地槽式散熱器在上海地區的適用性分析

陳　剛

（奧雅納工程咨詢（上海）有限公司，上海200031）

地槽式散熱器在上海地區的適用性分析

陳剛

（奧雅納工程咨詢（上海）有限公司，上海200031）

地槽式散熱器提供空調供熱的方式在英國、北歐、韓國等國家和地區廣泛使用，但在國內的夏熱冬冷地區尚未普及。本文擬對該散熱器采暖系統在上海地區高檔辦公標準層中的適用性進行分析與研究，包括工作原理、舒適度、運行及維護等。

地槽式散熱器；工作原理；熱舒適模擬分析；運行及維護

0　引言

地槽式散熱器（Trench Heater）是替代傳統散熱器的一種新型末端設備，它一般設置在幕墻周邊，利用暗裝在地槽內的熱水管或電加熱管加熱室內空氣，并通過對流及輻射方式向房間供暖。

地槽式散熱器的供熱介質為熱水或電加熱。電加熱式地槽式散熱器一般只作為一種輔助供熱手段。這種方式不節能，但是可以作為VAV系統的一種保障，以滿足使用者不同的需求，并避免水患。但是，根據上海市節能規范，這種方式不被允許。因此，以下分析僅針對熱水式地槽式散熱器。

1　工作原理

地槽式散熱器末端對流方式有自然對流和強制對流兩種。

自然對流是利用冷空氣受熱自然上升的原理，在幕墻周邊形成一道溫暖的空氣幕，以滿足供熱需求并抵消冷表面（如大面積玻璃幕墻）等造成的不適感。自然對流型地槽式散熱器屬于即時安裝的供暖裝置，是安裝在大面積落地窗前的理想選擇。供水采用低壓熱水，供水溫度越高效果越好。

強制對流散熱器則是在自然對流的基礎上增加風機，這種方式可以極大地增加散熱量，但需要注意噪聲等問題。帶風機的對流型地槽式散熱器包括貫流風機型、離心風機型和置換通風型三種。帶風機的散熱器效果好的風機的噪音約36dbA。

圖1　地槽式散熱器原理圖

根據使用目的，地槽式散熱器可分為單制熱、單制冷和冷暖兩用三類。

在歐美國家，對流式散熱器使用有較長的歷史，其研究成果及生產水平也處于較領先的地位。[1，2]在國內，尤其在北方地區的公共建筑及商業建筑內，地槽式散熱器也逐步得以推廣應用，如沈陽財富中心、北京會議中心、天津美術館、遼寧科技館、石家莊機場等。

2　系統設計要點

上海位于夏熱冬冷地區，春秋較短，冬夏較長。年平均氣溫15.8℃。7月最熱，市區平均氣溫27.8℃，1月最冷，平均氣溫市區3.6℃。冬、夏季室外設計溫度分別為-2.2℃及34.4℃。

辦公室的空調冷熱負荷有以下特點：

（1）內熱冷負荷：由室內照明、設備和人員的發熱量組成的冷負荷，這部分冷負荷較為穩定，不受室外氣象因素的影響。

（2）空調外區：直接受外圍護結構日照得熱、溫差傳熱、輻射換熱和空氣滲透影響的區域。外區的空調負荷包括外圍護結構冷負荷或熱負荷以及內熱冷負荷。由于地理位置和氣候條件的影響，外區有時需要供冷有時需要供熱，而這種冷熱變化的需求并非完全隨季節變化而變化。比如在過渡季節甚至在冬季，東面朝向的房間在早晨受到日照得熱需要供冷，而西面朝向的房間由于沒有日照得熱，則需要供熱。

（3）空調內區：與建筑物外圍護結構有一定距離，具有相對穩定的內熱冷負荷的區域。它不受外圍護結構的日照得熱、溫差傳熱和空氣滲透等影響。內區全年僅有內熱冷負荷，隨區域內照明、設備和人員發熱量的狀況而變化，通常全年需要供冷。

從上述介紹可知，辦公室的空調負荷特性是存在內外分區和朝向分區的，外區根據氣象因素變化有時供冷有時供熱，而內區則需要常年供冷。要在過渡季節和冬季同時滿足內外區人員的舒適性，就需要采用四管制的空調水系統同時供冷供熱。

目前上海高檔辦公樓主要采用變風量（VAV）空調系統。其工作原理是室內空氣及室外新風經過空調箱進行熱濕處理后，通過送風管送向布置在不同溫度控制區的變風量末端裝置，末端裝置會根據室內冷熱負荷變化自動調節送入室內的空氣量。當室內冷熱負荷減小時，末端裝置會減小送風流量，系統所需總風量也相應減少，這時，自控系統會通過變頻器降低空調箱的風機轉速，風機用電量減少達到節能的目的。為滿足全年內外區人員的舒適性，通常的做法是變風量空調箱全年處于制冷工況，末端變風量裝置根據內外區分別布置，在外區需要供熱時，通過外區變風量末端上的熱水盤管將風機的循環風量再熱達到供熱效果及較好的氣流組織。其系統平面示意圖如圖2所示。

圖2　VAV平面系統圖

變風量空調+地槽式散熱器系統是在原變風量空調末端的基礎上，將外區加熱水管移位到地板，即外區變風量末端由并聯風機動力型改為單風道型。加熱水管布置在下層的吊頂內。與VAV系統相比，此系統在沿窗邊增設地槽式散熱器，散熱器設置在架空地臺中，負擔外區的熱負荷。在冬季，靠近散熱器的空氣被加熱，熱空氣上升，形成自然對流。經加熱的空氣沿窗上升，阻止窗邊冷氣流進入室內，同時給窗玻璃加熱，減少其對室內的輻射傳熱。相比較于采用地臺風機盤管系統，避免了外區風機盤管噪音問題，并可顯著降低玻璃上的冷凝現象。所需吊頂空間與變風量空調系統一致。

此系統平面示意圖如圖3所示。

圖3　VAV+地槽式散熱器平面系統圖

根據該系統的原理可知，辦公室夏季內外區和冬季內區的冷負荷由變風量空調系統承擔，冬季外區的熱負荷由地槽式散熱器供熱系統承擔。由于冬季冷熱分開處理，使得內外分區在冬夏季略有區別，冬、夏季外區進深分別為3m、5m。因此該系統外區風口設置在冬季的內外區分界處（3m），即在冬季，VAV系統全部處在內區，但需提供外區所需新風量。

綜上所述，VAV+地槽式散熱器是以VAV為基礎的一種優化方案，它解決了VAV系統的噪聲問題，并在熱舒適度上有進一步的提升，運行費用更低且不增加安裝空間。

3　熱舒適度分析

空氣在房間里的流動涉及到氣體流動、傳熱傳質等多方面的內容[3]。本文使用流場計算軟件Phoenics對室內氣流的流動進行模擬計算，以比較VAV+地槽式散熱器與VAV系統的性能。在計算時，采用混合格式、κε湍流模型，并考慮重力的影響。

該模型采用如下設置：

（1）模擬的房間尺寸為20m×20m×3.2m；

（2）除外區作為參照物的一名人員外，本模擬不考慮內熱；

（3）室內溫度設計點定為22℃（熱舒適溫度，operative temperature），送風量及送風溫度均根據模型實際負荷確定；

（4）外圍護結構負荷根據通過軟件計算確定，根據計算結果，圍護結構每延米的負荷約為228W/m；

（5）在VAV模型中，外圍護結構負荷由外區VAV承擔。外區送風量為10800m3/h，送風溫度為27℃；由于不考慮內熱，內區送風量為6075m3/h，送風溫度為22℃；

（6）在VAV+地槽式散熱器方案中，外圍護結構熱負荷由地槽式散熱器承擔。由于不考慮內熱，外區送風量為10800m3/h，內區送風量為6075m3/h，送風溫度均為22℃；

（7）熱水供回水溫度為55/45℃；

（8）檢測點取在內外區交界處的工作區域（離地面高度為1.2m）；

（9）為降低噪聲，選用自然對流式地槽式散熱器。

模擬使用的模型如圖4、圖5所示。

圖4　VAV方案

此方案外區VAV冬季再熱后供熱，內區為單風道，冬季供冷。

圖5　VAV+地槽式散熱器方案

VAV末端均為單風道，內外區送風溫度相同。外區設置地槽式散熱器。

兩方案的模擬結果對比如下：

3.1溫度分布

圖6　VAV方案溫度分布

由于熱量隨送熱風從吊頂進入，因此豎向溫差較大，人員所在高度范圍內，豎向溫差達到1.5℃，人體頭部所在環境溫度較高。此外，為達到22℃的設定熱舒適溫度，室內空氣溫度較高，約為23.5℃。

圖7　VAV+地槽式散熱器方案溫度分布

由于熱量由地槽式散熱器提供，因此豎向溫差較小，人員所在高度范圍內，豎向溫差約為0.5～1℃，人員下肢溫度較高。此外，由于地槽式散熱器的存在，較低的空氣溫度（22℃）即可達到較高的舒適溫度。但由于進出水溫較低，因此加熱的空氣沿窗上升，阻止窗邊冷氣流進入室內的效應雖存在，但并不明顯。

3.2流速

圖8　VAV方案流速分布

圖8在模擬條件下，氣流組織較高，人員所在范圍內，空氣流速約為0.04m/s，吹風感較小。

圖9在模擬條件下，氣流組織較好，人員所在范圍內，空氣流速約為0.05m/s，吹風感較小。

3.3PMV

圖10由于內外區送風溫度不同，檢測面的PMV分布差異較大。檢測點PMV值為0.35左右。

圖9　VAV+地槽式散熱器方案流速分布

圖10　VAV方案PMV分布

圖11　VAV方案PMV分布（工作平面）

圖11工作平面PMV分布較為均勻，PMV值均在0.3左右。

圖12方案下檢測面的PMV分布差異較小。檢測點PMV值為0.03，舒適度較高。

圖13工作平面PMV分布較為均勻，PMV值在0～0.1之內。

圖12　VAV+地槽式散熱器方案PMV分布

圖13　VAV+地槽式散熱器方案PMV分布（工作平面）

由模擬結果可知，VAV+地槽式散熱器方案較常規VAV系統更為舒適。此外，地槽式散熱器主要通過對流與輻射換熱，因此即使整體平均空氣溫度較低，但人員活動區域可達到較高的舒適度，較VAV系統更為節能。

4　清潔維護及防水患措施

4.1清潔維護

由于風口設置于地面，細小雜物容易通過條形風口掉入管槽內，此外長期積灰容易影響散熱器的散熱性能，需要進行定期的清潔維護。該設備的清洗較為方便，將頂部格柵拆卸后可通過吸塵器等進行清洗。

此外，在夏季等不需要采暖的季節，頂部可用覆蓋板覆蓋，從而避免散熱器受到污染。

4.2防水患措施

根據考察項目的物業管理經驗，如果安裝質量控制好及系統維護好，該系統漏水可能性較小。實際應用中可采取以下措施防止或減少水患：

（1）設置漏水傳感器；

（2）散熱器與架空地臺間可設置隔板以減小水患對地臺內管線的影響；

（3）局部進行降板處理，設置地漏。

5　結語

VAV+地槽式散熱器方案在傳統變風量系統基礎上，營造良好的冬季室內熱環境，提高了舒適度。標準層周邊散熱器可與地臺結合，滿足凈高的需求；初投資成本較VAV系統雖有增加，但舒適度高且系統運行費用低。

根據模擬結果，在熱水供回水溫度為55/45℃的條件下，室內溫度波動較小，垂直溫差也較小，此時既可滿足舒適度要求，又可以有效降低能耗。

總體而言，在上海地區，VAV+地槽式散熱器易與建筑配合、外形美觀，并且可以以較低的供回水溫實現較高的舒適度，是一種值得推薦的高效采暖空調末端方案。

[1]張偉，等.低溫地板采暖與散熱器采暖效果的對比分析[J].太陽能學報，2005，26（3）.

[2]汪建生，等.四種供暖方式的分析比較[J].暖通空調，2005，35（4）.

[3]張志強，等.室內空氣自然對流換熱的數值模擬研究[J].暖通空調，2004，34（3）：10～12.

Feasibility Study on Trench Heating System in Shanghai Area

CHEN Gang
（Arup Consultant Company Shanghai，Shanghai 200031，China）

Trench heating system has been widely used in the UK，North Europe and Korea，but is relatively less applied in hot-summer and cold-winter districts of China.A feasibility study has been performed to investigate trench heaters’feasibility in high-end offices in Shanghai.In this study，working principle，comfort level，operation and maintenance issues have been taken into consideration.

trench heater；working principle；comfort level；operation and maintenance

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.019

TU83

B

2095-3429（2015）05-0084-05

陳剛（1973-），男，工學學士，暖通工程師。

2015-10-08

2015-10-20