輻射誘導送風一體化空調系統控制特性實驗研究

司 強，李 淵，彭佑鋼，沈阿雷

（1.常州工程職業技術學院建筑工程學院，江蘇常州；2.智方設計股份有限公司，江蘇南京；3.江蘇克力空調有限公司，江蘇常州）

引言

輻射空調系統比采用對流末端的傳統空調系統具有更高的舒適性、穩定性和節能性[1-2]，但是無法處理室內新風和潛熱負荷[3]。為了解決這個問題，充分發揮輻射空調系統的優勢，目前主要采用同時安裝輻射和新風兩套冷熱源和末端系統的方案，并且通過溫濕度獨立和預除濕的方法進行控制[4]。然而新風系統的送風末端和與輻射末端的組合難度大，有控制系統復雜、設備占用空間多、施工與檢修難度大等缺點，并且新風系統的送風溫度較低，需要再熱或氣流組織以防止降低室內舒適性，送風形式受很大局限。

輻射誘導送風一體化空調系統是一種輻射空調和送風的新型耦合系統，具有大幅度簡化復合系統，容易控制和更有效防止結露等優勢，并且在啟動特性實驗中顯示了響應速度快的特點[5]。本文進一步通過實驗研究輻射誘導送風一體化空調系統的室內舒適性。通過調節送至輻射誘導送風一體化末端的一次風量和溫度，研究其對室內溫度分布、PMV 指標等的影響。

1 實驗系統描述和運行原理

本文的實驗系統建于一間辦公室內，該辦公室尺寸為6.5 m(d)×6 m(w)×2.6 m(h)。墻面為抹灰表面的蒸壓加氣混凝土砌塊，北墻安裝有采光窗。圖1 為輻射誘導送風一體化末端(以下簡稱一體化末端)。實驗室內一共安裝有4 臺一體化末端并且均可以獨立控制一次風量。一體化末端的箱體上部接靜壓箱，內部有混合室、誘導風道和底部的開孔輻射板等部件。其運行原理為，一次風通過靜壓箱的條形噴嘴以平面射流的形式送入混合室內，從而在噴嘴和混合室入口之間形成負壓，誘導室內回風進入輻射板兩側的誘導回風口，然后通過誘導風道進入混合室內和一次風混合。混合空氣與開孔輻射板換熱后通過輻射板上的送風孔進入室內。

圖1 一體化末端剖面圖

圖2 輻射誘導送風一體化空調系統圖

2.1.1 垂直溫度分布

圖3 給出了夏季不同一次風量下的垂直溫度分布。可以看出，室內溫度分布為天花板溫度較高，工作區內隨著高度降低溫度先升高后逐漸穩定，高度1.8 m 以下垂直方向溫度差小于0.5 ℃。溫度分層主要出現在一體化末端下方至2 m 高度之間，一次風量對溫度分布的影響也主要體現在這個區域，一次風量越大，溫度梯度越小。

圖3 夏季上回風口時的垂直溫度分布

實驗系統如圖2 所示，除了安裝于辦公室內的一體化末端以外，系統還包括空氣處理機組以及采用非共沸混合制冷劑的雙蒸發器制冷機組，該機組制冷時可提供6～18 ℃的冷媒水。機組內安裝有低溫蒸發器和高溫蒸發器，可以將通過高溫套管式蒸發器和低溫套管式蒸發器連續蒸發換熱所得的低溫冷媒水送至分段式空氣處理機組的表冷段對一次風進行達到冷卻除濕。

2 實驗結果與分析

2.1 室內溫度分布

從一體化末端運行原理可以看出，可控制且影響室內溫度場分布的因素主要有一次風量和一次風溫度，本文通過實驗研究一次風量、一次風溫度和回風口位置對室內溫度分布的影響規律。對于結構一定的噴口，其誘導比隨著一次風量的增大而增大，當一次風量增至一定值時，誘導比即不再變化。定義誘導比初次達到最大值時的一次風量為特征一次風量，以此為特征參量，將一次風量無因次化并定義為一次風量系數φp=Gp/Gsp，其中Gp為一次風量，Gsp為特征一次風量。實驗過程中啟動室內4 臺一體化末端，設定條形噴口開口尺寸均為6 mm，其對應的特征一次風量為200 m3/h，選取0.75、1.00、1.25、1.50 和1.75 的5 種一次風量系數φp進行測試。夏季工況時，一次風溫度為16 ℃，室內熱環境穩定時室外溫度為32±1 ℃。

2.1.2 水平溫度分布

圖4 給出了夏季一次風量對室內水平溫度分布的影響。由于辦公室內人員大部分時間為坐姿，因此選取坐姿時頭部高度1.1 m 進行研究。可以看出，不同一次風量下室內水平方向溫度分布規律基本相同。當系統運行至室內熱環境穩定后，鄰接室外環境的北外墻溫度最高，沿南北方向逐漸降低，一體化末端正下方溫度最低。隨著一次風量的增加，一體化末端正下方溫度變化幅度不大，但是以溫度最低點為中心，周邊溫度場逐漸趨于均勻。φp=0.75 時室內溫度水平方向最大溫度差為1.73 ℃，φp=1.50 時室內溫度水平方向最大溫度差為1.22 ℃，一次風量的增大可以改善室內水平方向溫度分布的均勻性，但是無法消除一體化末端下方和北外墻附近之間的溫度差。

圖4 夏季一次風量對室內水平溫度分布的影響

2.2 一次風對PMV(預計平均舒適度,Predicted Mean Vote)指標的影響規律

圖5 給出了冬夏季PMV 指標隨著一次風量系數φp的變化規律。夏季PMV 指標隨著φp的增大逐漸減小，且變化幅度越來越大。當φp在1.25 以下時，室內舒適度隨著φp的增大而提高，但是φp達到1.5 時，室內舒適度降低，并且隨著φp增加至1.75，PMV 低于-0.5，超出了ASHARE 規定的舒適性標準。冬季PMV指標隨著一次風量系數φp的增大逐漸增大，而變化幅度越來越小。室內舒適度隨著φp的增大逐漸提高，但是φp達到1.5 時，提升幅度減小。當室內處于舒適狀態時，風速對PMV 指標的影響不大，但是可以看出，當φp達到1.5 以上時，風速對測點所測得的PMV 指標產生了明顯的影響。過大的一次風量在夏季使室內環境過冷，在冬季則抑制了室內環境隨著一次風量增加而變暖的趨勢。

圖5 PMV 指標隨著一次風量系數φp 的變化規律

定義溫差系數△tnon為室外環境溫度與一次風溫度之差與室內溫度與一次風溫度之差的比值，即：

將在所有實驗工況中PMV 指標在-0.5 至+0.5之間，滿足舒適性標準的一次風量系數和一次風溫度以及相應的室內外溫度和溫差系數整理后，進一步將一次風量系數φp和溫差系數△tnon繪制成曲線圖，可以發現兩者之間呈現線性變化的趨勢，如圖6 所示。

圖6 一次風量系數φp 和溫差系數△tnon 之間的關系

通過式（2）和式（3），可以根據冬夏季的室外溫度和室內設計溫度得出滿足舒適性標準的一次風量和溫度。

3 結論

本文通過實驗研究了輻射誘導送風一體化空調系統的室內舒適性，得出了以下結論：

（1） 夏季一次風量對溫度分布的影響主要體現在一體化末端下方至高度2 m 之間，溫度梯度隨著一次風量的增大而減小。夏季工況下地板附近空氣溫度之間的差值小于0.3 ℃。室內水平方向溫度分布的均勻性隨著一次風量而提高，最大溫差始終在一體化末端下方和北外墻附近之間。

（2） 夏季PMV 指標隨著φp的增大逐漸減小，且變化幅度越來越大。冬季PMV 指標隨著一次風量系數φp的增大逐漸增大，而變化幅度越來越小。冬夏季均在φp達到1.50 時PMV 指標的變化規律出現轉變。冬夏季PMV 指標均隨著一次風量溫度的提高而線性增長。根據滿足舒適性標準的一次風量系數和一次風溫度，以及相應的室內外溫度和溫差系數發現一次風量系數φp和溫差系數之間呈現線性變化的趨勢。