地板輻射供冷系統優化控制模擬研究

宋守杰，任婧，蘇蒙，劉吉營，3，*，苗紀奎

(1. 山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南 250101；2. 山東安泰智能工程有限公司 建筑節能研究所，山東 濟南 250101；3. 山東格瑞德集團有限公司人工環境產業設計研究院，山東德州 253000)

0 引言

輻射供冷系統因其節能潛力和改善室內熱環境等優點而受到廣泛關注與研究[1-2]。 輻射供冷系統通過溫控輻射表面與周圍環境以對流傳熱與輻射傳熱的形式進行換熱，總傳熱量中的輻射傳熱量占比＞50%[3-4]。 然而，輻射供冷系統只承擔房間的顯熱負荷部分，潛熱負荷則需要單獨的通風系統承擔，輻射供冷與通風復合系統的結合實現了溫濕度的獨立控制。 由于兩種系統的供冷性能存在差異，在應對不同室外天氣狀況和室內得熱量劇烈變化時，需要尋求高效的聯合運行方式，達到優勢互補的效果。

輻射供冷結合通風系統的優化控制研究涉及送風參數和供水參數的開啟、關閉等變化調節。 通過調整輻射供冷系統供水參數，改變輻射板供冷能力，以適應負荷變化。 可調控的供水參數包括供水溫度和供水流量，輻射供冷系統采用基于供水溫度控制方法比基于流量控制方法效果更好[5]，在建筑冷負荷指標＜20 W/m2時，采用較高的供水溫度即可滿足室內設計要求并且節能顯著[6]。 充分利用輻射供冷系統的熱慣性特點調控系統運行，有利于提高系統的運行效率，地板輻射供冷系統在夜間蓄存的冷量用于白天供冷，可以減小白天的峰值負荷，降低能耗[7]，且可以提前關閉輻射系統，在滿足室內舒適度的要求下實現最大程度的節能[8]。 輻射系統關閉后蓄存的冷量仍能繼續作用于房間，可以減少預冷期的能耗[9]。

合理有效地調控通風系統對復合系統節能高效運行有著重要作用。 現有的通風系統運行性能研究表明，室內空氣溫度與操作溫度均隨著送風溫度的增加而增加，呈近似線性關系[10]。 不同通風方式的適用條件需要明確，當輻射末端處理的顯熱負荷比例＜50%時，采用一次回風通風策略，可以減少復合供冷系統的能耗[11]。 在熱濕氣候條件下，基于溫度的室外空氣供冷模式的能效高于基于焓值的室外空氣供冷模式的能效[12]。 而為避免輻射供冷表面結露并維持室內舒適性，必須利用通風系統進行濕度控制。 將輻射供冷系統與獨立新風系統結合，可以穩定地供應新鮮空氣并充分除濕，調節室內濕度[13-14]。 目前，很多研究主要針對特定工況下地板輻射與通風復合系統的調控或復合系統的某一方面性能，缺乏針對多種具體典型室內熱環境工況的控制策略研究。

文章利用瞬時系統模擬(Transient System Simulation，TRNSYS)程序對地板輻射供冷與通風復合系統進行模擬優化控制，根據不同的天氣情況與室內熱源條件確定復合系統的調控參數和調控策略。 通過系統間歇方式下不同運行參數的對比，闡明地板幅射供冷系統的節能潛力；針對4 種典型工況，即系統啟動前高濕工況、室內得熱突增工況、室內高得熱工況和室內低得熱工況，實施不同的控制措施，對比分析得出適用于各工況的最優調控措施及復合供冷系統優先級調控策略，為地板輻射供冷系統與通風系統的實際運行調控提供參考。

1 建筑物能量平衡模型

建筑物能量平衡可以通過室內空氣節點換熱量平衡、圍護結構內表面換熱量平衡、空氣節點濕量平衡等3 個能量平衡方程完整的表達。

室內空氣節點換熱量平衡由式(1)表示為

式中 Qi為室內空氣節點換熱量，W；Qsurf，i為室內表面對流熱增益，W；Qinf，i為滲透熱增益(室外空氣滲透)，W； Qinf，i＝ V·ρ·Cp(Toutside，i- Tair) ，其中 V 為室內空氣通風量，m3/h；ρ 為空氣密度，kg/m3；Cp為空氣比熱容，J/(kg·℃)；Toutside，i為室外滲透空氣溫度，℃ ；Tair為室內空氣溫度，℃ ；Qvent，i為通風熱增益，W； Qvent，i＝ V·ρ·Cp(Tventilation，i-Tair) ，Tventilation，i為通風空氣溫度，℃；Qg，c，i為室內熱源對流熱增益，W；Qcplg，i為來自邊界或其他空氣節點的對流熱增益，W； Qcplg，i＝ V·ρ·Cp(Tzone，i-Tair) ，Tzone，i為邊界或其他節點空氣溫度，℃；Qsolar，i為通過外窗進入空氣節點的太陽輻射，W，其一部分以對流熱增益的形式傳到室內空氣；QISHCC，i為室內遮陽裝置吸收的太陽輻射，W，以對流熱增益的形式傳到室內空氣。

圍護結構內表面換熱量平衡由式(2)表示為

式中 Qs，i為圍護結構內表面換熱量，W；Qc，s，i為圍護結構表面與室內空氣節點的對流換熱量，W；Qr，s，i為圍護結構內表面與其他內表面的輻射換熱量，W；Ss，i為太陽輻射熱量與室內熱源長波輻射熱量，W；Qwg為圍護結構能量輸入，W。

空氣節點的濕量平衡由式(3)表示為

式中 Mi為空氣節點含濕量變化，g/kg；Minf，i為滲透引起的含濕量變化，g/kg；nvent為通風口個數，個；k、i、j 分別為通風口節點；Mv，k，i為通風引起的含濕量變化，g/kg；Wg，i為室內濕源散濕量，g/kg；Mcplg，s為通過墻或窗進入的含濕量，g/kg。

基于建筑物能量平衡模型，構建地板輻射供冷與置換通風復合系統，尋求不同的室內熱濕狀態下最優的供冷控制措施，提高系統能效與室內舒適性。

2 模型建立與驗證

2.1 建筑模型

文章以濟南一棟五層辦公建筑為研究對象。 測試房間尺寸為: 8.8 m×7.2 m×3.9 m(長×寬×層高)。建筑的圍護結構熱物性參數有:外墻傳熱系數為0.6 W/(m2·K)、外窗傳熱系數為2.4 W/(m2·K)、屋頂傳熱系數為0.55 W/(m2·K)。 采用的供冷末端為輻射地板，其結構組成從室內側向外依次為抹灰層、混凝土填充層、絕熱保溫層，各結構層的熱物性參數見表1，供回水埋管位于混凝土填充層，其外徑為20 mm、壁厚為2 mm、間距為0.2 m。

表1 輻射地板結構層熱物性參數表

2.2 空調系統模型

辦公建筑采用地板輻射供冷結合置換通風系統，承擔工作日工作時間9:00—17:00 內的室內熱濕負荷，空調系統模擬控制圖如圖1 所示。 室內人員的顯熱、潛熱的散熱量分別為61、73 W/人，燈光顯熱、設備顯熱的散熱量分別為11、20 W/m2，室內熱源數量隨時間變化情況如圖2 所示。 室內設計溫度為26 ℃，設計相對濕度為60%。

圖1 空調系統模擬控制圖

圖2 工作日室內熱源變化圖

地板輻射供冷與置換通風復合系統運行參數設置為:置換通風系統常規運行時間為工作日7:00—17:00、送風溫度設計值為20 ℃、送風量設計值為200 kg/h (折合換氣次數0.5 次/h)，采用基于室內設計溫度與設計相對濕度的開關控制，室內溫度＞26 ℃或相對濕度＞60%時開始送風，室內溫度與相對濕度都滿足設計要求時停止送風；地板輻射供冷系統常規運行時間為工作日7:00—17:00、供水溫度設計值為18 ℃、供水流量設計值為0.6 m3/h。 模擬工況1～5 分別為地板輻射系統間歇運行、系統啟動前高濕工況、室內得熱突增工況、室內高得熱量工況、室內低得熱量工況，各工況的調控措施見表2，其中部分運行控制時間只對應于供冷系統運行參數發生變化，不同于設計參數的情況，其余時間系統按照設計參數運行，所以未在表中列出。

表2 不同模擬工況參數設置表

2.3 模型驗證

2020 年8 月至9 月，在辦公建筑5 層一南向房間進行實驗測試，實驗研究對象為地板輻射和置換通風供冷復合系統，比較實驗測量值和模擬結果，以驗證模型的準確性。 模擬中的天氣條件與室內熱源等外擾條件按照實驗情況設置。 室內空氣溫度和濕度測點在實驗房間兩處支架的豎直高度分別為0.1、0.6、1.1、1.7 和 2.5 m 處及房間中心 1.1 m 處布置(如圖 3 所示)。 選取 8 月 13—17 日的室內溫度、室內相對濕度數據進行對比，可以看出室內溫度、室內相對濕度的實測數據與模擬數據比較吻合，且計算得到室內溫度數據的平均偏差誤差[15]為0.22、平均方根誤差[15]為0.46，室內相對濕度數據的平均偏差誤差為0.7、平均方根誤差為3.43，其誤差均較小，說明模型精度較高，模擬研究可靠。

圖3 模擬與實測數據對比圖

3 模擬結果與分析

3.1 模擬工況舒適性與能耗分析

不同模擬工況的調控措施下的地面溫度與露點溫度溫差最小值ΔTmin，操作溫度最大值Top_max，舒適性指標平均熱感覺指數(Predicted Mean Vote， PMV)與能耗結果見表3，其中工況2 的能耗僅為置換通風系統能耗，不包括地板輻射供冷系統能耗，工況1、3、4、5、6 的能耗包括置換通風系統能耗與地板輻射供冷系統能耗。 各工況工作時間內 (9:00—17:00)，地面溫度均高于露點溫度，地板表面不會發生冷凝結露，其操作溫度最大值＜27 ℃、PMV 均在-1～1 之間。

表3 工作時間內(9:00—17:00)不同模擬工況運行控制結果表

3.2 模擬運行控制分析

3.2.1 間歇運行工況

圖4 為不同間歇運行方式下的室內溫度、濕度對比。 可以看出間歇運行1 的室內溫度始終高于間歇運行2 與3 的室內溫度。 起初地板蓄存較多熱量，地板表面附近溫度梯度大[16]，且室內余熱量較大，間歇運行2 的地板供水流量高于間歇運行3 的地板供水流量，換熱效率更高，室內溫度最早開始下降。 運行期間輻射地板內的供水持續釋放冷量，輻射地板供冷能力逐漸增強，較低的供水溫度使間歇運行3 的輻射地板對室內熱環境的冷卻潛力更大，室內溫度逐漸低于間歇運行2 的室內溫度。 間歇運行3 的濕度高于間歇運行1 與2 的濕度，7 月6 日在供冷系統運行期間，間歇運行3 的濕度基本＞65%。結合上述分析及表3 列出的能耗和舒適性，表明間歇運行1 的操作溫度較高且能耗較大，間歇運行3的舒適度指標PMV 為負值，偏離熱舒適中性較遠，相比間歇運行1，間歇運行2 供水流量在減少30%的情況下，供水溫度降低2 ℃，仍能增強輻射地板對室內熱環境的冷卻潛力，為地板輻射供冷系統的最優間歇運行方式。

圖4 不同間歇運行方式對室內熱環境的影響圖

3.2.2 系統啟動前高濕工況

輻射板表面在輻射供冷系統啟動階段有結露風險，應提前開啟新風系統進行預除濕[17-18]。 圖5 為4 種預除濕措施下的室內濕度變化情況。 7 月19 日系統啟動前室內濕度＞90%，高濕1 措施到高濕3 措施中置換通風系統都在7:00 (提前工作時間2 h)與地板輻射系統同步開啟，以恒定風量送風，高濕4措施中置換通風系統在預除濕時間段 (7:00—9:00)內以大風量送風，除濕力度較大，以達到短時間內去除大量余濕的效果，到工作時間再減小風量應對室內持續的產濕。 在工作時間9:00，高濕1 和2 措施的室內相對濕度仍高于65%，高濕3 和4 措施的室內相對濕度均＜65%。 隨著室內人員增多，向室內散濕，室內濕度下降速率減緩。 4 種調控措施中高濕3 和4 措施均滿足除濕要求，而高濕4 措施能耗較低。 由此得到置換通風系統可以提前2 h 開啟，在室內沒有人員產濕的情況下以大風量400 kg/h 高強度除濕，在工作時間9:00 室內濕度降到60%的基礎上減小風量到200 kg/h，承擔工作時間內持續產生的濕負荷，使室內產濕與除濕維持動態平衡狀態，保證室內濕度滿足設計要求。

圖5 4 種置換通風系統預除濕措施下室內相對濕度變化情況圖

3.2.3 室內得熱突增工況

在室內得熱量突然增加情況下，4 種復合系統調控措施對應的室內溫濕度變化對比如圖6 所示。7 月4 日8:00 室內熱源突然增加引起室內熱濕負荷增加，得熱突增1 的室內溫度和濕度在室內熱源增加后明顯上升，其溫度最高接近27 ℃，而濕度最大時＞70%；得熱突增措施2 中置換通風系統在室內熱源增加時加大送風量，降低送風溫度，在室內熱源數量降為原值時恢復原運行參數，室內溫度、濕度上升幅度明顯減小，均維持在舒適范圍內。 得熱突增3 措施中在室內熱源增加時增大送風量，降低送風溫度，但在室內熱源數量降為原值1 h 后，置換通風系統恢復至原運行參數，使室內突增的熱濕負荷得到充分的處理。 得熱突增4 措施中，在室內熱源增加0.5 h前增大地板供水量，在室內熱源增加時加大風量降低送風溫度，在室內熱源數量降為原值時減少地板供水量至原水量，1 h 后置換通風系統恢復至原運行參數，與其他措施相比，得熱突增4 措施的室內降溫效果較好，但室內濕度在室內熱源增高時段有起伏。 綜合比較3 種改進措施，得熱突增3 的室內溫濕度控制效果最好，所以得熱突增3 措施為最佳調控措施。 由此可知室內熱源增加時，可以增大置換通風系統供冷量，送風系統響應較快，相比地板輻射系統，更適用于負荷突增情況；同時起到補充供冷作用，及時去除室內增多的熱濕負荷，避免室內溫度、濕度過度升高影響室內舒適度，將室內溫度、濕度維持在規定范圍內。

圖6 室內得熱突增情況下復合系統調控對室內熱環境的影響圖

3.2.4 室內高得熱量工況

圖7 為室內高得熱量情況下4 種復合系統調控措施對應的室內溫度濕度對比。 7 月31 日室外溫度較高，最高溫度＞35 ℃，由室外向室內的傳熱量較多。 在高得熱1 措施中隨著室內熱源增加，室外溫度越來越高，室內溫度持續升高，濕度開始逐漸增大，在供冷系統運行期間室內溫度一直處于較高水平，基本維持在26.8 ℃。 高得熱2 措施中在8:00增大送風量，降低送風溫度，室內溫度上升幅度減小，室內濕度維持在＜60%。 基于變水溫控制能夠更快響應室內熱環境變化[19]，對室內溫度的影響較大，高得熱3 與4 措施都在7:00 增大地板供水量，降低供水溫度，但對送風量與送風溫度的調整量不同，兩種調控措施下的室內溫度濕度接近。 3 種改進措施下，室內溫度、濕度在室內得熱量越來越多時均能得到有效控制，維持在適宜范圍，不同于高得熱2 措施，高得熱3 與4 措施同時調整地板輻射系統與送風系統的運行參數，供冷性能更穩定，舒適性更高，而高得熱3 措施能耗較低，所以高得熱3 措施為最佳調控措施。 此外，室內高得熱量情況下，由于輻射地板換熱面積很大，能夠通過輻射換熱有效降低其他內表面溫度，去除通過圍護結構的熱增益，可以優先調整輻射地板運行參數，送風系統補充供冷，增大供冷量，從而降低峰值負荷，保證室內熱舒適。

圖7 室內高得熱量情況下復合系統調控對室內熱環境的影響圖

3.2.5 室內低得熱量工況

圖8 為室內低得熱量情況下4 種復合系統調控措施對應的室內溫度、濕度變化對比。 7 月5 日室外溫度較低，其最高溫度＜30 ℃，從室外進入室內的熱量較少。

圖8 室內低得熱量情況下復合系統調控對室內熱環境的影響圖

在低得熱1 措施中，復合供冷系統運行時間內室內溫度較低，在25.6 ℃波動、濕度＜60%，說明可以適當減少系統供冷量，去除室內較少的熱濕負荷。低得熱2 措施中減小風量，與低得熱1 相比室內溫度濕度未產生較大變化。 低得熱3 措施中減小送風量，同時減小地板供水量，室內溫度濕度有所上升，仍處于舒適范圍內，能夠保證較好的室內供冷效果。與低得熱2 措施相比，低得熱3 措施增加了對地板供水參數的調節，減少了地板供冷量，能夠避免空氣溫度升高、地面溫度偏低導致的冷凝結露，減弱不對稱輻射溫度對舒適度的負面影響，且節省更多的能耗。 低得熱4 措施中送風量減少較多，使室內濕度過高，超出可接受范圍。 低得熱3 措施為最佳調控措施，室內得熱量較小時，其可以同時減小地板供冷系統與置換通風系統供冷量，使供冷量與需求量相匹配，既能節省能耗，又足以使室內溫度濕度滿足設計要求。

4 結論

通過上述研究可知:

(1) 不同間歇運行方式中設計運行參數供水量為0.6 m3/h、供水溫度為18 ℃更具優勢，并且在輻射地板供水流量減少30%的情況下，供水溫度可降低2 ℃，仍能保持地板輻射系統的冷卻潛力。

(2) 在啟動前高濕工況中，置換通風系統需要提前2 h 的工作時間，室內沒有人員產濕的情況下以送風量400 kg/h 運行，高強度除濕，到工作時間(9:00)減小至200 kg/h，有效降低室內濕度到＜65%。

(3) 在室內得熱突增工況中，室內熱源增加時，置換通風系統送風量宜增大到400 kg/h，送風溫度降低2 ℃；在室內熱源發熱量降為初始值1 h 后調整到原運行參數，說明送風系統響應較快，更適用于負荷突增情況。 在室內高得熱量工況中，地板輻射系統供水量宜在系統啟動時增加到0.8 m3/h，供水溫度降低1 ℃，送風量宜在人員進入室內時增大到300 kg/h，送風溫度降低2 ℃，表明優先調整輻射地板運行參數能夠更有效應對室內高得熱情況。 在室內低得熱量工況中，地板供水流量、送風量分別減少到0.3 m3/h、150 kg/h，仍能維持室內溫濕度在規定范圍內。