地板輻射與置換通風空調系統運行參數

宣永梅，王海亮，黃 翔

（西安工程大學 環境與化學工程學院，西安710048）

輻射供冷與置換通風復合系統的節能和舒適性已得到大量研究證明［1－4］，其防結露控制策略也有相關討論［5－6］。更為特別的是，輻射供冷系統使用的冷水溫度一般為16～18℃，高于常規空調系統，冷水溫度的提高，制冷機的COP值提高，在西北地區炎熱干燥的氣候條件，還可以使用蒸發冷卻、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，進一步提高復合系統的節能效果［7－10］。

輻射供冷復合系統屬于溫濕度獨立控制的半集中式空調系統，該系統中輻射供冷和新風系統共同承擔室內熱濕負荷，輻射供冷承擔房間部分顯熱負荷，風系統向室內提供新風，并承擔房間潛熱負荷和剩余顯熱負荷。由于結露是限制輻射供冷系統應用的一個主要因素，為避免結露，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，需要相應的增加新風承擔的負荷比例，雖然新風量的增加可提高室內空氣品質，但室內溫度梯度增加，人體舒適性下降，并且輸送相同的冷量，風系統的能耗高于水系統，輻射供冷舒適和節能的優勢得不到充分發揮。反過來，為充分發揮輻射供冷節能舒適的優勢，應增加輻射供冷承擔的比例，但這樣一來，風系統承擔的負荷比例減小，雖然室內垂直溫度梯度減小有利于系統舒適性的提高，但卻不利于房間污染物的排出，室內空氣品質下降，并且系統結露的可能提高。

文獻［11］對輻射供冷復合系統與VAV（變風量）系統的年運行能耗進行了對比發現，輻射供冷復合系統的節能效果、室內空氣品質及熱舒適性不僅與氣候條件有關，還與送風溫度、新風量、冷負荷以及新風送風方式等多種參數相關。在輻射供冷加新風復合系統中，如能合理分配冷負荷，則更能體現其優越性，既避免地板結露，增強地板供冷的效果，又能改善室內空氣品質。一般對于某一特定建筑而言，當建筑圍護結構、室內熱源、管間距、管徑、填充層和面層等參數確定后，影響輻射供冷與置換通風復合系統的主要參數是送風溫度、送風量、冷水供水溫度、冷水供水流量這4個變化量。文獻［12］采用CFD方法分析了負荷分擔率對住宅類建筑室內熱舒適性和空氣品質的影響。本文建立并驗證了地板輻射供冷加置換通風空調系統模型，采用Energy－Plus軟件分析復合系統用于辦公建筑時，上述4個變量對室內參數及熱舒適性的影響。

1 復合系統模型及驗證

文獻［7－9］對輻射供冷與置換通風復合系統進行了設計和實驗研究，本文在此實驗研究的基礎上，采用EnergyPlus軟件建立了該復合系統的模擬模型，見圖1。EnergyPlus軟件采用負荷／系統／設備集成模擬的方法，通過反饋將上述3個環節聯系起來，如圖2。

圖1 復合系統模擬圖

圖2 EnergyPlus模擬原理簡圖

EnergyPlus在進行負荷計算時，熱平衡引擎先根據房間空調溫度，計算每個時間步長（默認為15min，由用戶設定）的負荷，計算出的結果傳遞給建筑物系統的模擬模塊，建筑物系統模擬模塊計算供熱／冷系統、設備和電力系統等的響應，并將系統響應（如房間實際溫度）反饋給負荷計算模塊，當設定值與系統響應有偏差時，下一個時間步長在進行負荷計算時將會對空間溫度進行調整。由于3個模塊（負荷、系統、設備）之間的反饋，該軟件可以準確地模擬空間溫度，更可以準確地進行設備模擬和人員舒適性等計算。

為保證模擬的準確性，模擬時室內熱源及建筑結構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，送風狀態（平均溫度18.6℃、相對濕度86%）、送風量（181m3／h）、供水溫度（19℃），供水量（222kg／h）的設定也與實驗一致。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，置換通風模型在基于羽流方程的多層模型的基礎上得到，表1是采用EnergyPlus得到的模擬數據與實驗數據對比表。

表1 模擬結果與實驗數據對比表

由表1可得，在13：00—17：00時間段內，在相似的室外環境條件下，模擬得到的室內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環境相似。13：00—17：00時間段內，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31.80W，模擬時每平米承擔32.98W）。模擬與實驗的誤差主要是由于模擬的室外氣象條件、補償套間和樓下熱源特性、圍護結構、建筑材料的物理性質和測試間內熱源的特性與實際差異引起室內冷負荷不一致造成的，特別是補償套間和樓下的內熱源的熱量中的輻射部分的比例設置，對地板承擔冷量影響較大。模擬結果與實驗測試的最大誤差小于±7%，說明建立的系統模型及計算方法是較為準確的。

2 運行參數對供冷量和室內溫度的影響

在已驗證的復合系統模型基礎上，分析置換通風送風溫度和送風量、輻射供冷供水溫度和供水流量這4個參數對復合系統供冷量及室內各項溫度的影響，分析時各參數的上下限根據以下原則確定：

1）為防止表面產生凝露，供水溫度的下限為16℃。

2）為防止送入新風溫度低于室內設計溫度的露點溫度，送風溫度的下限為18℃。

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

4）復合系統屬于半集中式空調系統，其新風量不應小于最小新風量，本例中最小新風量取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供冷量的變化以及輻射地板表面溫度、室內平均溫度、AUST溫度（Areaweighted average temperature of uncontrolled surfaces in the room，室內非冷卻表面的加權平均溫度）的變化情況。模擬結果如圖3～6所示。

圖3 輻射地板供水溫度對供冷量和室內溫度的影響

圖4 輻射地板供水流速對供冷量和室內溫度的影響

圖5 置換通風送風溫度對供冷量和室內溫度的影響

圖6 置換通風送風量對供冷量和室內溫度的影響

為了便于分析，將圖3～6的變化規律總結到表2，分析表2和圖3～6可以發現：

表2 運行參數對供冷量和室內溫度的影響

續表2

1）當輻射地板的水溫和水流量參數改變時，輻射地板供冷量的變化率大于置換通風供冷量的變化率，此時輻射地板起主導作用，反之，當置換通風的風溫和風量參數改變時，置換通風供冷量的變化率大于輻射供冷量的變化率，此時置換通風起主導作用。

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＞送風溫度＞送風流量。

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

4）地板表面溫度、室內空氣平均溫度、AUST溫度的變化規律一致。

5）當輻射供冷系統變量（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＞室內空氣平均溫度變化量。

6）當置換通風系統變量（風量，風溫）改變1個步長時，室內空氣溫度變化量＞AUST溫度變化量＞地板表面的溫度變化量。

3 運行參數與系統熱舒適性

預測平均評價PMV（Predicted Mean Vote）代表了同一環境下絕大多數人的感覺，1984年國際標準化組織提出了室內熱環境評價與測量的新標準方法ISO 7730，該標準對PMV指標的推薦值在－0.5～＋0.5之間，相當于人群中允許有10%的人感覺不滿意［13］。EergyPlus在評價熱舒適的時，需要對室內人員的服裝熱阻、人體活動的機械效率、室內平均風速進行設定。根據文獻［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械效率近似為0，模擬系統室內風速經測量在0.1m／s左右［8－9］。

在以上的設定的基礎上，對表2中的工況1、2、3、4進行模擬，得到室內PMV值如圖7所示。對于地板輻射與置換通風復合系統，設計過程中輻射板的冷媒參數（冷水溫度、進出水溫差、水流量、水流速）通常由輻射板的設計供冷量、管徑以及空氣的露點溫度確定，而置換通風的風系統參數（送風量、送風溫度、送風速度）則由風系統承擔的負荷和人體熱舒 適 性 條 件 確 定［1，15］。 如 ASHRAE Handbook 2000建議輻射板冷水溫度應高于室內空氣露點溫度0.5℃，該參數范圍較大，對所研究的辦公室類建筑，表3總結了滿足室內熱舒適性的供水供風參數范圍，可供實際工程設計參考。

圖7 室內PMV值

表3 滿足室內舒適性PMV值的供風供水參數表

4 結 論

1）建立了地板輻射供冷加置換通風空調模型，在相似的室外條件情況下，室內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復合系統模型基礎上，分析置換通風送風溫度、置換通風送風量、輻射地板供水溫度、輻射地板供水流量4個參數對復合系統供冷量及輻射地板表面溫度、室內平均溫度、AUST溫度的影響規律。

3）結合熱舒適性模型，得到滿足室內熱舒適性（－0.5≤PMV≤0.5）的置換通風的送風參數和輻射地板的供水參數，為輻射供冷加置換通風設計提供一定的參考依據。

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