風(fēng)機盤管/毛細管頂板聯(lián)合供暖的試驗研究

鄧錦良

江蘇省建筑設(shè)計研究院有限公司

風(fēng)機盤管/毛細管頂板聯(lián)合供暖的試驗研究

鄧錦良

江蘇省建筑設(shè)計研究院有限公司

本文建立了風(fēng)機盤管/毛細管末端系統(tǒng)，運用TRNSYS軟件模擬了該系統(tǒng)冬季不同工況（流量、供水溫度）下系統(tǒng)及房間特性。同時搭建了風(fēng)機盤管/毛細管末端試驗平臺，進行了冬季不同工況情況下的試驗研究。通過試驗分析了該系統(tǒng)在冬季供暖時，不同供水溫度和供水水量情況下的運行特性，結(jié)果表明供水溫度43℃、流量0.8m3/h是比較合適的供水工況。同時，長時間運行的實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)聯(lián)合運行供暖，舒適性好、響應(yīng)速度快、節(jié)約能源。

采暖 風(fēng)機盤管/毛細管 聯(lián)合運行 舒適性 能耗

0 引言

輻射盤管是一類基于輻射傳熱原理的空調(diào)末端設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種建筑領(lǐng)域，常見夏季以吊頂?shù)姆绞焦├?，冬季用作地板采暖。毛細管是近年來出現(xiàn)的一種新型輻射盤管方式，具有換熱面積大，換熱均勻，供水溫度要求低（采暖時溫度可以較低，供冷時溫度可以相應(yīng)提高）的優(yōu)點。

根據(jù)我國的氣候條件，許多地方不僅夏季需要空調(diào)，冬季也需要供暖。目前研究毛細管系統(tǒng)冬季采暖的很少，毛細管頂板/風(fēng)機盤管系統(tǒng)冬季供熱時的狀況更是鮮有提及。本文用試驗的方法對毛細管頂板/風(fēng)機盤管系統(tǒng)冬季供熱進行的工況條件、房間舒適性以及系統(tǒng)能耗狀況進行了研究和分析，為實際工程中的應(yīng)用打下一定基礎(chǔ)。

1 試驗

1.1 試驗環(huán)境及測試內(nèi)容

本文搭建了毛細管頂板/風(fēng)機盤管空調(diào)系統(tǒng)試驗平臺，平臺利用與某地產(chǎn)公司共建的試驗房間作為研究對象，周圍房間沒有供暖，尺寸為8.4m×3.75m× 2.8m。試驗通過加熱器向毛細管及風(fēng)機盤管提供熱量，房間頂部設(shè)有金屬板毛細管吊頂，下部設(shè)有送風(fēng)口，頂部設(shè)有回風(fēng)口。房間平面面積為31.5m2，金屬板毛細管每塊面積為0.36m2，總共分三部分敷設(shè)，每部分敷設(shè)17塊，總供暖面積為3×17×0.36m2=18.36m2，毛細管頂板面積與房間面積之比為0.58:1，見圖1。

圖1 試驗室示意及測點布置

本試驗中測試內(nèi)容：

1）水溫測試：金屬板毛細管進出口水溫，風(fēng)機盤管進出口水溫。采用四線制鉑電阻，精度為±0.1℃。

2）水流量測試：測試供水流量，采用TOSHIBA電磁流量計LDTH型精度為0.2%Q。

3）房間及室外空氣溫度測試：房間幾何中心位置處的空氣溫度和室外空氣溫度，采用VAISALA HMT333型溫濕度測試儀，精度為±0.2℃；如圖1中右側(cè)示意的測點平面，三組測點投影位置在房間南北三分和東西兩分處，每組測點在垂直方向上從0.1m至2.1m，每隔0.5m布置一個，共5個，采用K型熱電偶，精度為±0.0075|t|℃。

本試驗采用Agilent數(shù)據(jù)采集儀34970A采集及記錄試驗數(shù)據(jù)。

1.2 試驗條件及方法

試驗房間為西面墻體有保溫（聚苯保溫材料），其余為正常墻體。因此，室外氣溫及天氣條件對試驗存在干擾，根據(jù)實測（實測從某日19:00至次日19:00，房間沒有供暖、沒有人員和設(shè)備散熱，也沒有人員進出，門窗保持關(guān)閉）房間溫度，見圖2。由試驗結(jié)果可知：晚上至凌晨的時段房間溫度變化較小，白天時存在太陽輻射的影響，房間氣溫變化較快。因此，選取試驗的時間為22:00至次日8:00，可以最小程度地減小外界環(huán)境對試驗的影響。試驗分成兩部分，一部分為變供水工況試驗；另一部分為24h連續(xù)運行試驗。

變工況試驗方法及步驟：

1）試驗前利用閥門調(diào)節(jié)水路流量，待流量穩(wěn)定后再進行試驗操作；

2）試驗室利用加熱器加熱水溫，以開啟加熱器為試驗的時間起點，記錄試驗數(shù)據(jù)；

3）試驗時改變供水工況，溫度變化為39℃、41℃、43℃和45℃，流量變化為0.6m3/h、0.8m3/h和1.0m3/h；

4）試驗每組工況進行4h時間，試驗室開始時，采用另一套空調(diào)設(shè)備將房間溫度（房間幾何中心處）調(diào)整為8℃，管路中水溫調(diào)整為12℃，一組試驗結(jié)束后，待試驗室條件恢復(fù)初始值再進行下一組。

長時間運行試驗方法及步驟：

長時間運行時，兩末端設(shè)備同時開啟3h后關(guān)閉風(fēng)機盤管。

圖2 房間溫度隨時間變化

2 結(jié)果分析與討論

為了使模擬及試驗結(jié)果有參考，本文對房間的負荷情況進行了分析計算，計算時依據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊（第二版）》中的相關(guān)計算方法和標(biāo)準(zhǔn)[1]，室內(nèi)計算溫度20℃，室外計算溫度3℃，得出了試驗房間冬季供熱負荷，人體散熱標(biāo)準(zhǔn)采用ISO7730[2]中關(guān)于人員散熱的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見表1。

表1 房間負荷及房內(nèi)熱源情況

2.1 房間穩(wěn)定溫度分析

實際進行試驗時，選在2月的晚間至凌晨進行，模擬也采用相應(yīng)的天氣參數(shù)，各種變供水溫度和流量工況下，室外氣溫比較接近，實際試驗中測得的平均值最高組和最低組見圖3，室外氣溫在試驗的四個小時內(nèi)的變化在1.5℃之內(nèi)，試驗過程中室外氣溫最高的一組其平均值4.26℃，最低的一組為2.36℃。試驗室氣密性良好，試驗室沒有人員走動，因此，外界環(huán)境條件對試驗的影響很小。

圖4為模擬和試驗房間溫度穩(wěn)定后的情況，圖中房間溫度由位于房間幾何中心的溫濕度變送器測得（以下的文章中除討論舒適性的章節(jié)外，所提及的房間溫度均是指此溫度）。從圖4的試驗及模擬結(jié)果可以看出：室外氣溫維持在1.5℃～5.5℃范圍時，隨著供水溫度和供水水量的上升，房間穩(wěn)定的溫度均呈現(xiàn)上升的趨勢，房間最終溫度都可以維持在20℃以上，滿足規(guī)范中18℃～22℃的冬季室內(nèi)設(shè)計溫度范圍，達到舒適性的要求。

圖3 室外氣溫逐時變化

圖4 變工況房間穩(wěn)定時溫度

2.2 房間溫度響應(yīng)時間分析

試驗和模擬時，初始條件為供水水溫為12℃，房間溫度為8℃。本文定義從初始條件到房間溫度20℃時所經(jīng)歷的時間為房間響應(yīng)時間。圖5為變供水水溫和變供水流量情況下，房間溫度響應(yīng)時間變化情況。

圖5反映出，試驗及模擬條件下，隨著供水溫度和流量的提高，房間響應(yīng)時間逐漸減小，試驗值和模擬值非常接近，從圖中可以看出：

1）系統(tǒng)運行在較大流量（0.8m3/h和1.0m3/h）區(qū)間時，增大流量相對于提高水溫對于系統(tǒng)快速達到溫度要求效果更加明顯；

2）系統(tǒng)在小流量（0.6m3/h）狀態(tài)運行時，改變系統(tǒng)的供水溫度，對房間響應(yīng)時間的影響也是比較明顯的；

3）當(dāng)供水溫度在43℃以上時，提高供水溫度對于房間快速達到溫度要求，已經(jīng)沒有太大的作用，因此，不建議采用提高水溫的方法減少系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

2.3 系統(tǒng)舒適性分析

根據(jù)ISO7730標(biāo)準(zhǔn)，房間的參數(shù)可以擬合為PMV-PPD，從而判定房間的舒適性。PMV是Fanger教授根據(jù)人員活動量和衣著情況以及四個環(huán)境變量，即空氣流速、空氣溫度、空氣濕度和平均輻射溫度計算出來的熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)，PMV指標(biāo)作為一種度量熱感覺的尺度，從心理生理學(xué)作為出發(fā)點，采用7點熱感覺標(biāo)尺，見表2。

表2 熱感覺PMV尺度

PMV指標(biāo)是根據(jù)客觀值計算出來的，而舒適性是一種主觀感受，因此Fanger教授又引入了PPD，意為一大群人對于給定環(huán)境熱感覺表示不滿意的百分率的預(yù)計值[2]。根據(jù)計算PPD服從正態(tài)分布，當(dāng)PMV=0時，PPD=5%，也就是說即使室內(nèi)環(huán)境達到最舒適的狀態(tài)時，由于個體的差異，仍然會有5%的人表示不舒適。ISO7730對 PMV-PPD指標(biāo)的推薦值為：PPD＜10%，相應(yīng)的PMV為-0.5＜PMV＜+0.5。試驗房間的PMV-PPD值如圖6、圖7。

圖6 試驗房間內(nèi)PMV值

圖6中PMV值隨著供水溫度和流量的升高而升高，當(dāng)供水水量為0.6m3/h時，房間的PMV值始終在-1以下，也就是說房間中人體感覺是涼的，不滿足舒適性的要求。當(dāng)供水水量提高到0.8m3/h和1.0m3/h時，房間的PMV值明顯升高，除了供水溫度39℃，水量0.8m3/h時，房間其余的PMV值均在-1和1之間，PPD的范圍在10%以內(nèi)，也就是說只有10%以內(nèi)的人員會對房間的舒適度不滿。如果進一步考慮計算人員散熱率采用的是辦公室靜坐辦公標(biāo)準(zhǔn)，實際上人員在室內(nèi)時不可能全部時間都是在靜坐辦公狀態(tài)，故房間PMV值還會進一步升高，房間PPD值也會隨著下降，放寬供水溫度和水量的要求，供水水量0.8m3/h~ 1.0m3/h，溫度為39℃~45℃時均可以滿足房間舒適性要求。

圖7 試驗房間內(nèi)PPD值

房間負荷4.02kW，是以20℃作為室內(nèi)計算干球溫度的，而PMV-PPD結(jié)果卻表明在此溫度下的房間舒適性達不到要求，這與目前我國采暖規(guī)范中的房間設(shè)計溫度為18～22℃具有一定的沖突。Fanger教授在總結(jié)PMV公式時，人員冬季衣服熱阻采用的標(biāo)準(zhǔn)是薄毛衣加一件風(fēng)衣，使得人員感覺偏冷。鑒于目前我國能源資源狀況，房間溫度控制在20℃符合節(jié)能減排的要求，同時，人員在辦公時適量添加衣物就可以很好地改善舒適性狀況，因此，房間采暖，選取供水溫度和供水量時，還是要綜合考慮房間穩(wěn)定溫度和PMV-PPD值，不必要刻意追求完全符合ISO7730中的PMV-PPD要求，只要偏差不是很大，相應(yīng)的供水參數(shù)是可以接受的。

表3 垂直高度溫度及溫差分布

在舒適性范圍內(nèi)，進一步考慮人體對于頭部和腳部溫差的感受。IS07730標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：在工作區(qū)的上方1.1m和0.1m之間的溫差≤3℃。以試驗時房間溫度的最終穩(wěn)定值高低標(biāo)準(zhǔn)，選取實三種典型工況（0.6m3/h， 39℃；0.8m3/h，41℃；1.0m3/h，45℃），對房間垂直高度上溫度的分布情況進行分析，見表3。從表3可以看出：

1）所有工況和位置，1.1m處和0.1m處的溫差都沒有超過3℃，符合ISO的舒適性標(biāo)準(zhǔn)；

2）北中南三個位置處的溫差很小，房間溫度場均勻性很好，舒適性較強；

3）房間溫度分布無論是縱向還是水平方向均滿足舒適性的要求，但沒有形成“頭冷腳熱”的溫度分布，這與熱輻射面布置在頂部有關(guān)，在以后的研究當(dāng)中可以將送風(fēng)方式改為地板送風(fēng)，加以解決。

2.4 系統(tǒng)節(jié)能潛力研究

傳統(tǒng)的采暖方式中，末端采用散熱片形式的系統(tǒng)需要80～95℃的供水，地板采暖需要45～55℃的供水，風(fēng)機盤管需要45℃（熱泵）或60℃（鍋爐）的供水，由此可以看出，風(fēng)機盤管聯(lián)合毛細管金屬板末端設(shè)備可以有效地降低供水溫度，達到節(jié)能的目的，圖8是與本文同一試驗平臺的地源熱泵機組采用本文末端設(shè)備測試機組性能時的COP值，機組COP隨著供水溫度的升高而降低，機組提供39.2℃熱水比提供45.1℃熱水時節(jié)能16%，可見采暖時使用低溫供水將有效減少系統(tǒng)能耗，達到節(jié)能的目的。

圖8 變供水溫度地源熱泵COP值

有數(shù)據(jù)表明[1]，當(dāng)系統(tǒng)采用輻射末端采暖時，室內(nèi)設(shè)計溫度可以比單純采用風(fēng)機盤管系統(tǒng)時降低1～3℃。由圖9可以看出：系統(tǒng)在不同的供水溫度和水量下運行時，毛細管散熱量占總散熱量的比例是不同的。隨著供水溫度從39℃升高到45℃，毛細管散熱量占總散熱量的比例分別降低了7.4%（0.6m3/h）、3.7%（0.8m3/h）和2.9%（1.0m3/h），因此，降低供水溫度可以使得毛細管在整個過程中發(fā)揮更大的作用，無論是舒適性還是節(jié)能性能都得到提升。

圖9 輻射散熱量百分比

3 結(jié)論

通過構(gòu)建風(fēng)機盤管/毛細管末端系統(tǒng)TRNSYS模型及搭建系統(tǒng)試驗平臺，對風(fēng)機盤管/毛細管末端系統(tǒng)進行了模擬和試驗研究，分析了模擬及試驗數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

1）系統(tǒng)在較大流量（0.8m3/h和1.0m3/h）時，增大流量比提高水溫能使房間更快達到溫度要求，并且人體的感覺舒適。在較小流量（0.6m3/h）時，改變供水溫度對房間響應(yīng)時間的影響也較明顯，但人體感覺是涼的，不舒適。

2）系統(tǒng)供水溫度大于43℃時，通過提高供水溫度來減少響應(yīng)時間已沒有太大作用。

3）系統(tǒng)采用較低水溫供水，可有效提高機組COP值，達到節(jié)能的目的。

[1] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[2] ISO.Moderate Thermal Environments Determination of the PMV and PPD Indices and Specification of the Thermal Comfort (International Standard 7730)[S].Geneva:International Standards Organization,1984

Experimental Research of Fan-coil/Capillary Terminal System Co-operation Heating

DENG Jin-liang
Jiangsu Provincial Architectural D&R Institute Ltd.

This paper established the fan-coil/capillary terminal system.The characteristics of the system and room under different conditions(flow and water supply temperature)in winter were simulated with TRNSYS.At the same time,the experimental platform of the fan-coil/capillary terminal system was built.The different operating conditions experimental research of the system in winter was finished.The operation characteristic,energy saving situation and comfort of the system in winter heating was analyzed under different water temperature and flow.

Hating,Fan-coil/Capillary,Co-operation,Comfortableness,Energy consumption

1003-0344（2015）04-006-5

2014-4-21

鄧錦良（1969～），男，本科，高工；南京市建鄴區(qū)創(chuàng)意路86號江蘇省建筑設(shè)計研究院有限公司（210019）；E-mail:djl0008@163.com