毛細管輻射復合空調系統舒適性試驗研究

蔡英康

(中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

輻射空調系統因為具有舒適性高、無噪聲、節能衛生等優點越來越受到人們的關注。其應用形式之一輻射吊頂加置換通風空調系統是一種溫濕度獨立控制的空調系統，房間內的顯熱負荷由輻射吊頂承擔，濕負荷則由經過干燥處理后的新風承擔，這種空調系統比傳統集中式的中央空調系統節能30%左右[1－3]。此外，輻射空調營造的熱環境溫度分布均勻、無吹風感、噪聲低，具有較高的舒適性[4－6]。Catalina等[7－9]研究了輻射空調冷卻頂板作用下的空調室內熱舒適性表現，結果顯示，以側送風方式提供新風時，室內工作區空氣流速不超過0.1 m/s，室內垂直溫度梯度不超1℃/m，計算預測平均評價(PMV)值分布均勻，室內具備良好的熱舒適性。徐照南[10－12]以采用混凝土輻射頂板加獨立新風系統集中供冷供暖的居住建筑為研究對象，通過現場試驗、問卷調查以及計算液體動力學(CFD)模擬對該建筑的不對稱輻射環境中的熱舒適性進行系統研究，從垂直溫差、吹風感、平均輻射溫度和輻射不對稱性等方面分析輻射環境熱舒適特征。研究結果表明在混凝土輻射吊頂與獨立新風系統調節下人員活動區域垂直溫差不超過1℃，溫度梯度小，風速低于0.05 m/s，基本沒有吹風感。

國內對于復合空調系統的研究，主要是利用CFD軟件對頂板輻射供冷的室內熱環境模擬分析，或者通過試驗的方法，對試驗小室進行熱環境分析，而對于實際建筑的研究比較少。與試驗小室不同，實際建筑室內熱環境會受到室外溫度、太陽輻射以及圍護結構等多個因素的影響。因此，實際建筑室內熱環境的研究對于復合空調系統的設計和運行更具有指導意義。

2 試驗概況

(1)試驗房間

本文試驗房間物理模型見圖1，房間尺寸為8×4.7×2.8 m。地板送風口為兩個單層百葉風口，尺寸為100×400 mm；回風口是一個200×400 mm的單層百葉風口。房間維護結構采用內保溫形式。建筑圍護結構構造見表1。

圖1 試驗房間物理模型及測點布置

表1 A戶型房間圍護結構構造

如圖2所示，試驗房間的輻射末端采用毛細管網柵。毛細管網敷設在天棚內表面上，再抹一層5 mm厚的水泥砂漿進行固定。所采用毛細管規格為4.3 mm×0.8 mm，毛細管之間的間距為10 mm，每平方米毛細管網柵的散熱面積為1.35 m2。

圖2 毛細管網現場施工

(2)試驗設備

本試驗采用的設備及相關參數見表2。

表2 試驗設備及參數

(3)測點布置

如圖1所示，試驗房間共布置34個測點，測點空1、空2、天2、天5和天8位于客廳天棚中心的界面上。空1測點距北墻3 m，空2測點距北墻6 m。為了測量室內空氣垂直溫度分布，測點空1和測點空2在垂直方向上各布置了8個測點，高度分別為:①貼地板(距地面0 m)；②距地面0.1 m(相當于人的腳踝高度)；③距地面0.6 m；④距地面1.1 m(相當于人坐著時頭部的高度)；⑤距地面1.8 m(相當于人站著時頭部的高度)；⑥ 距地面2.5 m；⑦距地面2.75 m；⑧貼附于頂棚(距地面2.8 m)。其余測點各布置一個T型熱電偶，其中，天1～天9貼附于天棚表面上，用來測量天棚表面溫度；測點東1、西1、南1、南2、北1和窗1貼附在對應的圍護結構表面，距地面高度為1.4 m，用來測量對應的維護結構表面溫度；風1、風2和風3溫度探頭深入風口內部，用來測量送、排風溫度。

3 試驗結果及分析

本文試驗在冬季進行，因此測試的數據是供暖工況下的數據。

3.1 熱泵機組運行參數

穩定狀態下，熱泵機組在實際運行時的相關參數見表3。

表3 供暖工況下熱泵機組運行參數

毛細管供回水溫度、地板新風口送風溫度與室外空氣溫度在48 h內變化曲線見圖3。由圖3可知，毛細管供水溫度在31℃ ～33℃范圍內波動，平均供水溫度為31.85℃，略小于設定溫度32℃；毛細管回水溫度在28℃ ～30.5℃范圍內，平均回水溫度為29.0℃。毛細管平均供回水溫差為2.85℃。送風溫度在22℃ ～25℃內波動，平均送風溫度為23℃。毛細管供回水溫度及新風送風溫度基本保持穩定，室外空氣溫度對毛細管供回水溫度以及新風送風溫度的影響較小。

圖3 供暖工況下毛細管供回水與新風溫度變化趨勢

3.2 室內空氣溫度分布

圖4為24 h內室內空氣溫濕度變化趨勢。根據圖4可知，室內空氣溫度波動較小，基本保持穩定，平均溫度為22℃；室內空氣相對濕度在35% ～42%范圍內，平均相對濕度為37%。室內溫濕度達到我國《暖通規范》中的Ⅰ級熱舒適度。

圖4 供暖工況下室內空氣溫濕度變化趨勢

圖5為室內空氣溫度與室外溫度在48 h內的變化趨勢，室內空氣溫度數據選用測點空1的數據。根據圖5，室內空氣溫度均介于天棚溫度和地板溫度之間。由于天棚溫度較高、地板溫度較低以及熱空氣上升、冷空氣下沉的影響，在垂直方向上室內空氣溫度分層比較明顯。48 h內各點空氣溫度變化趨勢一致，各點溫度沒有出現交叉現象。在人員主要活動區域，即距地面高度0.1 m至1.8 m，室內空氣溫度在18℃ ～24.6℃，平均溫度為21.5℃。

圖5 供暖工況下室內空氣溫度與室外空氣溫度變化趨勢

從圖5可以看出，室外空氣溫度的變化對室內溫度也有一定影響，室內空氣溫度隨著室外溫度的變化而變化。相對于室外溫度的變化幅度，室內溫度的變化幅度較小，這是因為一方面建筑維護結構采用了保溫材料，使得試驗房間具有較好的保溫性能；另一方面輻射系統具有“自調節”功能。從室內外溫度變化的時間來看，室內空氣溫度的改變滯后于室外溫度，滯后約2 h，這是因為維護結構有一定的熱惰性，室外溫度的變化傳遞到室內需要一定的時間。

為進一步了解室內空氣的垂直溫度分布情況，選取00:01至02:01時間段內的數據進行分析。期間，室外空氣平均溫度為7℃，毛細管平均供水溫度為32℃。圖6為2 h內空1測點處各點溫度的變化趨勢，數據每隔10 min選取1組，共選取12組數據；圖7為測點空1和測點空2處的垂直溫度梯度分布情況。圖中各點的溫度取該點在2 h內的平均溫度。

圖6 供暖工況下2 h內室內溫度變化趨勢

圖7 供暖工況下室內垂直溫度分布

由圖6可以看出，2 h內各點空氣溫度保持穩定，有明顯的分層現象。根據圖7，在距地面0 m至0.1 m的平均空氣溫度梯度為14 K/m；距地面2.5 m至2.8 m的溫度梯度最大，平均溫度梯度為14.7 K/m；在距地面0.1 m至1.8 m范圍內，室內空氣溫度在19.7℃～22.4℃之間，溫度梯度較小，平均為0.82 K/m。t1.1－0.1為1.4℃，滿足ISO 7730標準中小于3℃的要求，計算得出頭足溫差不滿意率為1.03%。測點空1和測點空2溫度梯度趨勢一致，等高度的各點溫度比較接近，只有在距地面2.75 m處溫差最大，為0.8℃，其余等高度點的溫差都在0.3℃以內，說明在水平方向上室內的溫度梯度比較小。

3.3 維護結構表面溫度及輻射不對稱性

對于大多數房間來說，各維護結構表面溫度并非完全一致，如果各個表面之間的溫差過大，將會降低房間的舒適性，這是因為各表面溫度的差別會造成輻射的對稱。比如冬季背部靠近窗戶，即使窗戶密閉性良好，沒有冷風滲透，還是會覺得背部寒冷。這是由于窗戶內表面溫度大大低于圍護結構其余內表面的溫度，人體背部的輻射散熱遠大于朝向其他表面的身體其余部分的散熱造成的。

輻射不對稱性的定量評價通常可使用所謂半空間輻射溫度來衡量，即將房間分為兩個“半空間”，分別計算其平均表面溫度，這兩個平均溫度之差越大，說明輻射不對稱越大。其數學表達式為:

式中，ts1、ts2分別為半空間1和半空間2的表面平均溫度。

圖8為48 h內房間圍護結構表面溫度與室外空氣溫度的變化趨勢。由圖8可知，天棚表面溫度受室外空氣溫度變化的影響最小，主要受毛細管供回水溫度的影響。結合圖3，毛細管供回水溫度保持穩定，使得天棚表面溫度比較穩定。東墻、西墻及北墻為內維護結構，墻體兩側房間均為空調房間，其表面溫度受室外溫度變化的影響較小，溫度波動較小。北墻雖然也是內墻，但其表面溫度變化比東、西內墻表面溫度的變化幅度要稍大些，這是因為與北墻相鄰的功能房間是衛生間和廚房，兩房間均是非空調房間，室外空氣溫度的變化對這兩個房間的溫度影響較大，從而間接影響到北墻表面溫度。南墻和南窗為外圍護結構，受室外溫度變化的影響顯著，由于墻體的熱惰性大，使得南墻表面的溫度波動幅度小于南窗。房間地板表面溫度也存在著一定的波動，在中午溫度較高，夜間溫度較低，這是由于通過南窗的太陽輻射直射到地板上，使得地板表面溫度升高。

圖8 供暖工況下房間圍護結構與室外溫度變化趨勢

可以看出，各圍護結構表面的溫度存在著一定差別，這會造成輻射不對稱性，使得房間舒適性降低。沿距地面1.4 m高度的水平界面將房間分為上下相等的兩個半空間。根據圖8，夜間各圍護結構內表面的溫度波動較小，基本上保持穩定。選取圖8中間一天00:01至02:01時間段內的數據進行分析。圍護結構表面溫度為2 h內的平均溫度，具體見表4。

表4 維護結構表面溫度

根據式(1)可得 Δts＝｜ts1－ts2｜＝5.13 ℃。結合圖9可知試驗房間輻射不對稱引起的不滿意率為7%，稍大于ISO 7730規定的5%。這主要是由于天棚和地板之間的溫差較大引起的，天棚與地板表面的溫差接近10℃。溫差較大的原因是試驗建筑為單層建筑，地板結構直接與土壤接觸，使得地板不容易被加熱。如果是多層建筑，除第一層外，其余各層的地板均為內維護結構，考慮下層天棚溫度的影響，地板溫度將會高于或者接近墻體表面溫度，室內天棚與地板表面的溫差將會減小，從而會降低輻射不對稱引起的不滿意率。

圖9 頭足溫差與不滿意率關系試驗結果

4 結論

本文對輻射吊頂＋置換新風復合空調系統供暖工況下室內熱環境在穩定狀態下的試驗數據進行了分析。根據試驗數據可以得出以下結論:

(1)供暖工況下室內空氣溫度波動較小，當天棚表面為28.3℃左右時，室內平均溫度為22℃，平均相對濕度為37%，室內溫濕度符合我國《暖通規范》中的Ⅰ級熱舒適度。

(2)垂直方向上存在溫度分層現象，距地面高度1.1 m與0.1 m的平均溫差為1.4℃，滿足ISO 7730標準中小于3℃的要求，具有較好的熱舒適性。

(3)由于天棚表面與地板表面溫差較大，使得試驗房間輻射不對稱引起的不滿意率為7%，大于ISO 7730中規定的5%。