地板輻射與新風制冷綜合實驗室設計及蓄冷研究

位振強，王曉龍，張文科，張麗麗，張林華

(山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250101)

地板輻射采暖在我們的日常生活中已經十分常見，新建的住宅樓、小區以及部分公共場所都采用了這種供暖方式.但采用地板輻射的方式來供冷在我們的實際生活中卻并不常見.地板輻射供冷和供暖可以用同一套管路，節約了初投資成本，而且地暖管埋在地下，不僅不占用室內空間，還更加美觀.傳統的空調降溫方式給人很強烈的吹風感，舒適感降低，地板輻射供冷的方式不會出現這種問題，我們引入的新風系統僅僅承擔一小部分的冷負荷，風量較傳統空調系統要小的多.在對地板輻射供冷的研究中，王子介[1]對地板輻射供冷方式進行了可行性研究，分析了露點溫度對地板輻射供冷的可行性影響，同時介紹了一些工程實例.夏學鷹[2]將地板輻射供冷與地板輻射供冷/獨立新風系統做了對比實驗，比較了兩種不同實驗條件下的溫度、濕度以及露點溫度.李森生[3]建立了一個實驗小室，對地板輻射供冷系統的溫度、濕度進行研究.陳金華[4]通過改變通風方式來優化氣流組織，改善地板輻射供冷的室內溫度場及舒適度.曹法立[5]通過實驗測定了地板輻射供冷房間溫度場的分布，得出地板供水溫度對室內溫度的影響.張玲[6]對地板輻射供冷的熱工性能，蓄冷特性進行了實驗研究，為這種供冷方式的實際應用提供了參考.吳明洋[7]建立了混凝土輻射末端與維護結構的模擬計算模型，來研究混凝土輻射供暖房間的動態傳熱特性，并與工程實例結合，探究輻射末端慣性利用.李安邦[8]建立了內嵌管式輻射地板的簡化RC模型，可以準確地計算出內嵌管式輻射地板的動態熱響應.Jaewan Joe[9]提出了一種基于模型預測控制的智能運行策略來優化辦公室輻射地板的性能，其可以在冷卻季節節省34%的運行費用，在加熱季節減少16%的運行費用.Linhua Zhang[10]以某節能示范地板采暖建筑為實驗平臺，提出了谷電運行結合蓄水池系統的運行方式，對于城市電網削峰填谷及節省運行費用起到了積極作用.Xiaozhou Wu[11]提出并建立了一種基于傳導形狀因子的輻射采暖系統的表面溫度和傳熱簡化計算模型，通過數值模擬的方式證實了其適用性，且為輻射供暖和制冷系統設計提供便利.Qingqing Li[12]提出了一種適用于地板輻射供冷系統的多層地板結構的簡化傳熱計算方法，提出了等效熱阻法并推導出地板表面溫度分布的計算公式，有利于方便地估計地板表面溫度分布和分析地板結構參數對地板熱特性的影響.B.Lehmann[13]采用TRNSYS軟件模擬了某辦公建筑的峰值負荷，結果表明，由于地板輻射系統的熱惰性和混凝土結構蓄熱性，峰值負荷下降了約50%.劉軍[14]詳細分析了地板輻射供冷/暖系統傳熱過程，為計算冷熱負荷提供幫助.盧軍[15]對地板單獨供冷、風機盤管單獨供冷以及兩者聯合供冷三種方式進行實驗研究，結果表明，地板輻射結合風機盤管的供冷方式無論在節能性還是舒適性方面都具有明顯優勢.孫媛媛[16]通過實驗的方式，對地板采暖住戶以及蓄熱墻式太陽能實驗房進行實測調查，得出了蓄放熱特性，并對等效供熱量進行修正，極大減少了設計供熱量.本文對山東建筑大學新建輻射供冷實驗室進行介紹，同時對變水溫運行工況下的地板蓄冷量特性進行實驗研究.

1 實驗概況

1.1 外圍護結構概況

山東建筑大學地板輻射供冷與新風復合空調系統實驗平臺占地面積約25 m2.實驗室分為內室和外室兩部分.外室長為5 m，寬5 m，高3.8 m，材料為100 mm厚保溫板；內室長3.85 m，寬3.85 m，高2.6 m，材料為5 mm厚鐵板.內室地面鋪設有地暖管，房間壁面上設有送、排風口.內室與外室之間留有0.45 m空隙，空隙內通入熱風，來模擬夏季室外環境.

1.2 測點布置情況

為保證實驗的準確性，地面材料及結構與傳統住宅樓保持基本一致.最底部鋪設40 mm厚保溫板，依次往上為30 mm豆石混凝土，20 mm保溫板，反光膜，反光膜上敷設地暖管，地暖管鋪設采用傳統的、住宅樓較為常見的螺旋型布管方式如圖3所示，保證可以產生均勻的地面溫度.地暖管周圍封50 mm厚豆石混凝土，其上部為20 mm水泥砂漿找平層，最終放置木地板.反光膜與保溫板可以很好地防止冷量從地下散失，有效的提高冷量的反射和輻射能力，保證室內溫度的恒定，確保實驗的準確性.

圖1 實驗室外圍護結構示意圖

在地面設有8個熱流傳感器，用來測試室內空氣與地面的熱通量密度如圖4所示.壁面的四個方向以及房間頂部中心處共設有5個熱流傳感器，用來測量壁面和屋頂與空氣的熱通量密度.房間地面還設有8個溫度傳感器組，每個傳感器組包含4個溫度測量點如圖2所示，分別位于下層保溫板上部，反光膜層上部，水泥砂漿上部以及木地板表面.地面共32個溫度測量點，用來測量不同位置，不同結構間的實時溫度變化.在四個墻壁表面和頂壁表面分別設有1個溫度傳感器，測量墻壁面的實時溫度變化；在房間中心的不同高度處懸掛了3個溫度傳感器，用來測試房間內部不同高度的空氣溫度，分析室內空氣溫度分布.

圖2 地面結構示意圖

圖3 盤管布置圖4 地板輻射面溫度、熱流傳感器布置圖

1.3 地板輻射供冷系統運行概況

實驗室采用地板輻射和新風復合的空調系統.如圖5所示，經空氣源熱泵機組處理后的冷水，一部分進入地暖管，通過輻射的方式為房間提供冷量，消除大部分的冷負荷；另一部分冷水進入新風機組處理新風.空氣源熱泵機組功率較大，供水溫度偏差比較明顯，故加設一個電加熱裝置，使系統的供水溫度穩定，基本保持在±0.3 ℃.輻射供冷末端設有流量調節閥和流量測量計，通過調節供水量，來分析不同水流量下的室內溫度變化情況.此實驗平臺設有兩個送風口和兩個排風口，風管尺寸200 mm×400 mm，用來測試不同位置送風與不同位置排風對室內溫度、濕度以及舒適度等的影響，我們還可調節送風量與排風量的大小，從而找出更好的送風方式.在夾層設有風機，由制冷壓縮冷凝機組通過送風的方式對夾層的溫度進行控制.在水路的高點設置排氣閥，用來清除水管中的空氣；在最低端設有排水管，保證在長時間不用時能夠將設備中的水排掉.

圖5 小室輻射供冷系統圖圖6 系統實物圖

1.4 測試儀器

1.4.1 數據采集

整個實驗室包括45個溫度測量點，在內室的地板表面以及地面以下，共32個溫度測量點，四面墻壁以及屋頂共5個測量點，室內供回水處各1個，室外機組冷凍水出水口處1個，室內中心高中低不同位置各1個，實驗室夾層的上下各1個測溫點；在風管通道中設有1個熱線風速儀，在供水管管路設有渦流流量變送器.實驗室的溫度、濕度、風速、各處的熱流量以及供回水溫度、水流量由傳感器測得，傳感器與數據記錄儀相連，如圖7所示.將數據傳到數據記錄儀.數據記錄儀屏幕顯示實時數據，每間隔一分鐘輸出一次數據.

圖7 數據記錄儀

1.4.2 實驗儀器

實驗室采用以下實驗儀器如表1所示.

表1 實驗室儀器

2 地板輻射末端蓄冷實驗研究

2.1 實驗工況

在地板輻射供冷系統中，混凝土結構地板是一個具有較大熱容量的圍護結構，夏季供冷時，由于其較好的蓄冷能力，冷凍水提供的部分冷量會蓄在混凝土輻射末端，對室溫的降低產生影響.研究這一特性，有利于掌握地板制冷末端從非穩態到穩態傳熱的時間周期，同時也可以了解蓄冷量存儲規律，為研究釋冷工作做好理論基礎.本文通過實驗的方式對夏季地板輻射供冷系統的蓄冷性能進行研究，實驗工況如表2所示.

表2 實驗方案

采用變水溫的運行工況，分別選取7 ℃、9 ℃、11 ℃、13 ℃、15 ℃的供水溫度，運行時間9 h，供水流量360 kg/h，室內送風風速0.75 m/s.實驗采用定風溫新風處理機組，新風送風溫度為20 ℃.設置夾層溫度作為室外環境平均溫度在30 ℃至32 ℃之間周期性波動，即夾層溫度降至30 ℃，機組自動啟動，對夾層空氣進行加熱，當溫度升至32 ℃，則機組停機，這一設定為了模擬夏季墻壁和頂棚的圍護結構內表面溫度.實驗室房間初始溫度為房間30 ±0.5 ℃，即濟南地區夏季典型氣象日在空調未開啟之前的室內環境溫度.

2.2 理論分析

冷凍水攜帶冷量的瞬時值為ql，而地板末端通過輻射與對流兩種方式與室內發生熱交換，對外釋放的冷量為qc，這一冷量可以通過貼服在地表的熱流傳感器測試并讀取.ql與qc兩者的差值即為儲存在地板的蓄冷量qx.三者滿足如下關系式：

qx=ql-qc，

(1)

將瞬時蓄冷量積分，如公式(2)所示，便可以得到某個時刻的累計蓄冷量即總蓄冷量Qx.利用公式(3)，用總蓄冷量除以地表面積即可得到每平方米(單位面積)蓄冷量QA.

(2)

(3)

3 實驗結果與分析

3.1 蓄冷量隨時間的變化規律

經過實測和數據分析，得到在不同工況下，冷凍水的瞬時傳熱量和地表與室內環境的傳熱量，如圖8所示

圖8 冷凍水及地板表面傳熱量變化

由于混凝土結構輻射地板良好的蓄冷能力，使得系統運行前期，地板表面傳熱量很小，此后逐漸增加，在6 h之后，地板表面傳熱量達到峰值并趨于穩定，此時混凝土結構蓄冷量基本不再增加如圖9所示，地板表面傳熱量與冷凍水傳熱量達到平衡.

圖9 混凝土結構地板總蓄冷量變化

圖9為地板總蓄冷量隨時間變化曲線，從累計蓄冷量的曲線看，在不同供水溫度條件下，曲線保持基本一致的趨勢，蓄冷剛開始時，由于地板初始溫度較高，因此蓄冷量增加很快，但是增長速度逐漸變小，約1個小時以后，其增長速度就比較緩慢了，3小時到4小時往后曲線逐漸平緩，趨于一條水平的直線.這意味著不同供水溫度下，地板蓄冷能力的飽和，也就是qx≈0.

采用Matlab軟件對數據擬合，發現其蓄冷量隨著時間的變化規律比較符合指數模型

f(x)=a×eb×x+c×ed×x

(4)

的曲線變化規律，得到不同供水溫度下，單位面積蓄冷量隨時間變化的關系式.

當出水溫度為7 ℃時，

QA=0.794 4e0.016 13t-0.794 1e-0.510 2t；

(5)

當出水溫度為9 ℃時，

QA=0.721 8e0.017 72t-0.722 8e-0.526 7t；

(6)

當出水溫度為11 ℃時，

QA=0.641 9e0.019 59t-0.644 0e-0.543 1t；

(7)

當出水溫度為13 ℃時，

QA=0.597 8e0.018 35t-0.596 2e-0.503 8t；

(8)

當出水溫度為15 ℃時，

QA=0.530 6e0.016 13t-0.535 7e-0.537 3t.

(9)

3.2 蓄冷飽和時間

通過上述分析，我們發現地板中蓄冷量的漲幅逐漸減小，最終趨近于0，此時便可以認為地板蓄冷量達到飽和.這一漲幅我們可以用公式(10)來表征其變化率.其中，Qn即當前時刻的總蓄冷量，Qn-1即上一個時刻的總蓄冷量.

(10)

不同供水溫度時地板蓄冷量變化率的曲線，如圖10所示，由圖10可以看出，不同溫度下，地板蓄冷量變化率曲線重合.這是由于各溫度下的混凝土末端總蓄冷量(如圖9)變化趨勢基本相同.當地板蓄冷量變化率Δ≤1%，便可以認為蓄冷量增長速度足夠小，地板蓄冷達到飽和狀態.基于此，計算出各供水溫度下，地板所到達飽和的時間，如圖11所示.

圖10 蓄冷量變化率曲線圖11 蓄冷達到飽和狀態所用時間

可以發現，在各工況下，地板從開始蓄冷到飽和狀態所用時間相差不大，均在4.5 h左右.最先達到飽和狀態的為供水溫度15 ℃，這是因為供水溫度較高，與環境溫差小，較易達到飽和，而最慢達到飽和的為7 ℃，這是因為冷凍水溫度較低，與環境溫差大，有溫差作為驅動力，蓄冷時間延長.

以上研究發現，供水溫度對蓄冷飽和時間的影響并不大.

3.3 飽和時蓄冷量研究

當蓄冷變化率小于1%時，我們得到各工況的飽和蓄冷量，如表3所示.

表3 不同供水溫度下的飽和蓄冷量

圖12 不同溫度下的地板蓄冷量比較

將飽和蓄冷量與全天9 h(工作時長)蓄冷量進行對比分析，如圖12所示.

由圖12可以看出，不同的供水溫度對于地板結構蓄冷量有較大影響，供水溫度越低，地板結構蓄冷量越大.在9 h的時間內，供水溫度7 ℃時蓄冷量比供水溫度15 ℃時蓄冷量高出0.25 kWh/m2，蓄冷量變化明顯.前50%時間里，地板所蓄冷量占全天9 h蓄冷量的85%，因此，地板蓄冷存在急速蓄冷和緩速蓄冷兩個狀態.一般將蓄冷時間控制在4 h便可達到最大蓄冷的要求.

3.4 溫度變化

房間與地板表面的溫度變化曲線如圖13所示，從圖13中可以看出，供水溫度越低，房間與地板表面降溫越快，6 h后溫度基本穩定.地板輻射供冷系統對室溫的控制具有滯后性，當供水溫度為7 ℃時，房間溫度達到室內設計溫度26 ℃所用時間約2 h，且供水溫度越高，所用時間越長，因此，對于此系統，在實際應用中應提前開啟設備，并根據供水溫度的不同，調節提前開啟時間.

4 結 論

本文介紹了山東建筑大學的地板輻射供冷實驗室，系統的描述了實驗室的整體構成，設備的運行流程、溫度及其它測點的布置、實驗儀器的選型.同時，對地板輻射系統夏季運行時，混凝土結構的蓄冷量進行了實驗研究，結果表明：

(1)溫度對混凝土結構地板的蓄冷量有較大的影響，冷凍水供水溫度越低，蓄冷量越大.在前50%蓄冷時間里的蓄冷量占據一天總蓄冷量的85%以上.

(2)水溫對飽和蓄冷時間的影響不大，達到飽和蓄冷量的時間基本在4.5 h左右.

(3)系統啟動后，混凝土結構地板蓄冷存在急速蓄冷和緩速蓄冷兩種狀態，系統啟動前期蓄冷較快，后期較為緩慢.

(4)當制冷啟動時，房間降低有所滯后，供冷冷水溫度越高，滯后時間越長，因此空調應該提前啟動，并根據供水溫度調整提前啟動的時間.