輻射供冷位置對室內熱舒適和能耗的影響分析

張雨虹，宋永興，張林華

(山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

傳統空調系統通過對流換熱實現制冷，而輻射供冷則主要利用輻射換熱實現房間的冷卻[1]。 輻射供冷具有節能、室內熱舒適性高等明顯優勢。 輻射板可以布置在地面、頂板或墻壁，形成不同的供冷方式[2]。 采取獨立新風，可以解決輻射供冷輻射面容易結露和滋生細菌的問題，輻射供冷加獨立新風的復合空調系統可以實現溫度、濕度的獨立控制，具有提供新風、清潔、室內熱舒適性高等優點[3]。 近年來，學者們對不同輻射供冷末端位置的傳熱性能和室內熱環境開展了相關研究。 Chiang 等[4]運用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬與實驗結合的方式，研究了輻射頂板供冷在辦公室的舒適性，并提出了改進建議。 夏夢寒等[5]采用Airpak 軟件數值模擬了郵輪艙室不同輻射供冷末端位置的舒適性，對比分析了艙室內溫度和速度分布，表明輻射供冷頂板在x 軸方向的溫度分布更加均勻。 黃立志等[6]采用能耗分析軟件EnergyPlus 分析了7 種輻射供冷方式的熱舒適和能耗，發現“風機盤管＋頂板輻射＋雙壁面輻射”的組合供冷方式舒適性和節能效果最佳。 Valdiserri 等[7]對醫院輻射供暖系統進行模型及實驗分析，分析了影響室內熱舒適的響因素，包括室內空氣溫度、相對濕度及預測平均投票(Predicted Mean Vote， PMV)、預測不滿意百分數( Predicted Percentage of Dissatisfied， PPD)等，發現提供中性空氣時達到最佳的熱舒適度。 楊雨佳等[8]分析了冷輻射板位于辦公室頂棚、地板、側墻上部和側墻下部的室內溫度場和流場，得出垂直墻壁上側布置的供冷效果最佳的結論。 楊冬等[9]從室內垂直溫差、PMV－PPD 指標以及吹風感等方面對比了地面和頂板輻射供冷的熱舒適情況。

目前對地面和頂板輻射供冷的研究較多，但僅分析了室內熱環境，對墻面以及熱舒適和能耗的綜合分析研究較少。 因此，文章采用新型空調系統－輻射供冷加獨立新風的復合空調系統，對比分析地面、頂板和墻面3 種輻射供冷位置對房間舒適度和能耗影響規律。

1 房間模型的建立

1.1 房間幾何模型

以山東建筑大學地下工程訓練中心實驗室某房間為研究對象，其面積約為25 m2、高度為2.7 m。建筑為南北朝向，其中兩扇窗位于南外墻，長和高均為1.8 m；門位于北內墻，長和高分別為0.9、2.1 m，窗墻比為21.65。 根據房間建筑尺寸構建房間三維模型，如圖1 所示。 房間的長和寬均為5.0 m、高為2.7 m。 x、y、z 方向分別為房間的西面、北面和高度方向。

圖1 房間幾何模型示意圖

1.2 數值邊界條件及參數設定

辦公樓為鋼筋混凝土框架結構，外墻保溫采用聚苯乙烯板，其總厚度為0.276 m，傳熱系數為0.504 W/(m2·K)。 太陽輻射吸收系數為0.7，而內、外表面換熱系數分別為3.06、17.78 W/(m2·K)；外窗玻璃為Low－E 中空玻璃，玻璃傳熱系數為1.1 W/(m2·K)，內、外遮陽系數均為0.5。 地板材料和結構與傳統公共辦公建筑標準地板結構一致。

輻射末端為金屬輻射板，由形狀相同的長條形肋片組成，盤管由卡槽安裝在肋片中，其間距為200 mm，外徑為20 mm，管壁厚度為2 mm。 輻射板換熱主要包括:(1) 管內的冷媒通過對流和導熱將熱量傳遞到管壁；(2) 管壁通過導熱將熱量傳遞到輻射板上；(3) 輻射板表面通過對流和輻射形式與整個空間進行熱量交換[10]。

室外氣象參數選取濟南夏季典型氣象日參數，由全球氣象資料軟件Meteonorm 導出，根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[11]，普通辦公建筑室內輻射空調設計溫度為27 ℃。 室內熱源主要為人員、照明和設備，人均新風量為30 m3/h[12]、人體服裝熱阻為0.7 clo、人體的代謝率為69.78 W/m2、人體的機械效率為0，每人及單個設備的內擾使用情況見表1。

表1 房間單位內熱源參數 單位:kJ·h－1

2 輻射供冷加獨立新風復合空調系統的建立

2.1 負荷模擬與系統選型

雙冷源輻射空調系統原理如圖2 所示。 采用兩個冷水機組，即提供輻射供冷的高溫冷水機組和提供新風的低溫冷水機組，可以最大地發揮輻射末端的供冷能力。 新風系統承擔了室內全部的潛熱負荷，同時又減少了冷量的提供[13]。 這種能夠實現獨立控制溫濕度的系統可以有效防止輻射壁面結露，從而提高室內空氣品質和熱舒適性，也可以顯著提高空調系統的能效。

圖2 雙冷源輻射空調系統原理圖

結合濟南地區室外天氣數據，連接瞬時系統模擬程序( Transient System Simulation Program，TRNSYS)中的Type56 模塊和TRNBuilding 模塊[14]，模擬建筑夏季冷負荷，其模擬系統如圖3 所示。 模擬時間設為3 624～6 192 h(2022 年6 月1 日0:00—9 月16 日23:59)。 負荷模擬結果如圖4 所示，可以看出冷負荷在夏季波動較大，其最大值為1.44 kW，出現在7 月24 日10 時(全年第4 906 h)。 冷負荷大部分時間都低于0.8 kW，在7 月11 日、7 月12日、7 月24 日、8 月11 日處于高峰期，這段時間也是室外溫度較高的時間。

圖3 負荷模擬系統圖

圖4 負荷模擬結果圖

根據冷負荷進行空氣源熱泵機組選型[15]，高溫冷水機組額定制冷量為1.0 kW，冷凍水出水溫度為14 ℃；低溫冷水機組額定制冷量為1.1 kW，冷凍水出水溫度為7 ℃。 兩個機組的額定機組能效比(Coefficient of Performance， COP)均為3.225。

新風系統的功率Pf由式(1)表示為

式中G為新風量，m3/ h；pq新風機全壓，Pa；ηf為新風機效率。

水泵的流量和功率分別由式(2)和(3)表示為

式中V 為水泵流量，m3/h；Qr為機組額定制冷量，kW；ΔT 為供回水的溫差，℃；Pb為水泵功率，kW； H為水泵揚程，m；ηb為水泵效率。

假設辦公室內的人數為2，新風量則為60 m2/h，新風機全壓為400 Pa，效率為0.65，則水泵參數計算結果見2。

2.2 系統模型

利用TRNSYS 軟件建立了輻射供冷加獨立新風的復合空調系統模型，如圖5所示，包括天氣數據、建筑模型、冷水機組、新風機組、水泵、控制部件以及輸出。 其中，第1 部分是外部參數的設置，氣象數據為濟南市室外氣象參數，包括室外空氣干球溫度、濕球溫度和太陽輻射強度，與Type56 模塊(建筑物模型)連接提供逐時氣象參數；第2 部分是高溫冷水機組循環系統，主要包括高溫冷水機組和冷凍水泵，提供14 ℃冷凍水進入輻射板為房間制冷；第3 部分是低溫冷水機組循環系統，由低溫冷水機組制造7 ℃冷凍水為室內提供新風，控制室內濕度；第4 部分是Type56 模塊(建筑物模型)，這是系統的關鍵部分，其中圍護結構的參數按照表1 設置，房間內擾按照表2 設置，輻射板的面積、管直徑、流量等參數也在此設置；第5 部分是控制系統，包括時間控制和溫度控制，溫度控制系統控制空調系統室內溫度20～26 ℃范圍內不運行，從而影響冷水機組和水泵的運行，時間控制系統可以控制1 d 內的空調運行時間，該模型是控制空調系統在辦公時間(8:00—18:00)運行。 將設置好的各個部分連接，運行系統，輸出參數，包括房間溫度、相對濕度、冷水機組溫度、含濕量、PMV－PPD、制冷量、能耗、機組COP 等。

表2 水泵參數設置

圖5 輻射供冷加獨立新風復合空調系統模型圖

所建模型包括兩個循環系統:(1) 高溫冷水機組控制的循環系統，在制冷狀態下，低溫低壓的制冷劑通過蒸發器將室內空氣熱量吸收，變為低溫低壓氣體，經壓縮機升溫升壓，再通過冷凝器冷卻，由循環水路將制冷劑所攜帶的熱量吸收，并將熱量釋放到大氣中；(2) 低溫冷水機組控制的循環系統[16]，由新風機組處理為室內提供新風，可承擔全部室內潛熱負荷及部分顯熱負荷，以高于室內空氣露點溫度提供新風，室內輻射末端采用14 ℃高溫冷凍水供冷，使輻射板溫度高于露點溫度，這樣溫、濕度獨立控制可防止結露。

ISO 7730 中用PMV－PPD 指標來評價房間熱舒適性[17]。 人體舒適熱平衡方程由式(4)和(5)[18]表示為

式中M 為人體代謝率，W/s； Q 為熱舒適時能量傳輸率，W/s。

模擬輻射板分別置于地面、頂板和墻面的3 種運行工況，在一般辦公時間(8:00—18:00)，對比分析不同輻射供冷方式對室內熱環境和能耗的影響。

3 結果分析

3.1 熱舒適性分析

3.1.1 相對濕度

相對濕度過大會導致皮膚濕潤度增加，也就是所謂的會感到皮膚“黏著”，從而導致不舒適。 根據舒適性要求，相對濕度應在40%～60%之間。 設計日運行時間8:00—18:00 室內溫度和相對濕度變化如圖6所示。 在8:00—10:00 時段，空氣溫度、相對濕度波動不大，在10:00 時由于太陽輻射增強，室內人員、設備等內擾增強，高溫機組除了承擔熱負荷外，還需承擔一部分新風負荷，室內空氣溫度升高，相對濕度隨即降低。 13:00 時太陽方位角較高，太陽輻射不能直射室內，室內溫度降低，相對濕度迅速升高，可能會造成不舒適感，需要大量的新風來承擔潛熱負荷。 由此可見室內空氣溫度變化影響著相對濕度，氣溫升高，相對濕度減小，氣溫降低，相對濕度增大。 地面、頂板、墻面3 種輻射供冷形式的相對濕度最高值均出現在15:00，其值分別為54.85%、55.86%、57.21%，墻面輻射供冷的相對濕度最大，地面輻射供冷的相對濕度最小。 3 種輻射供冷形式下，室內相對濕度變化趨勢相同，均在40%～60%范圍內波動。

圖6 室內溫度和相對濕度變化圖

3.1.2 輻射壁面溫度

輻射壁面溫度變化如圖7 所示。 3 種輻射壁面溫度在8:00—10:00 緩慢升高，10:00 以后快速下降。 這是由于夏季早上室外溫度逐漸升高，同時圍護結構夜間蓄熱，空調剛開啟時不能充分冷卻壁面，所以輻射壁面溫度緩慢升高。 10:00 之后，空調已經開啟一段時間，輻射壁面充分冷卻，所以溫度快速下降。 頂板溫度下降的最為明顯，這是因為太陽直接照射到墻面，墻面吸收部分短波輻射，而地面有較大的熱惰性，因此地面和墻面的輻射壁面溫度相對較高，減少了輻射板結露的風險。

圖7 輻射壁面溫度變化圖

3.1.3 PMV－PPD 指標

GB 50736—2012 將熱舒適性分為2 個等級[11]，劃分依據見表3。

表3 熱舒適性等級劃分

3 種輻射方式在8:00—18:00 的PMV－PPD 值變化如圖8 所示，PMV 和PPD 的變化趨勢相近。頂板和墻面輻射供冷的PMV 值在0.25 ～0.50 范圍內波動，熱舒適性達到了Ⅰ級標準，地面輻射供冷的PMV 值在12:00—18:00 時段超過了0.5，達到Ⅱ級標準；頂板和墻面輻射供冷的PPD 值都小于10%，熱舒適性達到了Ⅰ級標準，地面輻射供冷的PPD 值在11:00—18:00 時段超過了10%，達到Ⅱ級標準。由此可以看出，3 種輻射供冷形式的熱舒適性為墻面＞頂板＞地面。

圖8 不同輻射供冷形式下室內的PMV－PPD 變化圖

3.2 能耗分析

3.2.1 輻射回水溫度

不同輻射供冷形式的輻射回水溫度隨時間變化如圖9 所示。 高溫冷水機組的出水溫度均設置都為14 ℃，通過改變流量來改變系統的制冷量。

圖9 輻射回水溫度變化圖

8:00 時空調剛開啟，圍護結構儲存了較多的熱量，室內余熱量較大；同時由于剛上班，人員設備等內熱源強度增大，輻射回水溫度較高，空調開啟1 h后，輻射系統持續釋放冷量，室內熱環境逐漸穩定，所以輻射回水溫度下降。 3 種輻射供冷形式的冷凍水回水溫度由高到低為墻面＞頂板＞地面，由于輻射面積相同，可以推測，在達到相同的室內熱環境時，墻面輻射供冷的回水溫度最高，因此機組的COP 值最大。

3.2.2 節能性分析

模擬設計日運行時間在8:00—18:00 時，統計系統各個設備的耗電量和制冷量，結果分別見表4、5。 由表4 可知地面和墻面輻射系統冷水機組能耗較頂板輻射系統低。 地面輻射供冷能耗較頂板輻射供冷低是由于冷空氣密度大，房間頂部的冷量往下傳遞，需要先冷卻墻體再與周圍空氣對流換熱；墻面輻射供冷能耗較頂板輻射供冷低是由于墻面輻射供冷加快了垂直方向的熱傳遞。 地面、頂板、墻面輻射供冷的總能耗分別為5.59、6.23、6.16 kW·h，地面輻射供冷能耗最低，節能性最好。 由表5 看出3 種輻射供冷形式的高溫冷機制冷量由低到高依次為地面、頂板、墻面，達到室內設計溫度時地面輻射供冷所需制冷量最小。

表4 不同輻射供冷形式能耗表 單位:kW·h

表5 不同輻射供冷形式能耗制冷量表單位:kW

設計日運行時間8:00—18:00 冷水機組的逐時COP 見表6，地面、頂板、墻面輻射供冷的平均COP分別為4.20、4.25、4.27。

表6 不同輻射供冷形式冷水機組逐時COP

4 結論

文章利用TRNSYS 軟件建立了輻射供冷加獨立新風的復合空調系統，通過設置圍護結構參數，模擬冷負荷并進行機組選型，對比分析了輻射板分別在地面、頂板、墻面的3 種輻射供冷方式的熱舒適和能耗。 主要結論如下:

(1) 采用輻射供冷加獨立新風的復合空調系統，可以防止輻射供冷壁面結露，改善空氣品質。 在實際應用中，辦公室四周墻壁面積大于頂板和地面面積，輻射供冷的面積大，新風就可少承擔甚至不承擔冷負荷，工作區新風帶來的冷干擾就會減少。

(2) 從熱舒適性角度來說，3 種輻射供冷模型的相對濕度在40%～60%之間，均符合相對濕度舒適性要求；地面和墻面輻射供冷的壁面溫度較高，減少了結露的風險；從PMV－PPD 指標看，墻面和頂板輻射供冷的PMV 和PPD 值都達到了Ⅰ級熱舒適性標準，地面輻射供冷的PMV 和PPD 值達到了Ⅱ級熱舒適性標準。

(3) 從節能性角度來說，在設計日運行時間內，地板輻射供冷總能耗相比于頂板輻射和墻面輻射供的供冷分別少了11.4%、10.2%，達到室內設計溫度所需的制冷量最小，節能性最高。

(4) 對于堆放易潮濕物品的建筑不宜采用墻面輻射供冷，一般的商鋪以及辦公樓可以采用地板輻射供冷，對舒適性要求較高的場所可以采用墻面輻射供冷。