地板輻射與置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

宣永梅，王海亮，黃 翔

（西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，西安710048）

輻射供冷與置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)的節(jié)能和舒適性已得到大量研究證明［1－4］，其防結(jié)露控制策略也有相關(guān)討論［5－6］。更為特別的是，輻射供冷系統(tǒng)使用的冷水溫度一般為16～18℃，高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，冷水溫度的提高，制冷機(jī)的COP值提高，在西北地區(qū)炎熱干燥的氣候條件，還可以使用蒸發(fā)冷卻、深井水、地下水、冷卻塔等天然冷源，通過“免費冷卻”的方式提供輻射供冷所需的高溫冷水，進(jìn)一步提高復(fù)合系統(tǒng)的節(jié)能效果［7－10］。

輻射供冷復(fù)合系統(tǒng)屬于溫濕度獨立控制的半集中式空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中輻射供冷和新風(fēng)系統(tǒng)共同承擔(dān)室內(nèi)熱濕負(fù)荷，輻射供冷承擔(dān)房間部分顯熱負(fù)荷，風(fēng)系統(tǒng)向室內(nèi)提供新風(fēng)，并承擔(dān)房間潛熱負(fù)荷和剩余顯熱負(fù)荷。由于結(jié)露是限制輻射供冷系統(tǒng)應(yīng)用的一個主要因素，為避免結(jié)露，需要使輻射板表面溫度盡可能高于周圍空氣的露點溫度，但露點溫度的限制降低了輻射供冷的供冷能力，需要相應(yīng)的增加新風(fēng)承擔(dān)的負(fù)荷比例，雖然新風(fēng)量的增加可提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，但室內(nèi)溫度梯度增加，人體舒適性下降，并且輸送相同的冷量，風(fēng)系統(tǒng)的能耗高于水系統(tǒng)，輻射供冷舒適和節(jié)能的優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮。反過來，為充分發(fā)揮輻射供冷節(jié)能舒適的優(yōu)勢，應(yīng)增加輻射供冷承擔(dān)的比例，但這樣一來，風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)的負(fù)荷比例減小，雖然室內(nèi)垂直溫度梯度減小有利于系統(tǒng)舒適性的提高，但卻不利于房間污染物的排出，室內(nèi)空氣品質(zhì)下降，并且系統(tǒng)結(jié)露的可能提高。

文獻(xiàn)［11］對輻射供冷復(fù)合系統(tǒng)與VAV（變風(fēng)量）系統(tǒng)的年運(yùn)行能耗進(jìn)行了對比發(fā)現(xiàn)，輻射供冷復(fù)合系統(tǒng)的節(jié)能效果、室內(nèi)空氣品質(zhì)及熱舒適性不僅與氣候條件有關(guān)，還與送風(fēng)溫度、新風(fēng)量、冷負(fù)荷以及新風(fēng)送風(fēng)方式等多種參數(shù)相關(guān)。在輻射供冷加新風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)中，如能合理分配冷負(fù)荷，則更能體現(xiàn)其優(yōu)越性，既避免地板結(jié)露，增強(qiáng)地板供冷的效果，又能改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。一般對于某一特定建筑而言，當(dāng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)熱源、管間距、管徑、填充層和面層等參數(shù)確定后，影響輻射供冷與置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)的主要參數(shù)是送風(fēng)溫度、送風(fēng)量、冷水供水溫度、冷水供水流量這4個變化量。文獻(xiàn)［12］采用CFD方法分析了負(fù)荷分擔(dān)率對住宅類建筑室內(nèi)熱舒適性和空氣品質(zhì)的影響。本文建立并驗證了地板輻射供冷加置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模型，采用Energy－Plus軟件分析復(fù)合系統(tǒng)用于辦公建筑時，上述4個變量對室內(nèi)參數(shù)及熱舒適性的影響。

1 復(fù)合系統(tǒng)模型及驗證

文獻(xiàn)［7－9］對輻射供冷與置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和實驗研究，本文在此實驗研究的基礎(chǔ)上，采用EnergyPlus軟件建立了該復(fù)合系統(tǒng)的模擬模型，見圖1。EnergyPlus軟件采用負(fù)荷／系統(tǒng)／設(shè)備集成模擬的方法，通過反饋將上述3個環(huán)節(jié)聯(lián)系起來，如圖2。

圖1 復(fù)合系統(tǒng)模擬圖

圖2 EnergyPlus模擬原理簡圖

EnergyPlus在進(jìn)行負(fù)荷計算時，熱平衡引擎先根據(jù)房間空調(diào)溫度，計算每個時間步長（默認(rèn)為15min，由用戶設(shè)定）的負(fù)荷，計算出的結(jié)果傳遞給建筑物系統(tǒng)的模擬模塊，建筑物系統(tǒng)模擬模塊計算供熱／冷系統(tǒng)、設(shè)備和電力系統(tǒng)等的響應(yīng)，并將系統(tǒng)響應(yīng)（如房間實際溫度）反饋給負(fù)荷計算模塊，當(dāng)設(shè)定值與系統(tǒng)響應(yīng)有偏差時，下一個時間步長在進(jìn)行負(fù)荷計算時將會對空間溫度進(jìn)行調(diào)整。由于3個模塊（負(fù)荷、系統(tǒng)、設(shè)備）之間的反饋，該軟件可以準(zhǔn)確地模擬空間溫度，更可以準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)備模擬和人員舒適性等計算。

為保證模擬的準(zhǔn)確性，模擬時室內(nèi)熱源及建筑結(jié)構(gòu)均與實驗測試情況一致，并選取與實驗室外溫度相似的代表天作為研究對象，送風(fēng)狀態(tài)（平均溫度18.6℃、相對濕度86%）、送風(fēng)量（181m3／h）、供水溫度（19℃），供水量（222kg／h）的設(shè)定也與實驗一致。實驗時地板輻射供冷采用的是定流量變溫差的控制方式，選擇EnergyPlus中ZoneHVAC：Low－TemperatureRadiant：ConstantFlow模塊計算輻射供冷，置換通風(fēng)模型在基于羽流方程的多層模型的基礎(chǔ)上得到，表1是采用EnergyPlus得到的模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比表。

表1 模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比表

由表1可得，在13：00—17：00時間段內(nèi)，在相似的室外環(huán)境條件下，模擬得到的室內(nèi)1.1m處溫度與實驗測得的溫度相似，最高誤差為－6.1%，說明模擬和實驗得到的室內(nèi)環(huán)境相似。13：00—17：00時間段內(nèi)，模擬得到的冷水出口平均溫度比實驗出口平均溫度高出了0.2℃，輻射地板表面溫度平均比模擬高出0.45℃，模擬得到的輻射地板供冷量比實驗多出416kJ，誤差為3.7%，相當(dāng)于每平米多提供1.18W的冷量（實驗時輻射地板平均每平米承擔(dān)31.80W，模擬時每平米承擔(dān)32.98W）。模擬與實驗的誤差主要是由于模擬的室外氣象條件、補(bǔ)償套間和樓下熱源特性、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑材料的物理性質(zhì)和測試間內(nèi)熱源的特性與實際差異引起室內(nèi)冷負(fù)荷不一致造成的，特別是補(bǔ)償套間和樓下的內(nèi)熱源的熱量中的輻射部分的比例設(shè)置，對地板承擔(dān)冷量影響較大。模擬結(jié)果與實驗測試的最大誤差小于±7%，說明建立的系統(tǒng)模型及計算方法是較為準(zhǔn)確的。

2 運(yùn)行參數(shù)對供冷量和室內(nèi)溫度的影響

在已驗證的復(fù)合系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，分析置換通風(fēng)送風(fēng)溫度和送風(fēng)量、輻射供冷供水溫度和供水流量這4個參數(shù)對復(fù)合系統(tǒng)供冷量及室內(nèi)各項溫度的影響，分析時各參數(shù)的上下限根據(jù)以下原則確定：

1）為防止表面產(chǎn)生凝露，供水溫度的下限為16℃。

2）為防止送入新風(fēng)溫度低于室內(nèi)設(shè)計溫度的露點溫度，送風(fēng)溫度的下限為18℃。

3）供水流量根據(jù)管內(nèi)流速確定，管內(nèi)流速不應(yīng)小于0.25m／s，如果管內(nèi)流速過大，阻力增大，水泵壓力越高，噪聲越大，所以管內(nèi)流速上限為0.5m／s［9］。

4）復(fù)合系統(tǒng)屬于半集中式空調(diào)系統(tǒng)，其新風(fēng)量不應(yīng)小于最小新風(fēng)量，本例中最小新風(fēng)量取100m3／h。

任意改變其中1個變量，其他3個變量保持不變，分析輻射供冷和置換通風(fēng)供冷量的變化以及輻射地板表面溫度、室內(nèi)平均溫度、AUST溫度（Areaweighted average temperature of uncontrolled surfaces in the room，室內(nèi)非冷卻表面的加權(quán)平均溫度）的變化情況。模擬結(jié)果如圖3～6所示。

圖3 輻射地板供水溫度對供冷量和室內(nèi)溫度的影響

圖4 輻射地板供水流速對供冷量和室內(nèi)溫度的影響

圖5 置換通風(fēng)送風(fēng)溫度對供冷量和室內(nèi)溫度的影響

圖6 置換通風(fēng)送風(fēng)量對供冷量和室內(nèi)溫度的影響

為了便于分析，將圖3～6的變化規(guī)律總結(jié)到表2，分析表2和圖3～6可以發(fā)現(xiàn)：

表2 運(yùn)行參數(shù)對供冷量和室內(nèi)溫度的影響

續(xù)表2

1）當(dāng)輻射地板的水溫和水流量參數(shù)改變時，輻射地板供冷量的變化率大于置換通風(fēng)供冷量的變化率，此時輻射地板起主導(dǎo)作用，反之，當(dāng)置換通風(fēng)的風(fēng)溫和風(fēng)量參數(shù)改變時，置換通風(fēng)供冷量的變化率大于輻射供冷量的變化率，此時置換通風(fēng)起主導(dǎo)作用。

2）在計算步長條件下，各變量對輻射地板供冷量影響由高到低依次是：供水溫度＞供水流量＞送風(fēng)溫度＞送風(fēng)流量。

3）在計算步長條件下，各變量對置換通風(fēng)供冷量影響由高到低依次是：送風(fēng)流量＞送風(fēng)溫度＞供水流量＞供水溫度。

4）地板表面溫度、室內(nèi)空氣平均溫度、AUST溫度的變化規(guī)律一致。

5）當(dāng)輻射供冷系統(tǒng)變量（水量，水溫）改變1個步長時，地板表面的溫度改變量＞AUST溫度變化量＞室內(nèi)空氣平均溫度變化量。

6）當(dāng)置換通風(fēng)系統(tǒng)變量（風(fēng)量，風(fēng)溫）改變1個步長時，室內(nèi)空氣溫度變化量＞AUST溫度變化量＞地板表面的溫度變化量。

3 運(yùn)行參數(shù)與系統(tǒng)熱舒適性

預(yù)測平均評價PMV（Predicted Mean Vote）代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺，1984年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了室內(nèi)熱環(huán)境評價與測量的新標(biāo)準(zhǔn)方法ISO 7730，該標(biāo)準(zhǔn)對PMV指標(biāo)的推薦值在－0.5～＋0.5之間，相當(dāng)于人群中允許有10%的人感覺不滿意［13］。EergyPlus在評價熱舒適的時，需要對室內(nèi)人員的服裝熱阻、人體活動的機(jī)械效率、室內(nèi)平均風(fēng)速進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)文獻(xiàn)［14］可得夏季服裝熱阻一般為0.5clo（0.08m2·K／W），大部分辦公室勞動和室外輕勞動的機(jī)械效率近似為0，模擬系統(tǒng)室內(nèi)風(fēng)速經(jīng)測量在0.1m／s左右［8－9］。

在以上的設(shè)定的基礎(chǔ)上，對表2中的工況1、2、3、4進(jìn)行模擬，得到室內(nèi)PMV值如圖7所示。對于地板輻射與置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)，設(shè)計過程中輻射板的冷媒參數(shù)（冷水溫度、進(jìn)出水溫差、水流量、水流速）通常由輻射板的設(shè)計供冷量、管徑以及空氣的露點溫度確定，而置換通風(fēng)的風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)（送風(fēng)量、送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度）則由風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)的負(fù)荷和人體熱舒 適 性 條 件 確 定［1，15］。 如 ASHRAE Handbook 2000建議輻射板冷水溫度應(yīng)高于室內(nèi)空氣露點溫度0.5℃，該參數(shù)范圍較大，對所研究的辦公室類建筑，表3總結(jié)了滿足室內(nèi)熱舒適性的供水供風(fēng)參數(shù)范圍，可供實際工程設(shè)計參考。

圖7 室內(nèi)PMV值

表3 滿足室內(nèi)舒適性PMV值的供風(fēng)供水參數(shù)表

4 結(jié) 論

1）建立了地板輻射供冷加置換通風(fēng)空調(diào)模型，在相似的室外條件情況下，室內(nèi)空氣平均溫度和地板提供的冷量與實驗值相比，誤差不超過±7%。

2）在已驗證的輻射地板加置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，分析置換通風(fēng)送風(fēng)溫度、置換通風(fēng)送風(fēng)量、輻射地板供水溫度、輻射地板供水流量4個參數(shù)對復(fù)合系統(tǒng)供冷量及輻射地板表面溫度、室內(nèi)平均溫度、AUST溫度的影響規(guī)律。

3）結(jié)合熱舒適性模型，得到滿足室內(nèi)熱舒適性（－0.5≤PMV≤0.5）的置換通風(fēng)的送風(fēng)參數(shù)和輻射地板的供水參數(shù)，為輻射供冷加置換通風(fēng)設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

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