地板輻射供冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與分析

周致田，李琦芬，趙林輝，孫偉東，趙立峰

(上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

地板輻射供冷作為一種新型的空調(diào)方式，具有節(jié)能、無(wú)吹風(fēng)感、室內(nèi)溫度分布均勻，以及與地板輻射供暖相結(jié)合時(shí)可以減少系統(tǒng)初投資［1-3］等優(yōu)點(diǎn).地板輻射供冷與置換通風(fēng)系統(tǒng)［4，5］二者結(jié)合，已經(jīng)成為建筑物節(jié)能的新舉措.配合置換通風(fēng)的進(jìn)行，可以大大降低地板結(jié)露的可能性、提高地板供冷能力，又可以充分發(fā)揮其舒適、健康、節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，是新型節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì).

1 地板輻射供冷的節(jié)能特點(diǎn)與熱舒適性

1.1 地板供冷系統(tǒng)的節(jié)能特點(diǎn)

地板供冷系統(tǒng)以輻射換熱為主，更加符合人體散熱的特點(diǎn).采用地板供冷系統(tǒng)，可以降低房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度，增大人體相應(yīng)的輻射散熱量，使人體的實(shí)際感受溫度比室內(nèi)實(shí)際空氣溫度降低2℃，因此室內(nèi)空氣溫度30℃時(shí)相當(dāng)于采用傳統(tǒng)空調(diào)方案時(shí)房間溫度為28℃.與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，在相同的熱感覺(jué)前提下，地板供冷系統(tǒng)可以將室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度提高1～2℃，而且其冷負(fù)荷比常規(guī)系統(tǒng)的冷負(fù)荷要低10%～20%.

另外，由于地板供冷系統(tǒng)會(huì)首先冷卻房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，蓄冷量較大，短時(shí)間的開門或開窗對(duì)室內(nèi)溫度基本沒(méi)有影響，這樣制冷系統(tǒng)就無(wú)需頻繁啟動(dòng).

1.2 輻射換熱的熱舒適性

地板供冷配合置換通風(fēng)的復(fù)合系統(tǒng)在提高室內(nèi)空氣品質(zhì)方面有許多固有的優(yōu)勢(shì).在舒適條件下，人體產(chǎn)生的全部熱量是以一定的比例散發(fā)的，大致為:對(duì)流散熱占30%，輻射散熱占45%，蒸發(fā)散熱占25%［6］.可以看出，輻射換熱對(duì)人體的舒適感是很重要的.而地板供冷/置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)中的地板輻射供冷彌補(bǔ)了傳統(tǒng)空調(diào)以對(duì)流傳遞冷量為主的缺陷，增加了人體的輻射換熱量，減少了吹風(fēng)感，有助于提高室內(nèi)舒適度.

2 環(huán)境熱舒適性的評(píng)價(jià)方法

對(duì)室內(nèi)空間而言，可以將地板冷表面看作一個(gè)恒定的冷表面，它與室內(nèi)的人員、維護(hù)結(jié)構(gòu)，以及其他表面進(jìn)行換熱，應(yīng)根據(jù)不同的地域，綜合考慮緯度、氣候等所導(dǎo)致的室內(nèi)維護(hù)結(jié)構(gòu)和溫度的變化來(lái)判斷環(huán)境舒適性.

丹麥工業(yè)大學(xué)的FANGER教授基于人體熱平衡原理提出了穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下描述和評(píng)價(jià)熱環(huán)境的PMV-PPD(predicted mean votepredicted percentage of dissatisfied)評(píng)價(jià)方法.其中，關(guān)于人體熱反應(yīng)(冷、熱指標(biāo))的評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合考慮了人體活動(dòng)情況、著衣情況、空氣溫度、相對(duì)濕度、氣流速度、平均輻射溫度等6個(gè)因素［7］.熱舒適性指標(biāo)(PMV)代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的熱舒適感，采用了7級(jí)分度，具體如表1所示.

表1 熱舒適性指標(biāo)分級(jí)

PMV值的計(jì)算公式為:

式中:M——人體新陳代謝產(chǎn)熱量，W/m2;

W——人體做功量，W/m2;

Pa——人體周圍空氣的水蒸氣分壓力，kPa;

ta——空氣干球溫度，℃;

fcl——服裝面積系數(shù);

Icl——服裝熱阻，(m2·K)/W;

tcl——著衣人外表面溫度，℃;

hc——表面換熱系數(shù)，W/(m2·K);

v——空氣流速，m/s;

Ai——i表面面積，m2;

ti——i表面輻射溫度，℃.

這一方法已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采用，并作為評(píng)價(jià)和測(cè)量室內(nèi)熱濕環(huán)境的新標(biāo)準(zhǔn)(ISO7731標(biāo)準(zhǔn))，本文也將采用此標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分析地板輻射供冷的舒適性.

3 環(huán)境熱舒適性關(guān)鍵參數(shù)的確定

3.1 室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度

根據(jù)我國(guó)GB 50019—2003《采暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，夏季室內(nèi)空氣溫度一般取25～27℃，相對(duì)濕度取55% ～65%.根據(jù)焓濕圖分析，對(duì)應(yīng)條件下空氣的露點(diǎn)溫度為15.3～19.9 ℃，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 1 所示［8］.因此，在設(shè)計(jì)地板輻射供冷系統(tǒng)的室內(nèi)溫度時(shí)，要考慮防止結(jié)露的出現(xiàn).

圖1 相對(duì)溫度下對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度值

與傳統(tǒng)空調(diào)方式相比，采用地板供冷時(shí)室內(nèi)作用溫度相當(dāng)于降低1～2℃，因此室內(nèi)供冷設(shè)計(jì)溫度可以相應(yīng)提高1～2℃，推薦值見表2［6］.

表2 采用輻射供暖、供冷時(shí)室內(nèi)參數(shù)推薦值

3.2 室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度

室內(nèi)環(huán)境的舒適度主要由室內(nèi)空氣溫度、濕度、風(fēng)速，以及平均輻射溫度、服裝熱阻、人的新陳代謝情況等因素決定.其中，平均輻射溫度是室內(nèi)環(huán)境舒適性的最主要的影響因素.

室內(nèi)空氣的平均輻射溫度受圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的影響較大，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度決定于室內(nèi)空氣溫度和室外環(huán)境溫度.圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱模型［9］如圖2所示.

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)傳熱模型

當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，其內(nèi)表面溫度與外界溫度的關(guān)系為:

式中:to——室外溫度，℃;

tw——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度，℃;

tf——地板表面溫度，℃;

ta——室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃;

Ro——室外空氣與圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的對(duì)流換熱熱阻，(m2·K)/W;

Rd——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱熱阻，(m2·K)/W;

Rn——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱熱阻，(m2·K)/W;

Rf——室內(nèi)地面和維護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射熱阻，(m2·K)/W;

hr——地面與墻體之間的輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K);

Ff-pi——地面對(duì)i圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位面積的角系數(shù).

因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度可表示為:

當(dāng)建筑的東西南3面墻全部采用low-e玻璃時(shí)(本文算例中的情況)，需要加入太陽(yáng)輻射作用下的綜合溫度，其表達(dá)式為［10］:

式中:αw——圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面與室外空氣間的換熱系數(shù)，W/(m2·K);

I——圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面接受的總的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2;

ε——圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的長(zhǎng)波輻射系數(shù);

ΔR——圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面向外界發(fā)射的長(zhǎng)波輻射與由天空及周圍物體向圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射之差，W/m2.

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

本輻射供冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)選擇在上海電力學(xué)院浦東校區(qū)藝術(shù)廳進(jìn)行.

該建筑結(jié)構(gòu)為:東南西3面為雙層low-e玻璃;屋頂鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏板(有相應(yīng)的隔熱裝置)，北墻為鋼筋混凝土材質(zhì)，屬于內(nèi)墻;房間(長(zhǎng)17 m，寬10 m，高2.6 m)內(nèi)采用木質(zhì)地板，地板下面鋪設(shè)雙回形盤管，地板送風(fēng)，采用條形風(fēng)口，風(fēng)口布置在距離南墻50 cm處.實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2011年8月1日.

4.1 舒適性分析關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)定

控制地板進(jìn)水水溫，降低地板表面溫度，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié).室內(nèi)的空氣溫度采用6根熱電偶進(jìn)行測(cè)試，間隔為40 cm，底部測(cè)試點(diǎn)距離地板高度為40 cm，測(cè)試裝置如圖3所示.地板和壁面溫度也用熱電偶進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)用棉布覆蓋在熱電偶表面，并使熱電偶緊貼測(cè)試壁面.所有熱電偶在測(cè)試之前都用冰水浴進(jìn)行校核.

對(duì)典型時(shí)間的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，結(jié)果如表3所示.

圖3 室內(nèi)溫度梯度測(cè)試裝置

表3 典型時(shí)間實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)ISO7730，人在站立時(shí)的新陳代謝量M=1.2 met=72 W/m2;根據(jù)文獻(xiàn)［11］，人體做功量取為零;根據(jù)ISO7730，實(shí)驗(yàn)員著短袖襯衫和長(zhǎng)褲時(shí)，服裝熱阻取為 Icl=0.5 clo=0.08 m2·K/W.(clo為服裝熱阻的單位，其中1 clo=0.155 m2·K/W，其定義是一個(gè)靜坐者在21℃空氣溫度、空氣流速不超過(guò)0.05 m/s，以及相對(duì)濕度不超過(guò)50%的環(huán)境中感到舒適所需要的服裝熱阻，相當(dāng)于內(nèi)穿襯衣外穿普通外衣時(shí)的服裝熱阻.)空氣流速 v=0.2 m/s.

4.2 試驗(yàn)系統(tǒng)PMV值計(jì)算與分析

根據(jù)式(1)～式(6)計(jì)算PMV值，計(jì)算結(jié)果如表4所示.

表4 PMV值計(jì)算結(jié)果

由表4可以看出，當(dāng)?shù)匕鍦囟冉档?3℃時(shí)，PMV值為1.26，屬稍暖狀態(tài);當(dāng)?shù)匕鍦囟冉档?1.59℃時(shí)，室內(nèi)PMV值為0.40，對(duì)于一般服裝熱阻為0.5 clo(著短袖襯衫和長(zhǎng)褲)的夏季，屬于非常舒適的環(huán)境.從舒適性角度來(lái)看，采用地板供冷時(shí)，能夠滿足絕大多數(shù)情況的舒適性要求.

若改變室內(nèi)空氣的濕度，可計(jì)算得出其對(duì)PMV值的影響，如圖4所示.

由圖4可以看出，在相同的室內(nèi)環(huán)境條件下，隨著室內(nèi)空氣濕度的提高，室內(nèi)的PMV值升高，就會(huì)直接影響人體的舒適度.若要滿足一定的PMV值，可以通過(guò)降低室內(nèi)空氣的濕度來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而提高夏季人體的舒適度.

圖4 空氣相對(duì)濕度對(duì)PMV值的影響

5 結(jié)語(yǔ)

采用地板輻射供冷系統(tǒng)控制濕度，并盡量提高地表的溫度，保證了人體的舒適性，同時(shí)達(dá)到了節(jié)能的效果.如果將地板輻射供冷與置換通風(fēng)相結(jié)合，可以大大降低地板結(jié)露的可能性，提高地板供冷能力，從而營(yíng)造以人為本的建筑環(huán)境.

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