝向的差異，南向有陽臺的客廳、西向和北向的房間舒適度較好，南向有外窗的臥室舒適度相對較差，建議適當增加南向臥室的送風風速，以提高室內舒適度。