毛細(xì)管網(wǎng)供暖室內(nèi)環(huán)境對比實驗研究

陳金華，梁秋錦，李楠，高亞鋒，劉紅，楊雯芳

(1.重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室；低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心，重慶 400045;2.重慶新鷗鵬地產(chǎn)(集團(tuán))有限公司，重慶 400010)

毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)作為一種新型低溫?zé)崴椛涔┡问剑哂惺孢m度高、安靜、衛(wèi)生、安全、節(jié)能、蓄熱能力較強、節(jié)省建筑空間、布置靈活、可利用低品位能源等諸多優(yōu)勢。因此,無論是從系統(tǒng)的舒適性還是節(jié)能性上考慮，毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)都有巨大的應(yīng)用潛力[1-2]。Miriel等[3]等對毛細(xì)管頂棚供冷/供暖進(jìn)行了軟件模擬和實驗測試，效果良好；Causone等[4]通過實驗研究，提出了冷卻吊頂與房間換熱的自然對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)，并提出了統(tǒng)一參考溫度設(shè)計及計算的重要性；Mikeska等[5-6]針對毛細(xì)管輻射供冷供暖系統(tǒng)在高性能混凝土夾層中的傳熱過程，分析了不同的供水溫度、毛細(xì)管間距和混凝土厚度時混凝土的表面溫度；Lbeurn等[7]從舒適性指標(biāo)和節(jié)能型指標(biāo)論證了低溫?zé)崴匕遢椛涔┡墓?jié)能效果；Olesen等[8]建立地板輻射供暖系統(tǒng),通過室外環(huán)境溫度、外窗傳熱和內(nèi)部熱源等主要影響因素對地板換熱進(jìn)行分析，提出了地板表面對流換熱系數(shù)新的計算方法；Leiq等[9]研究表明，地板輻射供暖系統(tǒng)室外溫度同供水溫度之間呈線性關(guān)系；吳小舟等[10]對輻射地板傳熱過程進(jìn)行分析，提出了基于形狀因子的輻射地板傳熱量計算等效熱阻模型。王婷婷等[11-12]建立物理及數(shù)學(xué)模型，研究了不同輻射方式的供暖換熱量。并通過設(shè)定物理模型，對不同供水溫度，不同敷設(shè)方式下的供冷能力進(jìn)行了對比計算。李永安等[13]闡述了毛細(xì)管網(wǎng)傳統(tǒng)敷設(shè)方式及其換熱性能，利用Airpark對毛細(xì)管網(wǎng)與天花板呈一定夾角敷設(shè)形式進(jìn)行了模擬研究；李莉等[14]采用CFD軟件建立模型，對毛細(xì)管席敷設(shè)在房間內(nèi)的不同位置進(jìn)行了冬夏兩季多工況的數(shù)值模擬，得到了相對應(yīng)的溫度和PMV，PPD分布圖；薛紅香等[15]、孫娟娟等[16]分別建立了數(shù)學(xué)模型模擬了毛細(xì)管網(wǎng)不同輻射情況下的舒適性。

現(xiàn)有研究均是通過模擬與理論計算對毛細(xì)管網(wǎng)不同敷設(shè)方式進(jìn)行供暖研究，或是僅對單一敷設(shè)方式進(jìn)行模擬實驗分析，并沒有通過實驗對毛細(xì)管網(wǎng)不同敷設(shè)方式進(jìn)行供暖研究。通過35 ℃供水溫度下頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式供暖的實驗，從室內(nèi)空氣溫度、輻射表面溫度、其他壁面溫度等角度全面分析不同敷設(shè)方式下毛細(xì)管網(wǎng)供暖的舒適性。

1 實驗系統(tǒng)介紹

1.1 實驗房間概況

實驗在重慶大學(xué)輻射供暖實驗平臺進(jìn)行，實驗對象是如圖1所示兩間相同房間，410房間、412房間，每個房間面積為21 m2，房間尺寸為6 000 mm×3 500 mm×2 700 mm(長×寬×高),門尺寸為800 mm×2 100 mm(寬×高)，外窗尺寸為2 700 mm×2 000 mm(寬×高)；窗戶為鋁合金單層窗，玻璃厚度為6 mm，內(nèi)敷設(shè)藍(lán)色厚窗簾；建筑外墻為240 mm的實心磚墻(未做保溫)，內(nèi)墻為200 mm厚的實心磚墻，室內(nèi)未布置任何家具。

圖1 實驗房間平面圖Fig.1 Experimental room pla

1.2 實驗系統(tǒng)

1.2.1 冷熱源 實驗系統(tǒng)冷熱源采用空氣源熱泵機組，冬季利用空氣源熱泵機組制取45 ℃的熱水，45 ℃的高溫?zé)崴ㄟ^換熱水箱溫度降為35 ℃，供給毛細(xì)管網(wǎng)末端，毛細(xì)管網(wǎng)管路的供水溫度通過換熱水箱上的比例積分調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。原理如圖2所示。

圖2 冷熱源原理圖Fig.2 Schematic diagram of cold and heat sourc

1.2.2 實驗?zāi)┒?實驗系統(tǒng)分為3種敷設(shè)方式，412房間頂棚敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，410房間墻面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，毛細(xì)管網(wǎng)均采用同側(cè)供回的S型，為滿足室內(nèi)熱負(fù)荷，計算得出毛細(xì)管網(wǎng)規(guī)格數(shù)量等參數(shù)見表1。

表1 實驗房間毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)參數(shù)Table 1 The situation of capillary radiation

3種敷設(shè)方式具體敷設(shè)位置圖，構(gòu)造示意圖，如圖3、圖4所示。

圖3 毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)具體位置Fig.3 The location map of capillary radiation

圖4 毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造示意圖Fig.4 The structure map of capillary radiatio

1.3 實驗內(nèi)容

1.3.1 測試方案 實驗測試于冬季(2016年1月末至2016年2月初)早上9:00—次日7:00進(jìn)行。實驗房間前一天未做任何實驗，實驗期間為保證后續(xù)人員實驗，提前2 h關(guān)閉機組。頂棚、墻面、地面3個工況，每個工況測試1 d，具體運行工況詳見表2。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)供暖時，供水溫度宜符合表3的規(guī)定，供回水溫差宜采用3～6 ℃。因此，實驗測試35 ℃供水溫度下，3種敷設(shè)方式室內(nèi)外溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度等參數(shù)。實驗期間，實驗房間相鄰房間均為供暖房間，實驗人員1人。測點按照文獻(xiàn)[18]相關(guān)規(guī)定布置，具體見圖5和圖6。測試時間間隔均為10 min，實時監(jiān)測。

表2 實驗系統(tǒng)運行工況Table 2 The running state of experiment system

表3 毛細(xì)管網(wǎng)供水溫度Table 3 Capillary net water supply temperature

1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面測點布置 左墻、右墻分別布置9個溫度測點，外墻、內(nèi)墻分別布置2個溫度測點，地面、頂棚分別布置a、b、c、d、e5個溫度測點。故圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面共布有32個溫度測點。

圖5 地面，頂棚表面溫度測點布置圖Fig.5 The surface temperature measuring point arrangement of ground and ceilin

圖6 左墻，右墻表面溫度測點布置圖Fig.6 The surface temperature measuring point arrangement of left wall and right wal

2)空間測點布置 空間測點在a、b、c、d、e5個溫度測點位置，距地0.1 m(腳踝)、0.6 m(膝蓋)、1.1 m(坐姿頭頂)、1.7 m(站姿頭頂)、2.5 m(房間上部)處布置溫度測點，故空間共布有25個溫度測點。

1.3.2測試儀器 主要儀器設(shè)備如表4所示。

表4 實驗測試儀器Table 4 Test instruments of experiment

2 實驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1 室外空氣溫度

35 ℃供水溫度時，頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式供暖，室外平均溫度分別為6.57、6.83、6.83 ℃，室外最低溫度分別為5.82、6.59、6.59 ℃。室外天氣均為陰轉(zhuǎn)多云，測試期間，室外逐時溫度見圖7。

圖7 測試期間室外溫度變化曲線Fig.7 Curve of outdoor air temperature during the des

2.2 室內(nèi)人員活動區(qū)平均溫度

室內(nèi)人員活動區(qū)平均溫度，即人員活動區(qū)域的平均溫度，取0.1、0.6、1.1、1.7 m 4個縱向高度，a、b、c、d、e，5個水平位置，20個測點測得的溫度的平均值為室內(nèi)人員活動區(qū)平均溫度。圖8為3種敷設(shè)方式室內(nèi)人員活動區(qū)逐時平均溫度，由圖8可知：

1)頂棚敷設(shè)供暖時，人員活動區(qū)溫度達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度16 ℃時，響應(yīng)時間最短。3種敷設(shè)方式響應(yīng)時間依次遞減的順序為：墻面敷設(shè)、地面敷設(shè)、頂棚敷設(shè)。

2)供暖穩(wěn)定階段，人員活動區(qū)平均溫度均≥16 ℃，其中地面敷設(shè)供暖時人員活動區(qū)平均溫度最高。頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式供暖穩(wěn)定階段室內(nèi)人員活動區(qū)平均溫度分別為：16.53、16.40、16.95 ℃。

3)人員活動區(qū)平均溫度受輻射表面溫度、距輻射表面距離、蓄熱性能以及臨室傳熱等多方面因素影響。頂棚敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)由于其構(gòu)造層較薄，輻射表面溫度高，雖然，距離人員活動區(qū)較遠(yuǎn)，但室內(nèi)人員活動區(qū)能很快地達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度；墻面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，由于敷設(shè)單面，出現(xiàn)局部溫度較高，但整個人員活動區(qū)溫度并不能較快的達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度；由于頂棚與墻面的蓄熱特性較差，機組關(guān)機后，室內(nèi)經(jīng)過較短時間便達(dá)到不舒適溫度。地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，由于其距離人員活動區(qū)最近，整個人員活動區(qū)溫度達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度較快；由于地面蓄熱特性較強，機組關(guān)機后，室內(nèi)經(jīng)過較長時間才達(dá)到不舒適溫度。同時，臨室若進(jìn)行供暖實驗，則臨室與實驗房間共用的壁面溫度較高，影響實驗房間人員活動區(qū)溫度。

4)熱空氣在頂部堆積。人員活動區(qū)測點主要集中在房間中下部，被加熱的空氣在房間上部堆積，影響頂棚敷設(shè)供暖的散熱效果，故造成頂棚敷設(shè)供暖人員活動區(qū)溫度低于地面敷設(shè)，可通過輔助新風(fēng)系統(tǒng)減弱頂部熱堆積的現(xiàn)象，以增強頂棚敷設(shè)供暖的換熱效果。

圖8 3種敷設(shè)方式人員活動區(qū)平均溫度Fig.8 The average temperature of personnel active area in three laying way

2.3 輻射表面平均溫度

輻射表面平均溫度與毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層存在密切聯(lián)系。頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式中，地面毛細(xì)管網(wǎng)的構(gòu)造層最厚，墻面次之，頂棚最薄。圖9為3種敷設(shè)方式供暖輻射表面逐時溫度，由圖9可知：

1)毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層越薄，輻射壁面的熱響應(yīng)時間越快，輻射表面溫度越高。地面、墻面、頂棚毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層厚度依次遞減，輻射壁面達(dá)到穩(wěn)定階段的響應(yīng)時間依次遞減，輻射表面平均溫度依次遞增，分別為22.98，28.17，29.21 ℃。

2)地面敷設(shè)供暖時，輻射壁面熱響應(yīng)時間長，輻射表面溫度低。主要原因是地面毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層的厚度較厚，同時，12 mm的木地板傳熱系數(shù)較小使得整個地面的輻射供暖效果變差，因此，可降低地面毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層厚度，更換傳熱系數(shù)較大材料的地板，以縮短熱響應(yīng)時間，提高輻射表面溫度。

圖9 3種敷設(shè)方式供暖輻射表面溫度Fig.9 Radiation surface temperature of heating

2.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度

圖10為3種敷設(shè)方式圍護(hù)結(jié)構(gòu)各壁面溫度，由圖可知：

1)3種敷設(shè)方式圍護(hù)結(jié)構(gòu)各壁面溫度差別較大。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供暖時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度排序分別為：頂棚>左墻>地面>右墻>內(nèi)墻>外墻；右墻>左墻>頂棚>內(nèi)墻>地面>外墻；地面>左墻>頂棚>右墻>內(nèi)墻>外墻。

2)輻射角系數(shù)越大，對應(yīng)其壁面溫度越高。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供暖時，非加熱壁面溫度最高的分別為地面(左墻除外)、左墻、頂棚(左墻除外)。

圖10 3種敷設(shè)方式圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度Fig.10 The surface temperature of exterior-protected construction in three laying way

3)外墻溫度受室外環(huán)境影響較大。3種敷設(shè)方式外墻的溫度均最低，且與其他壁面溫度相差較大。

4)戶間傳熱明顯。頂棚與地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供暖時，左墻臨近的房間正進(jìn)行右墻供暖，墻面未做保溫處理，故造成左墻溫度高于右墻。

2.5 空間垂直方向溫度分析

實驗分別測試了距離地面垂直高度0.1、0.6、1.1、1.7、2.5 m處的室內(nèi)溫度，圖11為3種敷設(shè)方式空間垂直溫度分布，由圖可知：

1)站姿時，縱向高度取0.1～1.7 m，3種敷設(shè)方式中地面敷設(shè)縱向溫差最小，舒適度最好。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)穩(wěn)定階段縱向最大溫差分別為1.76、3.16、0.30 ℃，縱向最大溫差梯度分別為1.1、1.98、0.19 ℃/m。

2)坐姿時，縱向高度為0.1～1.1 m，3種敷設(shè)方式中地面敷設(shè)縱向溫差最小，舒適度最高。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)穩(wěn)定階段縱向最大溫差分別為1.02、2.54、0.27 ℃，縱向最大溫差梯度分別為1.02、2.54、0.27 ℃/m。

3)無論從坐姿還是從站姿考慮，地面敷設(shè)供暖縱向溫差明顯低于頂棚敷設(shè)與墻面敷設(shè)，具有更高的舒適性。墻面敷設(shè)供暖站姿時，縱向最大溫差為3.35 ℃，不滿足ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 3種敷設(shè)方式空間垂直溫度分布Fig.11 The vertical temperature distribution

2.6 空間水平方向溫度分析

根據(jù)人員活動區(qū)選取1.1 m高度水平溫度場進(jìn)行分析。圖12為3種敷設(shè)方式空間水平溫度分布，由圖可知

1)3種敷設(shè)方式中墻面敷設(shè)水平溫差(從外墻到內(nèi)墻)最大，舒適度較差。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)穩(wěn)定階段水平溫差(從外墻到內(nèi)墻)分別為-0.26、0.59、-0.34 ℃，最大溫差梯度分別為-0.09、0.20、-0.11 ℃/m。

2)3種敷設(shè)方式中墻面敷設(shè)水平溫差(從左墻到右墻)最大，舒適度較差。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)穩(wěn)定階段水平溫差(從左墻到右墻)分別為-0.18、0.57、-0.20 ℃，最大溫差梯度分別為-0.09、0.28、-0.10 ℃/m。

3)地面敷設(shè)與頂棚敷設(shè)供暖時，室內(nèi)水平溫度場均分布比較均勻，但兩種敷設(shè)方式存在外高內(nèi)低的情況。主要原因為頂棚與地面敷設(shè)的毛細(xì)管網(wǎng)靠近外窗安裝。這種設(shè)計不僅滿足了室內(nèi)溫度場的需求，同時，也避免了毛細(xì)管網(wǎng)對房間內(nèi)區(qū)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的影響。

4)墻面水平溫度場則內(nèi)高外低，與墻面與頂棚不同。并且墻面(右墻)供暖時，造成室內(nèi)溫度場右側(cè)明顯高于左側(cè)。

5)綜合兩種水平溫度場，頂棚敷設(shè)與地面敷設(shè)方式效果相近，且優(yōu)于墻面敷設(shè)。

6)墻面敷設(shè)供暖時，d、e點位于房間內(nèi)區(qū)，并且內(nèi)區(qū)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備不斷發(fā)熱，故這兩點溫度較高，同時，由于實驗期間實驗人員坐在墻面敷設(shè)供暖房間的e點附近，因此，該點溫度明顯高于其他測點。

7)墻面敷設(shè)供暖時，輻射的不對稱給人的主觀感受最差。輻射的不對稱性是指由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度的差異導(dǎo)致人體感到自身局部的冷熱差異。地面敷設(shè)給人腳暖頭涼的感覺，最舒適。頂棚敷設(shè)給人頭暖腳涼的感覺，較適中。但是，墻面敷設(shè)給人身體左右溫度不同，很不舒適。因此，可兩側(cè)墻對向同時敷設(shè)，降低單面供暖引起的室內(nèi)人員的不適感。

圖12 3種敷設(shè)方式空間水平溫度分布Fig.12 The horizontal temperature distribution

3 結(jié)論

在實驗條件下通過對毛細(xì)管網(wǎng)頂棚、墻面、地面輻射供暖系統(tǒng)冬季運行工況及室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)分析得出以下結(jié)論。

1)35 ℃供水溫度工況下，3種敷設(shè)方式供暖時，室內(nèi)溫度均≥16 ℃。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供暖時，穩(wěn)定時人員活動區(qū)空氣溫度依次為16.53、16.40、16.95 ℃。

2)毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層越薄，輻射表面溫度越高，室內(nèi)溫度達(dá)到要求的熱響應(yīng)時間越短。頂棚、墻面、地板輻射毛細(xì)管網(wǎng)供暖時，室內(nèi)溫度達(dá)到要求的熱響應(yīng)時間依次遞增，輻射表面溫度依次為29.21、28.17、22.98 ℃。

3)無論是坐姿縱向溫差還是站姿縱向溫差，地面敷設(shè)供暖時縱向溫差明顯低于頂棚敷設(shè)與墻面敷設(shè)，具有更高的舒適性。墻面敷設(shè)供暖站姿時，縱向最大溫差為3.35 ℃，不滿足ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)。

4)3種敷設(shè)方式供暖均宜進(jìn)一步優(yōu)化。傳統(tǒng)地面供暖時宜減小地面毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層厚度，提高輻射表面溫度；墻面供暖時宜兩側(cè)墻對向同時敷設(shè)，降低單面供暖引起的室內(nèi)人員的不適感；頂棚供暖時宜加新風(fēng)系統(tǒng)，減弱頂部熱堆積的現(xiàn)象，以增強換熱效果。

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