嚴寒地區被動房輻射樓板換熱性能實驗研究

吉玉辰， 王昭俊， 蘇小文

(1.哈爾濱工業大學建筑學院,黑龍江哈爾濱150006；2.哈爾濱工業大學寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室,黑龍江哈爾濱150006)

1 概述

我國近年來相繼建成了一些被動式超低能耗綠色建筑(以下簡稱被動房)，其中哈爾濱某住宅樓引進德國被動式超低能耗建筑技術，該被動房于2014年獲得德國被動房認證。其外墻采用厚度為200 mm的陶粒混凝土砌塊，外加厚度為300 mm的聚苯乙烯保溫板，墻體的傳熱系數為0.13 W/(m2·K)。外窗采用單框三玻雙Low-E鋁包木窗，傳熱系數為0.8 W/(m2·K)。上述指標均滿足德國被動房標準。冬季供暖和夏季供冷均采用頂棚輻射和置換通風復合系統。冬季熱源由市政熱網提供，入戶前設置混水裝置，夏季冷源由地源熱泵提供。通過置換通風方式送入室外新風，同時對室內空氣冬季加濕、夏季除濕，以滿足人們的熱舒適要求和生理衛生需求。

該建筑共有3個單元、66戶住戶。王昭俊教授領導的課題組(以下簡稱課題組)于2015—2016年冬季供暖期間對該被動房的室內熱環境、室內空氣品質、噪聲等環境參數進行了現場測試。測試結果表明，其平均室溫為25.5 ℃，高于GB/T 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(以下簡稱GB/T 50736—2012)第3.0.1條規定的上限值(24 ℃)，建議適當降低室溫[1]。

由于目前相關設計規范中規定的供暖室內計算溫度范圍較寬，以及運行調節等問題，導致人們片面追求高溫供暖的控制目標而忽視了人體對熱環境的適應性，部分建筑供暖房間溫度甚至超過24 ℃[2]。既浪費能源，又不舒適。尤其在目前應用越來越多的節能建筑中，其建筑保溫隔熱性能普遍提高了，室溫過高帶來的熱不舒適更加明顯。因此，有必要研究冬季室溫的調節策略。

目前對頂棚或地面輻射供暖、供冷系統的換熱性能研究較多，例如，丁艷蕊等針對重慶地區開展了雙面輻射供暖樓板換熱性能的實驗研究[3]，劉海[4]實驗研究了雙面輻射供冷系統的換熱性能，計算了室內的輻射換熱量、平均輻射溫度、輻射換熱系數等參數。李嚴[5]對頂棚輻射換熱特性進行了實驗和數值模擬研究。哈爾濱地處嚴寒地區，冬季的室外溫度和濕度比重慶更低，而目前對該地區的被動房常采用的頂棚輻射和置換通風復合系統營造的室內熱環境與熱舒適性的研究甚少。課題組近期對上述哈爾濱地區的被動房的調研結果表明：冬季室溫較高，不同住戶室溫不均。如何進行復合系統的供回水參數調節才能夠滿足舒適的室溫要求？因此，尚需深入系統地研究該復合系統中人體與環境輻射換熱以及系統的優化控制問題。本文通過實驗研究該被動房樓板的傳熱性能，為后續樓板傳熱模型提供實驗數據。

2 實驗概況

2.1 研究對象

實驗選取該被動房中某樣板間作為實驗對象。該被動房共有11層，實驗選取的樣板間位于第3層。該樣板間采用頂棚輻射供暖。樣板間平面圖見圖1，實驗測點布置在起居室。起居室的使用面積為27.8 m2，凈高為2.78 m，南墻為外墻，其余均為內墻。

頂棚輻射供暖的供、回水設計溫度分別為30、28 ℃。每戶入口設置獨立調節閥，可以調節室內溫度。加熱管采用PB管，采用回形敷設，管道外直徑為20 mm，內直徑為16 mm，管道中心間距為250 mm，加熱管長度為72 m。管道中心距頂棚表面的距離為70 mm。整個樓板自上而下的各層結構及其厚度分別為：木地板10 mm，泡沫塑料襯墊3 mm，細木工板12 mm，木龍骨90 mm(木龍骨內敷設外直徑為75 mm的新風管)，找平層15 mm，鋼筋混凝土樓板160 mm，內抹面20 mm。樓板構造見圖2。

圖1 樣板間平面圖

圖2 樓板構造

2.2 實驗目的

本次實驗的目的是通過測試供回水溫度、圍護結構表面溫度、室內空氣溫度，計算輻射換熱系數和表面傳熱系數、輻射和對流熱流密度以及總熱流密度。研究輻射和對流換熱占比，以及總熱流密度與頂棚表面溫度之間的關系。

2.3 測試參數及測試方法

① 室外空氣溫度：采用溫濕度自動記錄儀記錄室外空氣溫度，每5 min記錄1次數據。

② 供回水溫度：采用溫濕度自動記錄儀測試供回水溫度，測點布置在實驗樣板間熱力入口的管壁上。由于管壁很薄，假定管壁溫度與水溫相等。

③ 房間圍護結構表面溫度、室內空氣溫度：測試儀器為銅—康銅熱電偶，數據采集儀型號為Agilent34970系列。樣板間圍護結構的表面溫度測點布置方式為：在頂棚和地面的對角線四等分點上布置5個測點，在內墻表面、外墻及外窗內表面中心水平線上均勻布置3個測點。空氣溫度測點布置方式：在房間中心不同高度處布置熱電偶，高度分別為0.6 m、1.1 m、1.7 m、2.2 m。

2.4 實驗工況

測試時間為2018年1月1日至18日。本次實驗共分為4個工況，見表1。

表1 實驗工況

受實驗條件所限，本次實驗沒有測量供水流量。按照輻射供暖設計流速0.2 m/s計算，供水流量為0.145 m3/h。

3 實驗結果

3.1 供回水溫度

工況2～4供回水溫度見圖3。工況1為未供暖工況，該工況下，樣板間供暖調節閥門關閉，而其余戶均正常供暖。因此，工況1中，無供回水溫度。工況2～4，供暖運行，供水溫度日平均值分別為30.0 ℃、30.7 ℃、31.6 ℃，回水溫度日平均值分別為25.3 ℃、27.7 ℃、28.5 ℃。在每個工況3天前，就已調節供水溫度，每個工況均已穩定。

圖3 工況2～4供回水溫度

3.2 頂棚、地面表面溫度

圖4和圖5分別給出了樣板間頂棚和地面的表面溫度。

圖4 頂棚表面溫度

圖5 地面表面溫度

本文中頂棚表面溫度是指頂棚表面5個測點的平均值。其他各圍護結構表面溫度定義與之類似。由圖4、5可知，頂棚和地面的表面溫度均相對穩定，工況1～4的頂棚表面溫度日平均值分別為21.8 ℃、25.5 ℃、27.7 ℃、28.5 ℃，工況1～4的地面表面溫度日平均值分別為21.6 ℃、23.0 ℃、23.9 ℃、24.7 ℃。對于供暖工況1～4，頂棚表面溫度均高于地面表面溫度，且隨著供水溫度的升高，頂棚與地面表面溫度之差越來越大，這就意味著地面表面溫度上升幅度小于頂棚表面溫度上升幅度。

3.3 室內空氣溫度

工況1～4的室內空氣溫度見圖6。

圖6 室內空氣溫度

由圖6可知，工況1～4的室內空氣溫度基本穩定，日平均值分別為20.8 ℃、21.9 ℃、22.9 ℃、24.0 ℃。對于工況1，依靠戶間傳熱，就能保證室內空氣溫度達到21 ℃左右。對于供暖工況2～4，室內空氣溫度逐漸上升，并且供水溫度在30.0～31.6 ℃范圍內每上升1 ℃，室內空氣溫度上升1.3 ℃。

3.4 操作溫度

對于輻射供暖環境，用操作溫度來描述人體實際感受到的溫度更加適宜。因此，本文給出4個工況下的操作溫度，見圖7。

圖7 操作溫度

樣板間操作溫度計算公式如下[6]：

to=0.5ta+0.5tr

(1)

式中to——操作溫度，℃

ta——室內空氣溫度，℃

tr——平均輻射溫度，℃

Ai——樣板間第i個圍護結構表面的面積，m2

ts,i——樣板間第i個圍護結構表面的溫度，℃

公式(2)中的圍護結構包括頂棚、地面、南外墻、南外窗、東墻、西墻、北墻。

由圖7可知，工況1～4的操作溫度日平均值分別為21.1 ℃、22.6 ℃、23.8 ℃、24.7 ℃。對于供暖工況2～4，操作溫度比室內空氣溫度高約0.7 ℃。而對于工況1，操作溫度僅比空氣溫度高0.3 ℃。因此，對于輻射供暖環境中，宜采用操作溫度或修正的空氣溫度作為供暖室內設計溫度，例如，應保證室內操作溫度不低于18 ℃。JGJ 142—2012《輻射供暖供冷技術規程》第3.3.2條規定：全面輻射供暖室內設計溫度比GB/T 50736—2012中規定值可降低2 ℃。對于頂棚輻射供暖來說，這項標準值(2 ℃)可能偏大。

4 頂棚和地面換熱性能分析

4.1 輻射換熱

頂棚的輻射換熱系數計算公式如下[7]：

式中hr——輻射換熱系數，W/(m2·K)

ε——頂棚的表面發射率，取0.9

σ——斯忒藩-玻爾茲曼常量，W/(m2·K4)，取5.67×10-8W/(m2·K4)

Ts,1——頂棚表面溫度，K

Tfj——室內非加熱表面的面積加權平均溫度，K

Ts,i——樣板間第i個圍護結構表面溫度，K

公式(4)中的非加熱表面(即圍護結構表面)包括地面、南外墻、南外窗、東墻、西墻、北墻的內表面。

由公式(3)、(4)可以計算出頂棚的輻射換熱系數，頂棚輻射換熱系數見圖8。由圖8可知，隨著供水溫度(或頂棚溫度)的升高，頂棚輻射換熱系數也相應升高。

圖8 頂棚輻射換熱系數

輻射熱流密度計算公式如下：

qr=hr(Ts,1-Tfj)

(5)

式中qr——輻射熱流密度，W/m2

圖9給出了不同工況下的頂棚輻射熱流密度。

圖9 頂棚輻射熱流密度

工況1～4的平均輻射熱流密度日平均值分別為2.62 W/m2、15.38 W/m2、20.59 W/m2、22.68 W/m2。未供暖工況下，盡管熱流密度很小，但由于建筑圍護結構保溫性能很好，室內空氣溫度仍可以保證在21 ℃左右(見圖6)。

4.2 對流換熱

在本次測試中，各工況環境參數相對穩定(見圖4～6)，因此，逐時計算表面傳熱系數。表面傳熱系數基于自然對流換熱準則關聯式計算[7]：

Nu=C(Gr·Pr)n

(6)

式中Nu——努塞爾數

C——實驗確定的常數，頂棚對流換熱時，C為0.58；地面對流換熱時，C為0.54

Gr——格拉曉夫數

Pr——普朗特數

n——實驗確定的常數，頂棚對流換熱時，n為0.2；地面對流換熱時，n為0.25

根據公式(6)可計算得出Nu，根據Nu可計算表面傳熱系數：

式中hc——表面傳熱系數，W/(m2·K)

λ——空氣熱導率，W/(m·K)

l——定型尺寸，取圍護結構表面長和寬的平均值，m

頂棚表面傳熱系數見圖10。

圖10 頂棚表面傳熱系數

由圖10可知，頂棚表面傳熱系數隨著供水溫度的升高而升高，與輻射換熱系數的變化趨勢一致。對比圖8和圖10可知，輻射換熱系數比表面傳熱系數高一個數量級。

根據公式(8)可計算頂棚對流熱流密度。

qc=hc(Ts，1-Ta)

(8)

式中qc——對流熱流密度，W/m2

Ta——室內空氣溫度，K

頂棚對流熱流密度見圖11。

圖11 頂棚對流熱流密度

由圖11可知，工況1～4的平均對流熱流密度日平均值分別為0.3 W/m2、1.42 W/m2、1.89 W/m2、2.13 W/m2。

4.3 地面熱流密度

類似于頂棚傳熱計算，可以得到地面輻射與對流熱流密度，結果見表2。

表2 地面輻射與對流熱流密度

由表2可知，工況2～4地面輻射熱流密度日平均值均為負值，對流熱流密度日平均值為正值，這是由于此時地面表面溫度低于平均輻射溫度，但高于室內空氣溫度。總體來說，總熱流密度為負值，即室內向地面傳遞少許熱量。這說明在此樓板構造中，熱量通過頂棚向下傳遞。

4.4 總熱流密度與頂棚表面溫度的關系

總熱流密度包括輻射熱流密度和對流熱流密度。

通過第4.1節和4.2節的計算，可以得到4個工況下的頂棚輻射、對流以及總熱流密度，結果見圖12。

圖12 輻射、對流熱流密度及總熱流密度與頂棚表面溫度之間的關系

由圖12可知，工況1～4的輻射換熱占比分別為89.7%、91.5%、91.6%、91.4%。對于供暖工況2～4，輻射換熱占比約為91.5%，與文獻[5]結論一致。

總熱流密度隨著頂棚表面溫度(或供水溫度)的升高而升高。對總熱流密度與頂棚表面溫度的關系進行線性回歸，得到這兩者的關系，見公式(9)、(10)。

qt=3.26ts,1-67.62

(9)

R2=0.988

(10)

式中qt——總熱流密度，W/m2

ts,1——頂棚表面溫度，℃

R——相關系數，其表明變量之間線性相關程度

R2——決定系數，其值越接近于1，表明自變量對因變量的解釋程度越高

由圖12可知，總熱流密度和頂棚表面溫度之間的線性關系強。因此，通過測試頂棚表面溫度，即可預估通過頂棚傳遞的總熱流密度。

5 結論

本文對嚴寒地區某被動房樣板間的樓板傳熱性能進行了實測，實驗樣板間位于第3層，僅南墻為外墻，室外空氣溫度在-8.9～-2.1 ℃范圍，供水溫度在30.0～31.6 ℃范圍，得到以下結論：

① 當室外溫度為-2.1 ℃，鄰戶正常供暖，但該樣板間未供暖時，其室內空氣溫度也能達到21 ℃左右。供暖開啟后，供水溫度在30.0～31.6 ℃范圍內每上升1 ℃，室內空氣溫度上升1.3 ℃。

② 該被動房為頂棚輻射供暖，輻射換熱占比約為91.5%。在頂棚輻射換熱量計算中，可以根據輻射熱流密度估計總熱流密度。輻射換熱系數和表面傳熱系數隨供水溫度的升高而升高，且輻射換熱系數比表面傳熱系數高一個數量級。

③ 頂棚輻射供暖中，總熱流密度隨頂棚表面溫度(或供水溫度)的升高而升高。總熱流密度和頂棚表面溫度之間存在很強的線性關系。