低溫?zé)崴┡覂?nèi)熱環(huán)境監(jiān)測(cè)及熱舒適性評(píng)價(jià)

程海峰 劉亞軍 王庚 唐光明 李海斌 朱紹峰

1安徽建筑大學(xué)建筑能效控制與評(píng)估教育部工程研究中心

2安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院

3建筑節(jié)能安徽省工程技術(shù)研究中心

0 引言

建筑環(huán)境不僅要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果，而且需要保障人體對(duì)環(huán)境舒適性的要求[1]。為達(dá)到舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，采用散熱器供暖時(shí)，供水溫度較高會(huì)引起散熱器表面與空氣間存在較大溫差，繼而導(dǎo)致室內(nèi)相對(duì)濕度顯著降低，容易引發(fā)室內(nèi)物體與空氣電離而增加人體靜電，因而人體會(huì)產(chǎn)生不適的燥熱感[2]。低溫?zé)崴┡m然能降低熱水在管道輸配時(shí)的熱損失，并能提高區(qū)域供暖的總效率[3]，但當(dāng)供水溫度過低時(shí)，顯然難以達(dá)到室內(nèi)供暖要求。因此，研究合適供暖熱水溫度來保證室內(nèi)環(huán)境對(duì)熱舒適性的要求具有重要意義[4]。

該研究主要考察夏熱冬冷地區(qū)（合肥）低溫?zé)崴┡癄顩r，設(shè)計(jì)了一種空氣源熱泵—散熱器供暖系統(tǒng)，在45.0℃/40.0℃供回水的條件下對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)、室內(nèi)黑球溫度、相對(duì)濕度、室外溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度等因素變化狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用Airpak軟件分析其熱舒適性，以期為空氣源熱泵—散熱器供暖系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 測(cè)試對(duì)象與方案

如圖1所示，為辦公室三維模型圖。該辦公室面積為26.04 m2（尺寸為6.2 m×4.2 m×3.0 m），其中南墻與西墻為外墻，在南外墻上有兩扇推拉窗，東墻為內(nèi)墻，北墻緊鄰走廊.窗臺(tái)高度為0.9 m，窗寬為1.8 m，窗高為2.0 m。本實(shí)驗(yàn)共布置3組長1.5 m、寬0.1 m、高0.78 m的散熱器。本實(shí)驗(yàn)熱源為一臺(tái)可調(diào)節(jié)供水溫度的空氣源熱泵機(jī)組，設(shè)計(jì)供回水溫度為45℃/40℃。

圖1 辦公室三維模型

為測(cè)得房間內(nèi)溫度、濕度、黑球溫度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，本實(shí)驗(yàn)采用如下儀器：K型熱電偶；JTDL-80型多通道熱電偶采集模塊；JT-IAQ-50型在線式熱舒適儀；無線式溫濕度巡檢儀、溫/濕度采集器。

圖2 測(cè)點(diǎn)水平分布圖

如圖2、3所示，為測(cè)點(diǎn)水平分布圖與垂直布置圖。室內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)ISO 7730[5]中對(duì)房間舒適性的規(guī)定，考慮了人的頭部（站姿、坐姿）、膝蓋處以及腳踝處對(duì)溫度的要求，在豎直方向上分別選取了h=0.1 m、h=0.5 m、h=1.1 m、h=1.7 m高度處作為室內(nèi)溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在水平方向選取9個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)36個(gè)點(diǎn)，圖2中編號(hào)為z=1.1 m處測(cè)點(diǎn)。

圖3 測(cè)點(diǎn)垂直分布圖

測(cè)試時(shí)間為2017年2月8日上午9:00至2017年2月12日下午17:00，2月8日為雨雪天氣，其余4天天氣為晴天，監(jiān)測(cè)期間室外溫度范圍為-1.0～10.8℃。

2 數(shù)值模擬研究模型

采用代數(shù)關(guān)系式把湍流粘性系數(shù)與時(shí)均值聯(lián)系起來的零方程模型，該模型在處理室內(nèi)問題時(shí)比k-ε湍流模型更容易收斂。采用有限容積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，并選擇二階迎風(fēng)格式提高計(jì)算精度。為簡(jiǎn)化該房間物理模型，提出如下假設(shè)：1）室內(nèi)氣體為不可壓縮、常物性、定常流，滿足Boussinesq密度假設(shè)；2）房間各壁面的傳熱均勻，各壁面作等溫、穩(wěn)態(tài)傳熱處理；3）室內(nèi)工況達(dá)到穩(wěn)定時(shí)dφ/dt=0[6]。根據(jù)以上假設(shè)其控制方程為：

測(cè)試房間只有西墻與南墻為外墻，因此設(shè)置邊界條件時(shí)假定房間東墻與北墻為絕熱墻，門窗處于關(guān)閉狀態(tài)，不考慮冷風(fēng)滲透影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別設(shè)定地板溫度為15.2℃，天花板溫度為16.9℃，外窗溫度為16.0℃。

3 結(jié)果分析

3.1 測(cè)試結(jié)果分析

3.1.1 房間內(nèi)平均溫度、相對(duì)濕度與室外溫度的關(guān)系

圖4為實(shí)驗(yàn)房間在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的室內(nèi)平均溫度、相對(duì)濕度與室外溫度變化曲線，實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)第1天為陰雨天，室外溫度化較為平緩且晝夜溫差變化不顯著，后4天天氣晴朗，晝夜溫差較大。第1天室內(nèi)平均溫度升高顯著，并在實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)后4天11:30至15:30之間存在峰值，其值在20.5℃～22.3℃；由于受到太陽輻射影響，致使室內(nèi)空氣溫度在該時(shí)間段可增加至22℃左右，在晚間無太陽輻射的狀況下，即使室外溫度變化顯著，但室內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定保持在19.3℃；系統(tǒng)運(yùn)行第1天16:00后室內(nèi)平均溫度由初始值11.3℃升至18.0℃，平均溫升速率為3.85℃/h；室內(nèi)相對(duì)濕度與室內(nèi)平均溫度兩者間變化趨勢(shì)明顯不同，在含濕量相等的情況下，相對(duì)濕度隨著室內(nèi)溫度升高而降低，其相對(duì)濕度最終穩(wěn)定在33%附近，室內(nèi)相對(duì)濕度與室內(nèi)平均溫度達(dá)到Ⅱ級(jí)熱舒適度要求[7]。

圖4 室外溫度、室內(nèi)平均溫度與相對(duì)濕度

3.1.2 房間內(nèi)垂直溫度變化

如圖5所示，分別為在0.1 m、0.5 m、1.1 m、1.7 m處的平均溫度變化曲線與室外溫度的關(guān)系。4個(gè)不同高度的溫度隨時(shí)間變化逐漸升高后趨于穩(wěn)定，在后4天11:30～15:30存在明顯峰值，4處平均溫度依次增高，其最大值為22.5℃，最小值為17.8℃?？諝鉁囟仍?1:30～15:30時(shí)間段內(nèi)存在峰值，是由于午間太陽光輻射引起室內(nèi)空氣溫度的升高，后續(xù)時(shí)間段因太陽輻射逐漸減少使溫度降低并恢復(fù)平穩(wěn)。4個(gè)不同高處后4天室內(nèi)溫度最大波動(dòng)幅度為7.0%、7.1%、8.4%、9.2%，可見隨著垂直高度越高溫度波動(dòng)明顯。在垂直方向上，1.7 m處與0.1 m處溫差最大為3.8℃，但后4天平均垂直溫差為2.8℃，滿足熱舒適性對(duì)垂直溫差的要求[7]。0.5 m處于0.1 m處平均溫差可達(dá)1.5℃，而1.7 m處與1.1 m處平均溫差僅為0.4℃，因此，在0.1 m～1.7 m之間室內(nèi)空氣溫度增長率隨高度增加而降低。

圖5 室內(nèi)垂直溫度

3.1.3 房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度、黑球溫度與空氣溫度

如圖6所示，為2月9日至12日圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度、黑球溫度與室內(nèi)空氣溫度之間的關(guān)系。在15:30～11:30之間，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度波動(dòng)幅度小于1℃，但在每天11:30至15:30之間溫度升高幅度較大，最大升高為2.4℃；黑球溫度、室內(nèi)空氣溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度變化趨勢(shì)一致，溫度最大升高分別為2.1℃、1.9℃。散熱器表面溫度的變化引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度小于1℃的波動(dòng)，并且該內(nèi)表面溫度在18.4～20.2℃范圍內(nèi)變化是受外窗太陽輻射熱的影響；圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的變化引起室內(nèi)輻射溫度的變化，從而導(dǎo)致黑球溫度與室內(nèi)空氣溫度變化，所以3條曲線變化趨勢(shì)一致，而且黑球溫度處在空氣溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度之間?？諝鉁囟扰c圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度差值范圍為1.7～2.8℃，黑球溫度與空氣溫度的溫差為0.4～1.5℃，而與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫差為1.3～2.2℃，其差值均處在建筑熱工對(duì)房間熱舒適性要求的范圍之內(nèi)；黑球溫度與空氣溫度的差值小于黑球溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的差值，表明使用低溫散熱器供暖時(shí)人體受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷輻射的影響較小[8]。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度、黑球溫度與空氣溫度

3.2 數(shù)值模擬分析

3.2.1 溫度分布

如圖7所示，為x=3.1 m處的溫度云圖。以散熱器為中心，室內(nèi)空氣溫度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，并在散熱器周圍小范圍內(nèi)空氣溫度變化較大，在散熱器垂直方向溫度快速由30.2℃變?yōu)?4℃，遠(yuǎn)離散熱器溫度逐漸穩(wěn)定在22.5℃。近地面區(qū)域溫度較低，且溫度波動(dòng)較大，在0.2 m處與0.1 m處溫差可達(dá)1.1℃，隨之溫度逐漸升高，2.8～3.0 m處溫度略有降低，在2.8 m處存在最大值為21℃，這是因?yàn)殡S著熱空氣的流動(dòng)引起熱量向維護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞，熱空氣變?yōu)槔淇諝舛鴮?dǎo)致溫度降低。

如圖8所示，為該實(shí)驗(yàn)z=1.1 m處測(cè)試結(jié)果與模擬值對(duì)比圖。選取2月9日～2月11日的平均值做為測(cè)試值由圖可知測(cè)試與模擬數(shù)值基本一致，最大誤差為5.3%。與模擬結(jié)果相比，靠近散熱器一側(cè)測(cè)點(diǎn)受到散熱器輻射的影響導(dǎo)致測(cè)試值偏大，靠近門的一端受到冷風(fēng)滲透的影響使得測(cè)量值低于模擬值，因此冷風(fēng)滲透對(duì)于溫度分布有一定的影響。

圖7 x=3.1 m處溫度云圖（單位：℃）

圖8 z=1.1 m處測(cè)試結(jié)果與模擬值對(duì)比圖

3.2.2 熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)PMV-PPD分析

本研究采用PMV-PPD指標(biāo)評(píng)價(jià)熱舒適性。PMV-PPD指標(biāo)是目前較為具有代表性的室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]。通過Airpak軟件獲得模擬如圖9、10所示結(jié)果。圖9為z=1.1 m處PMV值分布，靠近散熱器一端，PMV值波動(dòng)顯著，并且以散熱器為中心遞減，遠(yuǎn)離散熱器一端PMV值變化平緩，人體活動(dòng)區(qū)域PMV在-0.05附近。圖10為z=1.1 m處PPD值分布，散熱器上方PPD值最大達(dá)到6%，室內(nèi)人體活動(dòng)區(qū)域PPD值處于5.5%～6.5%。因此，滿足ISO 7730中推薦PMV、PPD的值的要求（-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%）[5]。根據(jù)熱感覺標(biāo)尺可知人體在該環(huán)境中感覺適中或微涼，因而采用低溫散熱器供暖的的小型辦公室具有較好的熱舒適性。

圖9 z=1.1 m處PMV值分布

圖10 z=1.1 m處PPD值分布

4 結(jié)論

1）在不考慮太陽輻射的前提下，該供暖系統(tǒng)室外溫度的波動(dòng)對(duì)室內(nèi)平均溫度的影響不顯著，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)溫升速率溫度為3.85℃/h，到達(dá)舒適溫度時(shí)間在可接受范圍之內(nèi)，在合肥地區(qū)該辦公室應(yīng)用時(shí)建議采取連續(xù)性供暖。

2）房間黑球溫度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的日平均溫差、黑球溫度與室內(nèi)空氣溫度的溫差均滿足人體對(duì)熱舒適度的要求。

3）溫度場(chǎng)模擬表明，在垂直方向上溫度并不是隨著高度的增加而一直升高，反而在2.8～3.0 m處溫度略有降低。PMV-PPD指標(biāo)滿足ISO 7730推薦值，因而可以判斷45℃供水溫度時(shí)室內(nèi)有較好熱舒適性。