建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)毛細(xì)管輻射系統(tǒng)供冷能力的影響

樓燕進(jìn)

寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司

近年來(lái)，毛細(xì)管輻射系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，相關(guān)研究增多。陳焜等通過(guò)理論研究提出了對(duì)于毛細(xì)管輻射系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[1]。劉前龍等利用數(shù)值模擬研究了毛細(xì)管表面結(jié)露的情況[2]。楊涵宇等通過(guò)管網(wǎng)傳熱研究得到與系統(tǒng)運(yùn)行效果的關(guān)系[3]。Mikeska 等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)室內(nèi)溫度比供水溫度高4K 時(shí)，室內(nèi)溫度舒適性較好[4]。陳金華等通過(guò)研究確定了系統(tǒng)最佳供水溫度[5]。毛細(xì)管輻射系統(tǒng)前景較好，但是依然存在供冷能力不足、結(jié)露、初投資高等問(wèn)題。目前對(duì)毛細(xì)管輻射系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有側(cè)重考慮到圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)毛細(xì)管系統(tǒng)的影響。不同的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工條件，毛細(xì)管輻射系統(tǒng)的供冷能力差異較大。因此，本文對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與毛細(xì)管輻射系統(tǒng)供冷能力關(guān)系進(jìn)行研究，為工程實(shí)踐提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置分析

本文以夏熱冬冷地區(qū)某住宅建筑為例，建筑面積800 m2，空調(diào)面積328 m2。其中，建筑房間內(nèi)空調(diào)負(fù)荷為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、室內(nèi)人員負(fù)荷和室內(nèi)燈光設(shè)備負(fù)荷的總和，因此控制后三項(xiàng)負(fù)荷不變，以此建筑為研究模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，具體建筑平面圖如圖1 所示。

圖1 建筑平面圖

該住宅采用毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26 ℃，相對(duì)濕度60%。毛細(xì)管輻射末端處理室內(nèi)顯熱，室內(nèi)潛熱由新風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)承擔(dān)。在第一季供冷過(guò)程中，室內(nèi)溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，且電費(fèi)較高，現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)主要是由于以下原因：1）外圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本上都是落地玻璃外窗，沒(méi)有外窗簾；2）天井改造成陽(yáng)光屋，玻璃屋面，也沒(méi)有遮陽(yáng)措施；3）屋面是人字型坡屋頂，現(xiàn)澆水泥屋蓋，屋蓋上面是小青瓦，沒(méi)有做保溫。綜上可以看出，毛細(xì)管系統(tǒng)供冷能力不足的主要原因是建筑本身的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工條件較低。

對(duì)于不同的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，室內(nèi)冷負(fù)荷、室內(nèi)空氣溫度和外墻體內(nèi)壁溫度都不同，這些都會(huì)影響毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)制冷設(shè)計(jì)量、毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)與室內(nèi)空氣對(duì)流換熱量和輻射板與墻體壁輻射換熱量。

2 供冷能力計(jì)算

對(duì)于毛細(xì)管系統(tǒng)，其直徑、布置間距、填充層、地面面層熱阻和房間與冷媒參數(shù)間的對(duì)數(shù)平均溫差等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)地板輻射供冷能力都有直接影響。本文不考慮輻射空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)供冷量的影響，僅考慮輻射板與室內(nèi)的換熱。若忽略燈光等內(nèi)熱源對(duì)輻射換熱的影響，輻射板與室內(nèi)環(huán)境之間的換熱主要包括直接被冷表面所吸收的輻射傳熱量，以及冷表面以對(duì)流方式傳到室內(nèi)空氣的對(duì)流傳熱量，即對(duì)流供冷量和輻射供冷量?jī)刹糠郑椛涔├湎到y(tǒng)供冷量表達(dá)式如下：

式中：Qt為地板供冷總量，W/m2；Qr為地板與房間其他表面（本文只考慮墻體體和外窗）的輻射供冷量，W/m2；Qc為地板與室內(nèi)空氣間的對(duì)流供冷量，W/m2。

輻射供冷量計(jì)算式如下[5]：

式中：εf和εi分別為地面及房間其它表面的發(fā)射率；Af和Ai分別為毛細(xì)管網(wǎng)輻射面積和其他表面面積，m2；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；Tf為地板表面熱力學(xué)溫度，K；Ti為房間其他表面熱力學(xué)溫度，K；Ff-i為地板與其他表面的輻射換熱角系數(shù)。

對(duì)于對(duì)流供冷量計(jì)算式為：

式中：hc為毛細(xì)輻射管網(wǎng)外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ac為毛細(xì)管輻射面積，m2；tn為房間空氣熱力學(xué)溫度，K；tf為地板表面熱力學(xué)溫度，K。

在夏季工況下，毛細(xì)管輻射面是低溫輻射面，如果有濕熱空氣涌入就容易導(dǎo)致輻射面結(jié)露，往往需要設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)室內(nèi)潛熱。但當(dāng)房屋圍護(hù)負(fù)荷指標(biāo)大于節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，風(fēng)系統(tǒng)就還要承擔(dān)毛細(xì)管處理不了的顯熱，能耗就會(huì)增加。當(dāng)毛細(xì)管管壁接觸面的溫度達(dá)到其16.8 ℃的露點(diǎn)溫度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生冷凝水。所以應(yīng)使其溫度不易過(guò)低，當(dāng)毛細(xì)管夏季供水溫度上升到20 ℃以上，其所需的供冷量增大，制冷效率衰減倍增，相應(yīng)也就無(wú)法將毛細(xì)管輻射空調(diào)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)。

假設(shè)室外熱量透過(guò)外墻體進(jìn)入室內(nèi)為穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，熱量從外墻體外壁傳到內(nèi)壁的導(dǎo)熱傳熱量和內(nèi)壁與室內(nèi)空氣的對(duì)流熱交換量相等，則有：

式中：h內(nèi)為內(nèi)壁與室內(nèi)空氣對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；tn為室內(nèi)空氣熱力學(xué)溫度，K；tf內(nèi)為內(nèi)壁壁面溫度，K；tf外為外壁壁面溫度，K；λ 為外墻體導(dǎo)熱率，W/(m·K)；δ 為外墻體厚度，m。

3 影響因子分析

3.1 單一參數(shù)分析

本文主要通過(guò)采用不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，進(jìn)行理論研究，當(dāng)外窗或墻體的材料熱工特性不同時(shí)，計(jì)算設(shè)計(jì)房間某日供冷能力，結(jié)果如表1 所示。

表1 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)供冷能力情況

由表1 可得墻體和外窗的傳熱系數(shù)K 對(duì)系統(tǒng)供冷能力的影響，結(jié)果如圖2、圖3 所示。不同外圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有不同壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K 和對(duì)流傳熱系數(shù)h 內(nèi)，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)改變后，其相應(yīng)的傳熱系數(shù)也會(huì)改變，從而影響壁溫，導(dǎo)致低溫地板輻射板與墻體壁間的輻射傳熱量改變。另外，在輻射供冷的空調(diào)房里，外墻內(nèi)壁面溫度增大，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)與人體輻射換熱量減小，降低了人體舒適度。外墻材質(zhì)改變后，透過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入室內(nèi)的熱量發(fā)生變化，從而影響了室內(nèi)空氣溫度，使系統(tǒng)對(duì)流供冷量發(fā)生變化。因此，在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。

圖2 墻體傳熱系數(shù)對(duì)系統(tǒng)供冷能力的影響變化規(guī)律

圖3 外窗傳熱系數(shù)對(duì)系統(tǒng)供冷能力的影響變化規(guī)律

除墻體體外，外窗的傳熱系數(shù)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)輻射供冷量的影響也很大，外窗的遮陽(yáng)系數(shù)越小，進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱量。夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，室外熱量更容易透過(guò)外窗進(jìn)入室內(nèi)，使室內(nèi)熱量增加，溫度升高，增大空調(diào)系統(tǒng)能耗。因此，無(wú)論是墻體還是外窗，當(dāng)采用不同的材料時(shí)，室內(nèi)負(fù)荷及空調(diào)系統(tǒng)能耗有所差異，還會(huì)影響室內(nèi)墻壁，室內(nèi)物體和室內(nèi)空氣的溫度，從而影響輻射空調(diào)系統(tǒng)的供冷能力。

由于毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)有恒溫恒濕恒氧、除塵無(wú)噪、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)在新建建筑中開(kāi)始大面積應(yīng)用，但在決定是否采用毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料是否符合要求，并考慮太陽(yáng)照度等，否則會(huì)影響毛細(xì)管空調(diào)系統(tǒng)的最終效果。

3.2 參數(shù)正交分析

墻體和外窗的傳熱系數(shù)以及窗墻比都是毛細(xì)管空調(diào)系統(tǒng)供冷能力的重要影響因素。為進(jìn)一步分析三者對(duì)毛細(xì)管空調(diào)系統(tǒng)供冷能力的影響，現(xiàn)利用正交試驗(yàn)分析墻體傳熱系數(shù)、外窗傳熱系數(shù)和窗墻比對(duì)毛細(xì)管空調(diào)系統(tǒng)供冷量的影響大小。

選取東南方向陽(yáng)光書(shū)房作為試驗(yàn)房間，東面和南面為外墻體，西面和北面為內(nèi)墻體，房間尺寸為5200 mm×4000 mm×3600 mm。夏季室內(nèi)空氣氣流速度定位0.25 m/s，室外定為2 m/s，室內(nèi)溫度tf1=26 ℃，室外溫度tf2=34.6 ℃。現(xiàn)通過(guò)改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件，對(duì)房間內(nèi)系統(tǒng)供冷量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 各因子正交試驗(yàn)水平值

墻體傳熱系數(shù)，外窗傳熱系數(shù)和窗墻比為本文試驗(yàn)研究過(guò)程中的3 個(gè)因素，分別記為A、B、C。根據(jù)正交試驗(yàn)原理，在保證任一因素在任一水平與其他因素的任一水平有且僅相碰一次的前提下，進(jìn)行試驗(yàn)。Ⅰ為各對(duì)應(yīng)列水平1 對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和。Ⅱ?yàn)楦鲗?duì)應(yīng)列水平2 對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和。Ⅲ為各列水平3 對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和。T 為透過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷正交試驗(yàn)結(jié)果各因素的極差值，反映出各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。

在試驗(yàn)過(guò)程中，為滿(mǎn)足規(guī)范節(jié)能要求，墻體傳熱系數(shù)K＜1 W/(m2K)。結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)計(jì)算可得結(jié)果具體如表3 所示。

表3 正交試驗(yàn)分組及結(jié)果

通過(guò)表3 可以分析出如下結(jié)論：

1）T3＞T1＞T2，可見(jiàn)對(duì)透過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入室內(nèi)的冷負(fù)荷大小來(lái)說(shuō)，窗墻比是影響冷負(fù)荷大小的主要因素，墻體材料、外窗材料次之。T1與T2相差不大，即墻體材料和外窗材料對(duì)透過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入室內(nèi)冷負(fù)荷影響相近，系統(tǒng)供冷能力相近。

2）就墻體材料來(lái)說(shuō)，Ⅰ1、Ⅱ1、Ⅲ1 依次均勻遞增；就外窗材料來(lái)說(shuō)，Ⅰ2、Ⅱ2、Ⅲ2依次均勻遞增，即隨著墻體或外窗傳熱系數(shù)K 的增加，進(jìn)入室內(nèi)冷負(fù)荷增大，系統(tǒng)供冷能力增大。

3）就窗墻比來(lái)說(shuō)，由Ⅰ3、Ⅱ3、Ⅲ3依次均勻遞增可以看出：隨著窗墻比的增大，進(jìn)入室內(nèi)冷負(fù)荷增大，系統(tǒng)供冷能力增大。

由于外窗的主要功能是采光、通風(fēng)等，在一般情況下,應(yīng)以滿(mǎn)足室內(nèi)采光要求作為窗墻比的確定原則，來(lái)規(guī)定窗墻比的數(shù)值是它能基本滿(mǎn)足較大進(jìn)深房間的采光要求[7]。因此，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)極其重要，房屋的結(jié)構(gòu)越保溫且避免冷橋，節(jié)能優(yōu)勢(shì)及毛細(xì)管及配套風(fēng)系統(tǒng)初期投資越明顯。外窗、墻體的材料和大小都是影響毛細(xì)管供冷能力、系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)能否完全發(fā)揮出來(lái)的重要影響因素，但在設(shè)計(jì)時(shí)不能只考慮其對(duì)供冷能力的影響，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)更應(yīng)考慮成本和舒適度。

4 結(jié)論

外窗的傳熱系數(shù)、墻體的傳熱系數(shù)、窗墻比是毛細(xì)管空調(diào)系統(tǒng)供冷能力的影響因素。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能較差時(shí)，無(wú)法發(fā)揮毛細(xì)管的眾多優(yōu)勢(shì)，且嚴(yán)重存在供冷能力不足的問(wèn)題。故在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初期應(yīng)根據(jù)建筑性質(zhì)、建筑朝向及所處地點(diǎn)來(lái)決定選用毛細(xì)管空調(diào)系統(tǒng)的適應(yīng)性。通過(guò)正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)墻體的極差為0.08，外窗的極差為0.07，窗墻比的極差為0.22，即窗墻比對(duì)系統(tǒng)供冷能力的影響最大。因此，在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)首先考慮窗墻比對(duì)系統(tǒng)供冷能力的影響。