地埋管直供地板供冷與通風除濕現場測試研究

任婧劉吉營朱旭偉杜艷秋宋守杰

(1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.山東格瑞德集團有限公司人工環境產業設計研究院，山東 德州253000；3.山東安泰智能工程有限公司 建筑節能研究所，山東 濟南250101)

0 引言

21世紀以來，輻射供冷/供暖空調方式能夠有效地提高熱舒適和能量效率，因此受到越來越多的重視[1]。高溫供冷與低溫供熱的系統形式在降低冷熱源溫度品味需求方面具有顯著優勢[2]，為輻射末端的進一步推廣應用創造了有利條件。供冷季冷凍水溫度可由7℃提高到18℃，而供熱季熱水溫度可由60℃降到40℃，因此系統具有很大的節能潛力[3]。輻射供冷系統直接降低房間各個內表面溫度，增大了房間各表面之間的輻射換熱量[4]。在屋頂和地面同時對房間供冷情況下，室內溫度分布更均勻，舒適性更高[5]。輻射供冷與通風復合系統提供的通風量僅約為全空氣系統通風量的20%，較小的送風量可以減少空氣輸送過程中所需要的能量，以達到節能的效果[6]。然而，輻射系統只承擔全部或部分顯熱負荷，不能處理潛熱負荷[7]，沒有除濕過程情況下，當輻射表面溫度低于空氣露點溫度就會結露[8]。輻射系統的響應時間比對流空調的響應時間長，可能達到數十小時。而且天氣條件和室內得熱量呈動態變化，對輻射供冷系統性能影響較大，因此有效的控制策略顯得尤為重要。

目前，對輻射供冷系統進行了大量的實驗和模擬研究。由于輻射供冷系統所利用的高溫冷水與自然溫度相差很小，可以考慮利用自然冷源。近年來，地埋管直接供冷系統作為一種自然冷卻方式，通常與高溫供冷末端結合，受到廣泛關注。埋管循環水向土壤釋放熱量，由循環水泵輸送至室內輻射末端提供冷量[9]。ARGHAND等[10]通過研究地埋管直接供冷系統控制方式得出，調節地埋管回路、建筑物回路中的流體流量，可控制建筑物的供冷系統末端的供冷能力。LIU等[11]研究表明，間歇運行可有效提高地埋管直供系統的傳熱速率，減緩其出口水溫的升高。輻射供冷系統控制輻射板冷水供應，利用通風系統的除濕作用，可以將室內濕度控制在舒適水平，避免輻射表面冷凝結露。JIN等[12]研究發現結露風險較高時關閉輻射供冷系統的冷水供應，能有效防止輻射表面冷凝，可以應用于實際工程中。黃奕沄等[13]引入啟動濕負荷概念，分析了置換通風系統應用于輻射表面除濕的可行性。許多研究表明，系統啟動期間冷凝風險較高，建議盡早(至少提前1 h)啟動通風系統，并逐步啟動輻射系統[14]。冉廣鵬等[15]提出毛細管輻射空調系統與轉輪除濕新風聯合供冷，解決夏季毛細管輻射空調運行期間的結露問題。WANG等[16]在輻射空調系統結合新風系統中，利用溶液除濕技術控制室內濕度，實現室內濕度的有效調節，并顯示出節能潛力。輻射供冷與通風復合系統響應時間較快，強化了輻射板的對流換熱[17]，提高系統運行效率和室內舒適度。金星等[18]通過模擬研究得出通風作用下可以提高輻射表面對流換熱超過35%。張東亮等[19]通過實驗得出因為下送風系統以對流換熱的方式作用于室內空氣，其溫度變化響應較快，室內作用溫度隨著送風溫度的增加而增加，兩者呈近似線性關系。趙蕾等[20]研究發現冷吊頂輻射系統和置換通風系統使室內熱舒適性更好，且能明顯降低結露風險。

綜上所述，目前基于多變的室外天氣條件與復雜的室內負荷特點，針對實際建筑地板輻射供冷系統進行長時間現場測試研究相對較少。同時，地埋管直供地板輻射供冷系統是一種利用自然冷源的系統形式，需要對其性能和運行特點進行測試分析，從而保障系統高效穩定運行。文章采用現場實測方法研究地埋管直供地板輻射供冷與置換通風復合系統的供冷性能，通過分析調整置換通風系統冷負荷配比情況下的室內濕度變化、置換通風系統啟動后的室內溫度和濕度變化，及送風作用下地面溫度變化，闡明地板輻射系統與置換通風復合系統的供冷能力，及通風系統除濕作用與啟動響應規律，為地板輻射系統與置換通風復合系統運行優化控制提供參考。

1 現場測試

1.1 試驗場地

現場測試位于濟南市某辦公樓，辦公樓建筑面積為5 450 m2，其圍護結構熱物性參數具體為:外墻、屋頂和外窗整體的傳熱系數分別為0.6、0.55、2.4 W/(m2·K)[21]。測試房間位于辦公樓五樓一南向房間，平面面積為50 m2，空調系統為地板輻射和置換通風復合系統。現場布置若干假人、電腦和發光二極管(light-emitting diode，LED)燈，提供室內人員、設備和燈光的得熱量。辦公樓外觀圖和室內現場測試示意圖分別如圖1和2所示。

圖2 室內現場測試示意圖

1.2 地埋管直供系統

地埋管直供地板輻射供冷與置換通風復合系統示意圖如圖3所示。地板輻射系統完全依靠埋管循環水提供冷量，熱泵機組與地熱交換器回路上的閥門在供冷季節關閉，埋管水不經過熱泵機組而直接供給室內。置換通風系統的送風經過空氣處理機組送入室內，熱泵機組在夜間谷電時間制取冷水并儲存到蓄冷水箱中，白天為空氣處理機組提供冷凍水，對空氣進行降溫除濕處理，送至房間處理室內熱濕負荷。

圖3 空調系統原理圖

1.3 測點布置

測量參數包括地板輻射供冷系統供回水溫度和流量、地板表面溫度、壁面溫度、空氣溫度、空氣濕度、黑球溫度和室內風速等。試驗設備詳細參數見表1。測點布置如圖4所示，Sn為測點位置，Tf為地面溫度，T0.1、T1.1分別為豎直高度0.1、1.1 m處空氣溫度，RH為相對濕度。地板溫度測點在房間東西南北4個位置靠墻布置，壁面溫度測點在墻中心布置，3處頂板測點均勻布置在頂板表面。室內空氣參數測點在兩個專用支架豎直高度的0.1、0.6、1.1、1.7和2.5 m處布置9個點，在房間中心1.1 m處布置1個測點，其余豎直高度為0.1 m的測點共6個，均勻布置在房間內。黑球溫度測點在房間中心1.1 m處和南側布置2個點。送風口測點在垂直風口處布置。供回水溫度測點位于分集水器供回水管上。

圖4 試驗測點布置示意圖

表1 試驗設備詳細參數表

2 室內熱舒適和系統性能評價指標

2.1 室內熱舒適性評價

2.1.1 操作溫度

操作溫度Top為空氣溫度和平均輻射溫度對各自換熱系數的加權平均值，反映了室內空氣溫度和平均輻射溫度的綜合作用，通常用來表示人體綜合熱舒適程度，是分析人體與環境之間顯熱平衡的重要參數。平均輻射溫度的最普遍計算方法是利用黑球溫度計間接測量法。由于風速較低時(＜0.2 m/s)，對流換熱系數遠小于輻射換熱系數，輻射溫度和室內溫度相差較小時(＜4℃)，可簡化操作溫度的計算，由式(1)~(3)[22]表示為

式中Tmrt、Tg、Ta分別為平均輻射溫度、黑球溫度、空氣溫度，℃；va為空氣流速，m/s；ε為黑球發射率；D為黑球直徑，m；hc和hr分別為對流換熱系數、輻射換熱系數，W/(m2·K)。

2.1.2 豎直溫度分布

采用輻射地板供冷時，輻射地板表面通常為室內溫度最低處，溫度在豎直方向呈現上熱下冷分布，與人員期望的上冷下熱的溫度分布有差別。豎直方向溫差通常采用國際標準規定的坐姿時頭部(1.1 m)和腳踝處(0.1 m)允許的最大溫差值。國際標準ISO 7730—2005規定[23]:人員采取坐姿時，人員活動區處于地面上方0.1和1.1 m之間的溫差應保證不超過3℃。考慮在人員站著工作的情況下，建議1.7和0.1 m之間的溫差不超過3℃[24]。

豎直不滿意率(Percentage Dissatisfied，PD)是指由豎直方向溫差引起的人員局部不適感的強弱。采用熱舒適標準ISO 7730中的豎直不滿意率，按照GB/T 33658—2017《室內人體熱舒適環境要求和評價方法》規定[25]:不滿意率應不大于20%的要求。計算方法由式(4)表示為

式中rPD為頭部與腳踝間的溫差導致的不滿意率；Δta，y為頭部與腳踝間的溫差，℃。

2.2 輻射均勻系數

輻射板表面的平均溫度直接影響輻射板的換熱量。在保證輻射板不結露情況下，輻射板表面溫度越均勻，輻射板表面的平均溫度與最低溫度越接近，輻射板的供冷能力越大。輻射板均勻系數由式(5)表示為

式中Ts，max和Ts，min分別為輻射板表面的最高、最低溫度，℃；Tw和Th分別為輻射板的供水、回水溫度，℃。

3 結果與分析

3.1 室內熱舒適性分析

3.1.1 操作溫度

地板輻射表面通過輻射傳熱和對流傳熱與室內熱環境換熱，將操作溫度作為室內熱舒適評價指標。選擇室內溫度較高的8月17、18日和9月8日，室內溫度和地面溫度的情況見表2，室內操作溫度變化如圖5所示。操作溫度隨室外溫度增加而增加，最大值達到27.1℃，這3天工作時間(9:00—17:00)內平均操作溫度分別為26.0、26.6和26.6℃。

表2 典型日期工作時間室內環境參數表 單位:℃

圖5 工作時間內操作溫度變化圖

3.1.2 豎直溫度分布

實驗期間，不同日期的地面溫度差異較小，在1℃以內，而8月18日和9月8日為室內溫度較高的兩天，所以引起較大的豎直溫差，工作時間內坐姿(0.1~1.1 m)和站姿(0.1~1.7 m)的豎直溫差變化如圖6(a)所示。室內豎直溫差在室內溫度較高時段(12:00—14:00)達到最高值，但是豎直方向0.1 m與1.1、0.1與1.7 m間的溫差始終小于2℃。如圖6(b)所示，豎直方向溫差對應的豎直不滿意率均不超過2%。

圖6 工作時間豎直溫差和豎直不滿意率變化圖

3.2 輻射地板表面溫度分布均勻性

在間歇工況中，8月17日為星期一，地板輻射供冷系統提前16 h開啟(8月16日周日17:00)。在8月17日的高溫天氣情況下，輻射地板表面均勻系數變化(8:00—16:30)如圖7所示，黑色曲線表示輻射均勻系數變化趨勢，紅色工字線表示輻射均勻系數波動區間。由于地板輻射系統在8月15日17:00至8月16日17:00關閉且17日室外溫度較高，地面溫度分布均勻性較差，輻射地板表面均勻系數在測試工況中處于偏高水平，大約集中在0.9，位于正常范圍內。

圖7 輻射地板均勻系數變化圖

在地板輻射系統連續運行工況中，測試發現輻射地板表面均勻系數均小于0.9，低于8月17日地板輻射均勻系數，表面均勻性更好，體現出地板輻射系統良好的供冷性能。

3.3 通風系統承擔冷負荷比例對室內濕度影響

8月25日室內得熱量變化相對頻繁，調整置換通風系統與地板輻射系統的冷負荷分配比例對室內濕度的影響如圖8所示。置換通風系統未啟動前，室內初始濕度較高，接近于75%。8:50置換通風系統開啟，在室內散熱散濕較少情況下，先以較小風量送風除濕，室內濕度明顯下降；10:30室內人員設備增多，熱濕負荷增加，增大送風量，置換通風系統承擔的冷負荷配比增多，室內濕度持續下降。中午時段人員離開，減小送風量，室內濕度先小幅上升，然后平緩波動；13:50人員返回，且室外向室內傳熱較多，增大風量以處理室內積累的熱量，并進一步降低室內濕度；15:30室外溫度開始下降，傳入室內熱量減少，再次減小風量，室內濕度略有上升仍維持在舒適水平。總體來看，置換通風系統開啟初始階段能夠有效降低室內濕度，工作時間內調整送風量使冷負荷配比在6%~16%間變化，保證室內濕度維持在標準范圍內。

圖8 不同置換通風供冷占比情況下室內濕度變化圖

3.4 置換通風系統啟動工況分析

3.4.1 置換通風提前啟動響應分析

置換通風提前開啟情況下的室內溫度和室內濕度變化如圖9所示。8月18日、8月19日和8月31日室內初始時刻(分別為7:30、7:20和8:10)濕度均大于75%，置換通風系統在上班時間前開啟，在門窗完全關閉的情況下，由室外滲透進入室內的濕空氣很少，對室內濕度影響很小，室內濕度在送風除濕作用下快速下降，逐漸趨于穩定，室內產濕與送風處理潛熱負荷能力相平衡。8月18和19日室內初始溫度較高，接近26℃，在開始送風后先下降0.5℃，隨著室內得熱量增加逐漸上升。8月31日置換通風系統開啟時間相比較晚，室內得熱量已處于增多階段，送風對室內溫度作用效果不明顯。送風系統開啟前，室內溫度濕度較高，此時室內人員、設備和燈光等負荷較小，送風系統在室內產熱產濕量較小階段提前開啟，可以快速降低室內濕度；上班后室內得熱量和得濕量雖小幅增加，但室內濕度仍能維持約60%。

圖9 置換通風提前開啟情況下室內溫濕度變化圖

3.4.2 置換通風系統高溫時段啟動室內熱濕變化

高溫時段置換通風系統開啟時室內溫度和濕度變化如圖10所示。9月7、8、10日在置換通風系統沒有開啟前室內相對濕度穩定約在62%。置換通風系統均在中午室外溫度超過30℃，室內溫度升高到接近或大于27℃時開啟，室內溫度變化轉折點為開啟時間，在室內供冷量增加的情況下室內溫度呈下降趨勢。在15:00前室外溫度未降低情況下，室內溫度下降幅度約為1℃。說明在中午時刻由室外進入室內較大得熱量時，啟動置換通風系統，冷風直接與室內空氣換熱，補充的供冷量可以及時去除室內得熱，降低室內溫度。9月8日在16:00后室外溫度已呈下降趨勢情況下，進入室內得熱量減少，關閉置換通風系統，地板輻射系統單獨處理室內負荷就可以控制室內溫度相對穩定。

圖10 高溫時段置換通風開啟情況下室內溫濕度變化圖

3.4.3 置換通風系統不同時段啟動室內熱濕變化

置換通風系統不同時段開啟情況下的室內溫度和濕度變化如圖11所示。置換通風系統在9月1日、8~9日啟動時間分別為9:40、12:00和14:20。由于9月1日室內濕度在置換通風系統開啟前較高，約維持在70%，所以比其他兩天提前開始送風，除去室內潛熱負荷，降低室內濕度。在室外溫度逐漸上升情況下，室外向室內傳熱增加，置換通風系統能夠避免室內溫度上升，控制室內溫度在26~26.5℃。9月8日與9日室內溫度均隨置換通風系統開啟而下降，由于9月9日室外溫度在14:00后開始下降，逐漸低于9月8日室外溫度，送風作用下9月9日室內溫度下降梯度大于9月8日。9月1日相比8日和9日較早開啟置換通風系統，雖然9月1日室外溫度最高，但是室內溫度一直低于其他兩天，說明基于室外溫度變化情況決定送風系統開啟時間可提高送風系統運行效率，加快室內降溫速度，同時需要兼顧室內濕度與得熱量情況，及時開啟送風系統，維持室內較好的熱濕環境。

圖11 置換通風不同時段開啟情況下室內溫濕度變化圖

3.5 置換通風開啟對輻射地板溫度的影響

不同天氣情況下置換通風開啟對地面溫度的影響如圖12所示。9月6日全天置換通風系統未開啟，室內溫度逐漸升高，輻射地板與室內空氣換熱過程中表面溫度逐漸上升，地板表面供冷能力下降。隨著室外溫度趨于穩定，室內溫度不再上升，輻射地板供冷與室內得熱達到平衡，地面溫度基本保持不變，9月7日和10日置換通風系統開啟后，復合系統供冷能力增強，室內溫度開始下降，隨后地板表面溫度降低約0.2~0.4℃，地板供冷能力增強。9月10日室外溫度低于9月7日室外溫度，由室外向室內的傳熱量較少，置換通風系統開始送風后，9月10日地面溫度下降幅度大于9月7日地面下降幅度，說明置換通風起到補充供冷作用，使室內溫度降低，并能間接影響輻射地板，引起地面溫度下降。

圖12 不同室外天氣條件下通風引起的室內溫度與地面溫度變化圖

4 結論

通過地埋管直供地板輻射供冷與置換通風復合空調系統下的室內熱舒適性與系統性能現場測試，得到主要結論如下:

(1)地埋管直供地板輻射與置換通風系統可以保證室內良好的舒適性，運行期間地面溫度分布均勻性較好，在豎直方向0.1 m處分別與1.1和1.7 m間的溫差均小于2℃，且豎直不滿意率低于2%，室內操作溫度基本控制在26~27℃，滿足標準要求。

(2)送風量調整下，置換通風系統承擔冷負荷比例在6%~16%間變化，均能保證室內濕度滿足舒適標準。

(3)室外高溫天氣情況下，在室內濕度較大且得熱量較小階段，置換通風系統提前開啟，可使室內溫度降低約0.5℃。在室外溫度較低的天氣條件下，在中午高溫時段開啟置換通風，補充的供冷量可以及時去除室內得熱，降低室內溫度約為1℃。根據室外溫度變化情況與室內濕度和熱源情況決定送風系統啟動時間可以提高送風系統運行效率，適應室內負荷變化。

(4)置換通風系統在地板輻射系統供冷不足時，可以承擔部分顯熱負荷，起到補充供冷作用，降低室內溫度，降低地面溫度約0.2~0.4℃。