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 梁秋爽 張波 宋靜

4.重慶電訊職業學院，重慶 402247 5.重慶遠鑒旅游規劃設計有限公司，重慶401120）摘要：對重慶地區毛細管網18℃供水溫度下輻射供冷系統進行實驗測試，分析了毛細管網頂棚、墻面、地面3種敷設方式室內熱工參數。結果表明：毛細管網頂棚、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℃，輻射表面平均溫度依次為20.96℃、21.14℃、22.76℃，PMV依次為-0.27、0.32、-0.2，PPD依次為7.06%、7.47%、6.34%。在實驗條件下，3種敷設方式供冷時室內溫度均能滿足≤28℃的要求，PMV、PPD均能滿足《民用建筑室內熱濕環境評價標準GB/T50785 -2012》I級熱舒適評價指標。

關鍵詞：毛細管網;輻射供冷;敷設位置 PMV和PPD

中圖分類號：TU831? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：

4.Chongqing Telecommunication Polytechnic College，Chongqing 402247，China; 5.Chongqing Yuanjian Tourism Planning & Design Co. Ltd，Chongqing401120，China）Abstract： Tests of capillary radiant cooling system in Chongqing district were taken and thermal parameter were analyzed in conditions of three different capillary laying modes （ceiling， wall and floor） with 18℃ supply water temperature. It concluded that when capillaries were laid on the ceiling， wall and floor respectively， the average temperature of working area was 26.27℃， 27.22℃ and 26.57℃ respectively and the radiation surface temperature was 20.96℃， 21.14℃ and 22.76℃ in turn. By calculation， the PMV of three conditions was-0.27， 0.32 and -0.2 and PPD results were 7.06%， 7.47% and 6.34% respectively. It illustrated that all three laying ways at this experimental conditions could meet the air temperature requirements （no more than 28℃） and PMV， PPD attain thermal environment category I.

Key words： Capillary;Radiant cooling;Laying way;PMV and PPD

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，受到越來越多的關注。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，毛細管網的研究與應用越來越多。

國外，R.HOSEGGEN[1]等人針對頂棚供冷節能與舒適度進行實驗研究，同時利用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 T[2]等人針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。MELANIE F[3] 等人針對新型輻射頂棚通過實驗實測與模擬進行性能測試，結果表明：新型輻射頂棚性能優于常規輻射頂棚。KEBLAWI A[4]等人針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 K G[5]等人針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 Z.E[6]等人針對輻射與對流空調系統通過實驗進行對比分析，結果表明：輻射空調系統室內舒適度好。KYU N R[7]等人總結分析了近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。

國內，李炅[8]等人針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[9]等人針對毛細管網輻射供冷表面結露進行研究，明確結合過冷度的運行策略。謝東[10]等人與王赟[11]等人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[12]等人針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[13]等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[14]等人分析了影響毛細管網的供冷能力相關曲線圖。陳金華[15]等人針對毛細管網地面不同供水溫度供暖研究室內參數，確定了供暖的最佳供水溫度。陳露[16]等人針對毛細管網頂棚、墻面、地面進行模擬研究，分析了3種敷設方式舒適性。

通過文獻查閱可知，針對頂棚、墻面、地面毛細管網的研究，均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。文章通過毛細管網頂棚、墻面、地面3種敷設方式實驗研究。從室內人員活動區溫濕度、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

實驗地點為兩間相同房間[17]如圖1所示，房間410，房間412，每個房間的面積為21m2，尺寸為6m×3.5m×2.7m（長×寬×高），門洞的尺寸0.8m×2.1m（寬×高），外窗的尺寸2700mm×2000mm（寬×高）;建筑外墻為實心磚墻（未做保溫），厚度為240mm，內墻也為實心磚墻，厚度為200mm。窗戶為單層玻璃窗，厚度為6mm，內設厚窗簾。

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。

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，房間410頂棚、墻面敷設同側供回S型毛細管網，房間412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，設置如下毛細管網參數見表1。

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60m3/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JGJ142-2012》中規定：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℃。故本次實驗在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[18]的布置原則參照《民用建筑室內熱濕環境評價標準GB/T50785-2012》中的規定，詳見圖5、圖6。實驗數據采用實時監測，記錄間隔為10min/次。

實驗房間圍護結構表面溫度測點布置如下：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。

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

1.3.3測試儀器 實驗主要儀器如下表3所示：

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見圖7。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℃。

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 五個水平位置分別距地0.1m、0.6m、1.1m、1.7m四個垂直高度的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見圖8，由圖可知：

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：20min、50min、60min。

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，因此穩定時室內溫度與頂棚敷設時溫度接近。

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1.1m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見圖9，由圖可知：

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%。

2.4露點溫度分析

3種敷設方式露點溫度見圖10，由圖可知：

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見圖11，由圖可知：

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，依次為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JGJ142-2012》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。

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見圖13，由圖可知：

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，頂棚壁面溫度均較高。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。

2.7空間垂直溫度分析

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

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ISO7730[19]推薦的小于2℃（A級）的溫差。

2.8空間水平溫度分析

室內空間水平溫度分析選取a、b、c、d、e距地1.1m處溫度。3種敷設方式水平溫度分布見圖15，由圖可知：

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水平溫度分布不均勻可兩對面墻同時敷設。

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，實驗狀況記錄人員進出房間時將內走廊熱量帶入房間造成。

2.9 PMV、PPD分析

由圖16、17可知：

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/T50785-2012》I級熱舒適評價指標-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%[17]。

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，地面輻射供冷效果，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，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兩對面墻同時敷設。

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/T50785 -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%。

參考文獻

[1] H？SEGGEN R， MATHISEN H M， HANSSEN S O. The effect of suspended ceilings on energy performance and thermal comfort[J]. Energy and Buildings， 2009， 41（2）： 234-245.

[2] MIKESKA T， SVENDSEN S. Dynamic behavior of radiant cooling system based on capillary tubes in walls made of high performance concrete[J]. Energy and Buildings， 2015， 108： 92-100.[LinkOut]

[3] FAUCHOUX M， BANSAL M， TALUKDAR P， et al. Testing and modelling of a novel ceiling panel for maintaining space relative humidity by moisture transfer[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2010， 53（19/20）： 3961-3968.

[4] KEBLAWI A， GHADDAR N， GHALI K. Model-based optimal supervisory control of chilled ceiling displacement ventilation system[J]. Energy and Buildings， 2011， 43（6）： 1359-1370.[LinkOut]

[5] LEE K G， HONG W H. Thermal-environment characteristics and comfort of combined radiant-floor （Korean heating system ondol） and convective cooling system [J]. Journal of Central South University. 2013， 20 （12）： 3589 – 3603.

[5] LEE K G， HONG W H. Thermal-environment characteristics and comfort of combined radiant-floor （Korean heating system ondol） and convective cooling system[J]. Journal of Central South University， 2013， 20（12）： 3589-3603.[LinkOut]

[6] EUSEBIO Z. E， CONCECAON， MANUELA J R， et al. Evaluation of thermal comfort conditions in a classroom equipped with radiant cooling systems and subjected to uniform convective environment [J]. Applied Mathematical Modeling， 2011， 35（3）： 1292-1305.

[7] KYU N R ， KWANG W K . A 50 year review of basic and applied research in radiant heating and cooling systems for the built environment [J]. Building and Environment， 2015，91：166-190.

[8] 李炅，高珊，賈甲，等.毛細管輻射供冷系統性能的試驗及數值模擬研究[J].制冷技術，2014，34（4）：18-22.

LI J， GAO S， JIA J， et al. Experimental and

numerical simulation study on the performance of

capillary radiation cooling system[J] . Journal of Refrigeration Technology， 2014， 34

（4）： 18-22.

[9] 朱備， 翟曉強， 尹亞領， 等. 毛細管輻射供冷的換熱及結露特性的實驗研究[J]. 制冷技術， 2013， 33（4）： 5-10.ZHU B，ZHAI X Q，YIN Y L， et al. Experimental investigation of heat transfer and dew performances of capillary radiant cooling[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology， 2013， 33（4）： 5-10.（in Chinese）

[10] 謝東， 王赟， 廖買利， 等. 基于不同管徑毛細管輻射頂板供冷性能模擬[J]. 建筑熱能通風空調， 2016， 35（11）： 1-4，48.XIE D， WANG Y， LIAO M L， et al. Numerical modeling of cooling performance for capillary ceiling radiant cooling panel based on pipe diameters[J]. Building Energy & Environment， 2016， 35（11）： 1-4，48.（in Chinese）

[11] 王赟， 謝東， 莫順權， 等. 毛細管輻射冷卻頂板供冷性能的數值模擬研究[J]. 制冷與空調（四川）， 2016， 30（3）： 287-290，294.WANG Y，XIE D，MO S Q， et al. Numerical modeling on cooling performance of capillary ceiling radiant cooling panel[J]. Refrigeration & Air Conditioning， 2016， 30（3）： 287-290，294.（in Chinese）

[12] 張金明. 壁面輻射供冷與獨立新風復合空調的數值模擬研究[D]. 西安： 西安科技大學， 2015. ZHANG J M. The numerical simulation research of the wall radiant cooling air conditioning system with independent fresh air[D]. Xi'an： Xi'an University of Science and Technology， 2015.（in Chinese）

[13] 劉猛， 王旭弟， Liu Meng， 等. 濕熱地區毛細管地板供冷末端性能實測分析[J]. 土木建筑與環境工程， 2017， 39（1）： 1-6.LIU M， WANG X D， LIU M， et al. Experimental analysis of terminal performance for floor cooling with capillary tubes in hot-humid area[J]. Journal of Civil，Architectural & Environmental Engineering， 2017， 39（1）： 1-6.（in Chinese）

[14] 李妍， 許彬， 賈軍華， 等. 毛細管網抹灰安裝供冷能力分析[J]. 暖通空調， 2017， 47（1）： 97-102.LI Y， XU B， JIA J H， et al. Cooling capacity analysis of capillary network with plasterer paving[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning， 2017， 47（1）： 97-102.（in Chinese）

[15] 陳金華， 楊雯芳， 沈雪蓮， 等. 不同供水工況毛細管網地板輻射供暖實驗研究[J]. 湖南大學學報（自然科學版）， 2017， 44（11）： 205-212.CHEN J H， YANG W F， SHEN X L， et al. Experimental research on capillary floor radiant heating in different water supply temperature[J]. Journal of Hunan University（Natural Sciences）， 2017， 44（11）： 205-212.（in Chinese）

[16] 陳露， 廖勝明， CHEN Lu， 等. 三種方式輻射供冷室內熱環境對比分析[J]. 建筑熱能通風空調， 2010， 29（3）： 53-56.CHEN L， LIAO S M， CHEN L， et al. Three approaches to the comparative study of indoor thermal environment for radiant cooling system[J]. Building Energy & Environment， 2010， 29（3）： 53-56.（in Chinese）

[17] 梁秋錦. 毛細管網不同敷設方式供冷性能研究[D]. 重慶： 重慶大學， 2017.LIANG Q J. Study on cooling performance with capillary different laying ways[D]. Chongqing： Chongqing University， 2017.（in Chinese）

[18] 陳金華， 梁秋錦， 李楠， 等. 毛細管網供暖室內環境對比實驗研究[J]. 土木建筑與環境工程， 2018， 40（2）： 88-94.CHEN J H， LIANG Q J， LI N， et al. Comparative experimental analysis of capillary radiant heating on indoor environment[J]. Journal of Civil，Architectural & Environmental Engineering， 2018， 40（2）： 88-94.（in Chinese）

[19] ★★★， ★★★. Moderate thermal environments. Determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort[S]. BSI British Standards， . DOI：10.3403/00814151

[20] GB 50736-2012《民用建筑供暖通風及空氣調節設計規范》[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.? GB 50736-2012 Regulations on the design of heating ventilation and air conditioning for civil buildings [S]. Beijing： China Architecture and Building Press， 2012.

（編輯：鄧云）