毛細管網供冷室內環境對比實驗研究

梁秋錦，陳金華，段坤林，孫海，韓浩然，宋靜

(1.重慶魯能英大置業有限公司，重慶 400060;2.重慶大學 城市建設與環境工程學院，重慶 400045;3.重慶市設計院，重慶 400015)

毛細管網作為一種新型空調末端形式，具有不占用室內空間、能與可再生能源結合及室內舒適度更高等優勢，在能源成本越來越高、環境污染與溫室效應加劇的大背景下，對毛細管網的研究與應用越來越多。Hoseggen等[1]對頂棚供冷節能與舒適度進行實驗研究，并利用ESP-r軟件進行模擬論證，結果表明：模擬結果與實驗數據結果吻合。Mikeska等[2]對輻射供冷室內舒適性與供水溫度關系進行研究，結果表明：當室內溫度比供水溫度高4 K時，室內溫度舒適性較好。Keblawi等[3]對頂棚供冷輔助新風系統設計遺傳算法控制器，可實現低能耗下滿足同樣的舒適度。Lee等[4]對地面輻射與對流空調系統通過實測對比分析，結果表明：輻射空調系統室內垂直溫差較小。Eusebio等[5]對輻射與對流空調系統進行實驗對比分析，結果表明：輻射空調系統室內舒適度好。Kyu等[6]總結分析了近50年輻射空調系統應用，得出輻射空調系統在節能性、舒適性方面不斷改進優化的結論。李炅等[7]對毛細管網進行模擬研究，分析了毛細管網供冷能力影響因素。朱備等[8]對毛細管網輻射供冷表面結露進行研究，提出了結合過冷度的運行策略。謝東、王赟等[9-10]均針對毛細管頂棚輻射供冷進行模擬研究，分析了頂棚輻射供冷時的供冷量。張金明[11]對壁面輻射供冷與對流空調系統進行模擬研究，對比兩種空調方式下室內熱工參數。劉猛等[12]研究了不同供水溫度與室外天氣下毛細管網地棚供冷房間溫度、供冷量與結露情況。李妍等[13]分析了影響毛細管網的供冷能力相關曲線圖。陳金華等[14]對毛細管網地面不同供水溫度供暖時的室內參數進行研究，確定了供暖的最佳供水溫度。陳露等[15]對毛細管網頂棚、墻面、地面進行模擬研究，分析了這3種敷設方式的舒適性。

對頂棚、墻面、地面毛細管網的研究，大多為理論計算與軟件模擬，或只針對一種敷設方式進行實驗研究。本文對毛細管網頂棚、墻面、地面3種敷設方式進行實驗研究。從室內人員活動區溫度、濕度、壁面溫度、室內垂直與水平溫度、PMV、PPD等熱工參數，全面分析3種敷設方式毛細管網供冷的室內舒適性。

1 實驗系統介紹

1.1 實驗房間概況

實驗地點為面積相同的兩個房間[16](圖1)，編號分別為410和412，面積均為21 m2，尺寸為6 m×3.5 m×2.7 m(長×寬×高)，門洞尺寸為0.8 m×2.1 m(寬×高)，外窗尺寸為2 700 mm×2 000 mm(寬×高)；建筑外墻為實心磚墻(未做保溫)，厚度為240 mm，內墻也為實心磚墻，厚度為200 mm。窗戶為單層玻璃窗，厚度為6 mm，內設厚窗簾。

圖1 實驗房間平面圖(單位：mm)Fig.1 Experimental room plan

1.2 實驗系統

1.2.1 冷熱源 該實驗的冷熱源為空氣源熱泵機組。冷熱源與毛細管網末端中間設置換熱水箱，通過換熱水箱控制供水溫度為18 ℃。原理圖如圖2所示。

圖2 冷熱源原理圖Fig.2 Schematic diagram of cold and heat

1.2.2 實驗末端 實驗的末端為頂棚、墻面、地面3種敷設方式，410房間頂棚、墻面敷設同側供回S型毛細管網，412房間地面敷設同側供回S型毛細管網。實驗室建設時，為滿足室內冷負荷需求，設置毛細管網參數，見表1。

表1 毛細管網基本參數Table 1 The situation of capillary radiation

毛細管網頂棚、墻面、地面敷設位置圖與構造示意圖，如圖3～圖4所示。

圖3 毛細管網敷設位置圖

圖4 毛細管網構造示意圖Fig.4 The structure drawing of

1.2.3 新風系統 實驗新風溫度為24 ℃，相對濕度為60%，新風量為60 m3/h，新風送風方式為上送風。

1.3 實驗內容

1.3.1 測試方案 實驗系統運行工況見表2，根據《輻射供暖供冷技術規程》(JGJ 142—2012)的規定：毛細管網供水溫度應保證供冷表面溫度高于露點溫度1～2 ℃。故實驗在18 ℃供水溫度下，測試毛細管網頂棚、墻面、地面3種敷設方式的室內熱工參數。

1.3.2 測點布置 實驗測點[17]的布置原則參照《民用建筑室內熱濕環境評價標準》(GB/T 50785—2012)的規定，詳見圖5～圖6。實時監測實驗數據，記錄間隔為10 min/次。

實驗房間圍護結構表面溫度測點布置：頂棚布置5個，地面布置5個，左墻布置9個，右墻布置9個，外墻布置2個，內墻布置2個，共計32個測點，如圖5、圖6。

表2 實驗系統運行工況Table 2 The running state of experiment system

圖5 頂棚、地面壁面溫度測點Fig.5 Arrangement of temperature measuring points on the ceiling and

圖6 左、右墻壁面溫度測點Fig.6 Arrangement of temperature measuring points on the left and right

實驗房間空間溫度測點布置在圖5中a、b、c、d、e位置上距地0.1 m(腳踝)、0.6 m(膝蓋)、1.1 m(坐姿頭部)、1.7 m(站姿頭部)、2.5 m(房間上空)處，共計25個。空間濕度測點布置在a、c、e位置，距地1.1 m高度處，共計3個。

1.3.3 測試儀器 實驗主要儀器見表3。

2 實驗數據分析

2.1 室外空氣溫度

實驗期間室外逐時溫度如圖7所示。頂棚、墻面、地面3種敷設方式室外平均溫度依次為29.97、31.26、29.97 ℃。

表3 實驗測試儀器表Table 3 Test apparatus

圖7 3種工況室外溫度分布Fig.7 The outdoor temperature of 3

2.2 室內人員活動區平均溫度

人員活動區平均溫度為a、b、c、d、e 5個水平位置分別距地0.1、0.6、1.1、1.7 m4個垂直高度的20個測點平均值。3種敷設方式實驗期間人員活動區逐時溫度如圖8所示，由圖8可知：

1)毛細管網地面輻射供冷時，人員活動區溫度達到28 ℃，響應時間最長。頂棚、墻面、地面3種敷設方式響應時間依次為：20、50、60 min。

2)3種敷設方式人員活動區平均溫度均滿足≤28 ℃要求，頂棚、墻面、地面3種敷設方式供冷穩定時，人員活動區的平均溫度依次為：26.27、27.22、26.57 ℃。

3)人員活動區溫度的影響因素主要包括以下兩個方面：輻射壁面溫度與距輻射壁面距離。頂棚敷設毛細管網，由于其敷設構造較薄，輻射壁面溫度低，因此，供冷穩定時，室內溫度低于另外兩種敷設方式；墻面敷設毛細管網，由于其敷設單面，冷空氣橫向傳播速度慢，因此，供冷穩定時，室內溫度高于另外兩種敷設方式；地面敷設毛細管網，雖然其輻射壁面溫度較另外兩種敷設方式高，但是距離人員活動區最近，因此，供冷穩定時，室內溫度與頂棚敷設時溫度接近。

圖8 3種工況人員活動區的平均溫度Fig.8 The average temperature of working area of 3

2.3 室內人員活動區平均相對濕度

人員活動區平均相對濕度為a、c、e點距地1.1 m高度的相對濕度平均值，3種敷設方式人員活動區逐時平均相對濕度如圖9所示：頂棚、墻面、地面3種敷設方式人員活動區穩定時，平均相對濕度均能滿足室內舒適要求；墻面敷設人員活動區平均相對濕度略小于頂棚、地面；平均相對濕度依次為68.58%、64.13%、70.05%。

圖9 3種工況人員活動區的平均相對濕度Fig.9 The average relative humidity of working

2.4 露點溫度分析

3種敷設方式露點溫度如圖10所示，頂棚、墻面、地面3種敷設方式的輻射壁面溫度、附近空氣溫度均高于輻射壁面露點溫度，因此，實驗過程中均未出現結露現象。但重慶地區濕度較大，為防止輻射供冷時出現結露，應設置通風除濕系統。

2.5 輻射壁面平均溫度

輻射壁面平均溫度與毛細管網敷設構造密切相關。3種敷設方式輻射壁面逐時溫度如圖11所示，由圖11可知：

圖10 3種工況露點溫度Fig.10 The temperature dew point temperature of 3

1)毛細管網敷設構造越薄，輻射壁面熱響應時間越快，輻射壁面溫度也越低。頂棚、墻面、地面敷設構造厚度依次遞增，熱響應時間依次遞增，輻射壁面平均溫度也依次遞增，分別為20.96、21.14、22.76 ℃。

2)頂棚、墻面、地面3種敷設方式輻射壁面平均溫度均滿足《輻射供暖供冷技術規程》(JGJ 142—2012)中的規定。具體要求值見表4。

3)常規地盤管地面上部敷設構造厚度較厚，不宜用于毛細管網地面，為縮短地面輻射熱響應時間，降低輻射壁面溫度，可降低毛細管網地面敷設構造厚度。

圖11 3種工況輻射壁面溫度Fig.11 Radiation surface temperature in 3

敷設位置平均溫度下限值/℃人員經常停留地面19人員短期停留地面19墻面17頂棚17

3種敷設方式輻射壁面熱成像儀圖如圖12所示，由圖12可見：

1)3種敷設方式輻射壁面溫度分布均勻，僅在毛細管網拼接處出現較小溫升。

2)3種敷設方式輻射壁面溫度熱成像儀監測數據與熱電偶監測數據相差較小，頂棚、墻面、地面輻射壁面溫度依次遞增。

圖12 3種工況輻射壁面熱成像圖片Fig.12 The radiation surface thermal imaging of 3

2.6 圍護結構壁面溫度

3種敷設方式圍護結構壁面溫度分布如圖13所示，由圖13可知：

1)3種敷設方式外墻溫度高于其他壁面溫度，由于外墻未做保溫，故受室外溫度影響較大。

2)墻面、地面敷設毛細管網供冷時，頂棚壁面溫度較高。主要原因是熱空氣在房間上部堆積，減弱頂棚壁面降溫。

3)3種敷設方式輻射角系數對壁面溫度的影響較小。

圖13 3種工況圍護結構壁面溫度Fig.13 The surface temperature of building envelope

2.7 空間垂直溫度分析

3種敷設方式垂直溫度分布如圖14所示，站姿高差為0.1～1.7 m，坐姿高差為0.1～1.1 m。由圖14可知：

1)3種敷設方式供冷時，頂棚敷設垂直溫差最小，且有“頭涼腳暖”的感覺，舒適度最好。

2)3種敷設方式供冷時，坐姿或站姿縱向溫差均小于1 ℃，滿足ISO 7730[18]推薦的小于2 ℃(A級)的溫差。

圖14 3種工況垂直溫度分布Fig.14 Vertical temperature distribution of 3

根據熱舒適標準ISO 7730[18]推薦的公式(1)計算3種工況站姿垂直不滿意率，計算結果見表5。頂棚敷設供冷時垂直不滿意率最小。

(1)

式中，Δta,y為頭部與腳踝之間的溫差。

表5 3種工況室內垂直不滿意率Table 5 The indoor vertical disapproval rating of 3 conditions

2.8 空間水平溫度分析

室內空間水平溫度分析分別選取a、b、c、d、e距地1.1 m處溫度。3種敷設方式水平溫度分布如圖15所示，可知：

1)墻面敷設毛細管網供冷時，水平溫度分布最不均勻。為減弱單面墻供冷造成的水平溫度分布不均勻，可對兩面墻同時敷設。

2)頂棚、墻面敷設毛細管網供冷時，d點的溫度出現溫升的主要原因是該點位于門口，實驗記錄人員進出房間時將內走廊熱量帶入房間造成。

圖15 3種工況水平溫度分布Fig.15 Horizontal temperature distribution of 3

2.9 PMV、PPD分析

熱舒適預測評價指標采用Fanger教授提出的預計平均熱感覺指數PMV與預計不滿意者百分數PPD[19]。 PMV和PPD的表達式見式(2)和式(3)。

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.027 5]

{M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-pa]-

0.42(M-W-58.2)-0.017 3M(5.86-pa)-

0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(tr+273)4]-fclhc(tcl-ta)}=

f(M,W,Icl,ta,pa,va,tr)

(2)

PPD=100-95exp[-(0.033 53 PMV4+

(3)

式中：W為機械效率，夏季人員機械效率較低，該實驗機械效率取0；M為能量代謝，met，實驗期間實驗狀況記錄人員處于靜坐狀態，相應新陳代謝≤1.2 met，實驗中能量代謝取值M=1.0 met=58.2 W/m2；pa為水蒸氣分壓力，Pa，根據實驗實測室內相對濕度計算得出；Icl為服裝熱阻，clo，實驗記錄人員身著短袖連衣裙，服裝熱阻取值0.35 clo；va為風速，m/s，實驗期間室內風速微弱，因此風速取值0.1 m/s；Ta為空氣溫度，℃，取實驗實測值；Tr為平均輻射溫度，℃。

式中：T1，T2，…，TN為圍護結構壁面溫度，℃；A1，A2，…，AN為圍護結構壁面面積，m2；

輻射供冷時，室內空氣溫濕度、平均輻射溫度為影響熱舒適的主要參數，即PMV=f(ta,Pa,tr)。

3種敷設方式時，室內PMV、PPD分布如圖16～圖17所示，由圖16、圖17可知：

圖16 3種工況室內PMVFig.16 The indoor PMV of 3

圖17 3種工況室內PPDFig.17 The indoor PPD of 3

1)頂棚、墻面、地面3種敷設方式供冷穩定時，PMV依次為-0.27、0.32、-0.2， PPD依次為7.06%、7.47%、6.34%。

2)3種敷設方式供冷穩定階段時，室內PMV、PPD均滿足《民用建筑室內熱濕環境評價標準》(GB/T 50785—2012)Ⅰ級熱舒適評價指標-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%。

3)3種敷設方式墻面輻射供冷時，室內舒適度最差。單面墻輻射供冷時，被降溫的冷空氣沿墻面下沉，在右墻下側積聚，冷空氣橫向傳遞效果較差。因此，墻面輻射供冷若想達到頂棚，可通過增大毛細管網敷設面積、降低供水溫度或增大管內流速等途徑實現。

3 結論

通過對比分析夏季毛細管網供冷室內環境，得出以下結論：

1)毛細管網供水溫度設定為18 ℃時，3種敷設方式輻射供冷室內人員活動區平均溫度均滿足≤28 ℃的要求。供冷穩定階段，頂棚、墻面、地面人員活動區平均溫度依次為26.27、27.22、26.57 ℃。

2)毛細管網敷設構造越薄，輻射壁面熱響應時間越短，輻射壁溫度也越低。頂棚、墻面、地面敷設構造厚度依次遞增，熱響應時間依次遞增，輻射壁面平均溫度也依次遞增，依次為20.96、21.14、22.76 ℃。

3)頂棚敷設毛細管網供冷時，縱向溫差明顯低于墻面、地面，舒適度更高。3種敷設方式縱向均小于1 ℃，滿足ISO 7730推薦的小于2 ℃(A級)溫差。

4)頂棚、地面敷設毛細管網供冷時，室內水平效果接近，優于墻面。墻面敷設毛細管網供冷時，水平溫度分布最不均勻。為減弱單面墻供冷造成水平溫度分布不均勻，可對兩面墻同時敷設。

5)3種敷設方式室內預計平均熱感覺指數PMV，預計不滿意者百分數PPD均滿足《民用建筑室內熱濕環境評價標準》(GB/T 50785 —2012)Ⅰ級熱舒適評價指標-0.5≤PMV≤0.5、PPD≤10%，供冷穩定階段，頂棚、墻面、地面PMV依次為-0.27、0.32、-0.2，PPD依次為7.06%、7.47%、6.34%。