不同末端形式下雙冷源輻射空調(diào)系統(tǒng)模擬研究

劉建峰 梁珍

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

近年來(lái)，因輻射空調(diào)系統(tǒng)末端具備運(yùn)行噪聲低，節(jié)能環(huán)保及節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)[1]，相關(guān)研究人員進(jìn)行了大量研究。Chiang W[2]等人應(yīng)用CFD 軟件對(duì)冷頂板輻射系統(tǒng)在亞熱帶地區(qū)辦公室的應(yīng)用進(jìn)行了熱舒適性研究。黃立志[3]等對(duì)不同輻射面組合情況下毛細(xì)管輻射系統(tǒng)的熱舒適和能耗進(jìn)行了分析。宣永梅[4]則運(yùn)用EnergyPlus 能耗模擬軟件建立了地板輻射加置換通風(fēng)系統(tǒng)模型，研究了不同送風(fēng)參數(shù)和供水參數(shù)下的室內(nèi)熱環(huán)境。

目前研究?jī)?nèi)容的空調(diào)主機(jī)大多局限于單冷源系統(tǒng)，毛細(xì)管輻射末端僅研究單個(gè)輻射面或僅對(duì)輻射面的組合進(jìn)行分析，對(duì)雙冷源輻射空調(diào)不同末端形式的熱舒適和能耗綜合分析的研究很少。

本文使用EnergyPlus 能耗分析軟件，建立了頂板/墻面輻射+置換通風(fēng)+雙冷源熱泵機(jī)組模型，對(duì)兩種不同的毛細(xì)管鋪設(shè)方式下的熱舒適和能耗特性進(jìn)行了模擬研究，模擬結(jié)果與VRV 空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行熱舒適性與全年能耗對(duì)比，得出系統(tǒng)最佳的末端形式。

1 別墅建筑模型

以上海地區(qū)某別墅為研究對(duì)象，該別墅為兩層，建筑總面積為264 m2，其中一層層高3.5 m，二層3.2 m，空調(diào)面積為154 m2。主要包括臥室、客廳、娛樂(lè)室、餐廳、廚房等房間[5]，簡(jiǎn)化后的別墅建筑平面圖如圖1所示。

圖1 別墅建筑平面圖

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本信息如下：外墻構(gòu)造：75 mm 聚氨酯擠塑板（外側(cè)）+150 mm 鋼筋混凝土。內(nèi)墻構(gòu)造：200 mm 加氣混凝土砌塊。樓板構(gòu)造：200 mm 鋼筋混凝土。屋頂構(gòu)造：100 mm 聚氨酯擠塑板（外側(cè)）+200 mm 鋼筋混凝土。地板構(gòu)造：30mm 聚氨酯擠塑板（外側(cè)）+150 mm 鋼筋混凝土。外窗構(gòu)造：6 mm Low-e 玻璃（外側(cè)）+12 mm 空氣層+6 mm 普通玻璃。

2 空調(diào)系統(tǒng)模型

本文的雙冷源輻射空調(diào)系統(tǒng)，是新一代節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)，其原理如圖2 所示。通過(guò)在空調(diào)末端中采用溫濕分控技術(shù)，同時(shí)在冷源中最大限度地使用高溫冷水機(jī)組或各種自然冷源，可以使空調(diào)系統(tǒng)的夏季綜合能效得到顯著提高，室內(nèi)空氣品質(zhì)和環(huán)境舒適度得到顯著改善。

圖2 雙冷源輻射空調(diào)系統(tǒng)原理圖

一般與別墅配套的空調(diào)系統(tǒng)，不但要求能夠提供高舒適的居住空氣品質(zhì)，還要滿足在檔次、個(gè)性、靜音、節(jié)能等方面的要求[6]。故本文建立如表1 三種空調(diào)系統(tǒng)，以多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)為模擬參照，對(duì)比不同末端形式下熱舒適和能耗情況。

表1 空調(diào)系統(tǒng)模型表

2.1 頂板輻射+置換通風(fēng)雙冷源空調(diào)模型

本模型系統(tǒng)采用兩臺(tái)地源熱泵組成雙冷源系統(tǒng)，一臺(tái)熱泵機(jī)組出水溫度18 ℃，承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷及新風(fēng)負(fù)荷。另一臺(tái)熱泵機(jī)組出水溫度7 ℃，供新風(fēng)機(jī)組深度除濕，承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷。氣流組織的形式采用置換通風(fēng)。毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)是一種可代替常規(guī)中央空調(diào)的新型節(jié)能舒適空調(diào)。系統(tǒng)以水作為冷媒載體，通過(guò)均勻緊密的毛細(xì)管席輻射傳熱。由于該系統(tǒng)所需的夏季冷凍源供水溫度只需16 ℃-19 ℃供回水溫度，冬季只需32 ℃-30 ℃供回水溫度，熱泵COP 較高，大大低于常規(guī)水空調(diào)夏季7 ℃-12 ℃和冬季45 ℃-40 ℃供回水所需的能耗，因而系統(tǒng)更的節(jié)能。本系統(tǒng)模型使用EnergyPlus 中的WaterHeater:HeatPump 模塊及Zone HVAC:Low Temperature Radiant:Variable Flow模塊[7]。

2.2 墻面輻射+置換通風(fēng)雙冷源空調(diào)模型

系統(tǒng)所用模塊與2.1 節(jié)相同，毛細(xì)管敷設(shè)在室內(nèi)墻面上，外表面敷設(shè)抹灰材料，同樣使用雙冷源空調(diào)機(jī)組，通過(guò)調(diào)節(jié)供回水流量控制室內(nèi)熱舒適性。

2.3 多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)（VRV）模型

多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)由制冷劑管路連接的室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)組成，室外機(jī)由室外側(cè)換熱器，壓縮機(jī)和其它制冷附件組成。室內(nèi)機(jī)由風(fēng)機(jī)和直接蒸發(fā)器等組成。一臺(tái)室外機(jī)通過(guò)管路能夠向若干個(gè)室內(nèi)機(jī)輸送制冷劑液體。該空調(diào)形式是當(dāng)前家用中央空調(diào)領(lǐng)域，尤其是高檔住宅中使用較多的空調(diào)方式之一，此模型選擇了EnergyPlus 中的HVAC Template:System:VRF 模塊，作為本次模擬的參照項(xiàng)進(jìn)行熱舒適及能耗相關(guān)模擬。

2.4 空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

模擬別墅室外設(shè)計(jì)氣象數(shù)據(jù)采用EnergyPlus 官網(wǎng)美國(guó)ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)上海典型氣象設(shè)計(jì)日數(shù)據(jù)，夏季室外最大干球溫度34.9 ℃，冬季室外最大干球溫度是-1.9 ℃。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為全年8760 h[8]，在每年1月1 日至3 月15 日、11 月1 日至12 月31 日空調(diào)系統(tǒng)向建筑供暖，4 月15 日至9 月31 日空調(diào)系統(tǒng)向建筑供冷，其他時(shí)間段空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)

熱舒適問(wèn)題是建筑室內(nèi)環(huán)境研究的重點(diǎn)。影響人體熱舒適的因素很多，其中空氣溫度，平均輻射溫度，相對(duì)濕度，氣流速度等四個(gè)環(huán)境變量與人體活動(dòng)量，衣著兩個(gè)人體變量是主要因素。PMV-PPD 指標(biāo)是Fanger 教授在熱舒適方程式的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，在以對(duì)流為主的熱環(huán)境中以實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法獲得。其中PMV 表示人群對(duì)熱環(huán)境的預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)，它代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺(jué)。PPD 表示人群對(duì)熱環(huán)境預(yù)測(cè)不滿意的百分?jǐn)?shù)。

根據(jù)建筑季節(jié)劃分的時(shí)間，熱舒適性分析數(shù)據(jù)取自供熱季和供冷季的典型代表日：1 月21 日和7 月21日，并且選用日常生活中使用較多的典型房間：臥室及客廳。

由于臥室使用時(shí)段有限,人員一般為晚上使用，因此臥室空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析為20:00～8:00 時(shí)間段，《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中熱舒適度規(guī)定如表2：

表2 熱舒適性等級(jí)劃分

3.2 熱舒適性結(jié)果分析

從圖3 可以看出，在典型供熱設(shè)計(jì)日空調(diào)開(kāi)啟后，模型2 和模型3 于22:00 點(diǎn)同時(shí)達(dá)到Ⅱ級(jí)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)，PMV 值達(dá)到-1 以上，22:00 點(diǎn)之后，模型3 的PMV 曲線在模型2 上方，相對(duì)于模型2 舒適度更高，而模型1 達(dá)到相同的標(biāo)準(zhǔn)則到了將近0:00 點(diǎn)，多耗用了將近2 h。在整個(gè)20:00～8:00 空調(diào)運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)，模型1 和模型2 均未達(dá)到Ⅰ級(jí)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)，模型3 在6:00 達(dá)到了規(guī)范要求的Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。達(dá)到相同的熱舒適度所用時(shí)間：模型1＞模型2＞模型3。整體上模型3擁有更好的熱舒適性。

圖3 臥室PMV-PPD 值（1 月21 日）

圖4 臥室PMV-PPD 值（7 月21 日）

圖4 中顯示的是供冷設(shè)計(jì)日的熱舒適度指標(biāo)情況，模型1 在整個(gè)空調(diào)運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)均未達(dá)到Ⅱ級(jí)規(guī)范要求，從22:00 開(kāi)始PMV 值無(wú)限接近于1，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的熱舒適狀態(tài)用了2 h。模型2 在22:00 點(diǎn)左右達(dá)到了Ⅱ級(jí)規(guī)范要求，之后的PMV 一直維持在0.6～0.8 之間，PPD 值介于15%和25%之間。模型3 開(kāi)機(jī)1 h 后PMV 便處于1 以下，PPD 小于26%，運(yùn)行到凌晨5:00 點(diǎn)時(shí)，PMV 和PPD 值均降至Ⅰ級(jí)熱舒適范圍內(nèi)。三個(gè)模型各自的PMV 值和PPD 值變化趨勢(shì)相近，按整體熱舒適好壞程度排序：模型3＞模型2＞模型1。綜上，在臥室典型日運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)，模型3 墻面輻射系統(tǒng)形式熱舒適性最佳。

由圖5，在供暖設(shè)計(jì)日內(nèi)，模型3 熱舒適性最佳，其PMV 值為-0.5～-0.9，PPD≤25%，系統(tǒng)運(yùn)行1 h 便可達(dá)到Ⅱ級(jí)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)，但是在運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有達(dá)到Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，PMV 值最大時(shí)為-0.52。模型2 的PMV在-0.7～-1 之間變化，PMV 最小時(shí)為19%，符合Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。模型1 在上午運(yùn)行時(shí)段的PMV 在12:00 才接近于-1，下午則是在19 點(diǎn)PMV≥-1，PPD≤25%，在三個(gè)模型中屬于最晚達(dá)到Ⅱ級(jí)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)的。

圖5 客廳PMV-PPD 值（1 月21 日）

圖6 客廳PMV-PPD 值（7 月21 日）

圖6 顯示供冷設(shè)計(jì)日，開(kāi)機(jī)運(yùn)行1 個(gè)小時(shí)后，模型2 和模型3 的PMV 都小于1，PDD＜25%，滿足了規(guī)范要求的Ⅱ級(jí)熱舒適要求，模型1 則用了2 h。上午運(yùn)行時(shí)段三個(gè)模型都沒(méi)有滿足Ⅰ級(jí)熱舒適要求，模型3 的PMV 值最小，所以熱舒適性最好。下午運(yùn)行時(shí)段的PMV 和PPD 值變化趨勢(shì)和上午相似，同樣所有模型均未滿足Ⅰ級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，模型3 擁有三者中最好的熱舒適性。

3.3 能耗模擬結(jié)果分析

系統(tǒng)模擬分析運(yùn)行時(shí)間為全年8760 個(gè)小時(shí)，各模型系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)的各設(shè)備耗電量如圖7 所示。

圖7 各模型分項(xiàng)能耗比較圖

從分項(xiàng)能耗比較圖中可以看出，在供冷主機(jī)能耗方面，輻射系統(tǒng)供冷主機(jī)能耗較多聯(lián)機(jī)低，是由于頂板及墻面輻射系統(tǒng)采用18 ℃供水溫度，提高了機(jī)組的COP。墻面輻射系統(tǒng)供冷主機(jī)較頂板輻射節(jié)能，主要原因是在同等溫度條件下，墻面輻射系統(tǒng)加快了垂直方向上的熱傳遞，所以達(dá)到相同的溫度所耗電量更少。在供熱主機(jī)能耗方面，頂板輻射系統(tǒng)的供熱能耗較高，主要原因是一方面熱空氣密度大，房間頂部的熱量往下傳遞需要時(shí)間，另一方面供熱時(shí)需要先加熱墻體再與周?chē)諝鈱?duì)流傳熱。水泵能耗方面，多聯(lián)機(jī)不需要水系統(tǒng)所以沒(méi)有能耗。風(fēng)機(jī)能耗方面，由于輻射空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤(pán)管承擔(dān)的負(fù)荷減少，故相比多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)能耗也降低。

三種空調(diào)系統(tǒng)模型的全年運(yùn)行能耗匯總具體如表3 所示：

表3 全年運(yùn)行能耗匯總（單位：kW·h）

模擬結(jié)果表明，與多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)相比：

1）關(guān)于全年能耗方面，墻面輻射雙冷源系統(tǒng)可降低約1100 kW·h，頂板輻射雙冷源系統(tǒng)可降低約208 kW·h。

2）分項(xiàng)能耗方面，墻面輻射雙冷源系統(tǒng)全年供冷主機(jī)能耗可節(jié)約50%，供熱主機(jī)能耗可節(jié)約23%。頂板輻射雙冷源系統(tǒng)供冷主機(jī)能耗可節(jié)約42%，供熱主機(jī)能耗大，不節(jié)能。

3）單位建筑面積能耗方面，墻面輻射系統(tǒng)耗電量為54.1 kW·h/m2，單位建筑面積節(jié)約4.1 kW·h。頂板輻射系統(tǒng)為57.4 kW·h/m2，單位建筑面積節(jié)約0.8 kW·h。

4 結(jié)論

本文建立了不同末端形式的雙冷源輻射空調(diào)系統(tǒng)模型，基于EnergyPlus 軟件進(jìn)行熱舒適性與能耗模擬，與多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析后得出：

1）從熱舒適性上看，雙冷源輻射空調(diào)系統(tǒng)兩種末端形式都具有更高的熱舒適性，達(dá)到相同的熱舒適度所用時(shí)間：墻面輻射系統(tǒng)＜頂板輻射系統(tǒng)＜多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，墻面輻射系統(tǒng)可節(jié)約1～2 h。

2）從能耗方面看，墻面輻射系統(tǒng)全年能耗最低，可節(jié)約1100 kW·h，單位建筑面積節(jié)約4.1 kW·h，全年供冷主機(jī)能耗可節(jié)省50%，供熱主機(jī)能耗可節(jié)省23%。

3）綜合比較，雙冷源輻射空調(diào)系統(tǒng)能更好的解決高熱舒適和低能耗不可同時(shí)滿足的問(wèn)題，其中墻面輻射系統(tǒng)又因其熱響應(yīng)速度快,擁有良好的應(yīng)用前景。結(jié)論為雙冷源輻射空調(diào)系統(tǒng)末端形式的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)參考方案。