太陽能供暖系統室內熱舒適性的研究

郭錦偉，譚 心，虞啟輝，方桂花

（內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古 包頭 014010）

1 引言

近年來，隨著經濟的快速發展，人們的追求更趨于美好的生活質量。建筑是居住環境的重要組成部分，室內熱舒適度（Thermal Comfort，TC）和室內空氣品質（Indoor Air Quality，IAQ）是決定室內環境品質的兩個關鍵因素［1］。據相關統計，現代城市居民一生中有85% 以上的時間在建筑物中度過的［2］，且室內熱環境舒適性普遍較低，并不能滿足人們的生活需求［3］。對于建筑物的室內環境舒適度人們廣為關切，國內外專家和學者研究證實，室內良好的熱舒適度可激發人的工作潛能、提高人的工作效率［4-7］。文獻［8］以校園現有土地綠色覆被作為校園住宅室的熱舒適影響因素進行研究，研究發現，在曼徹斯特2017 年最熱的一天，校園內增加17% 的樹木，室內熱舒適提高了20.8%。文獻［9］提出較高的室內空氣溫度，會增加能量的消耗。文獻［10］認為人們生活環境中的空氣溫度會改善室內熱濕環境、提高人體熱舒適性［11］。文獻［12］認為在室內環境中，熱舒適高度依賴于供暖、通風和空調（HVAC）等受控技術的運行，可以利用建筑自動化控制來提高能源效率和舒適度。文獻［13］提出利用Postoccupancy Evaluation 評測法對建筑物室內舒適性評估。1984年，國際化組織提出了室內舒適新標準ISO7730［14］熱環境參數為（-0.5＜PMV＜+0.5；PPD ＜10%）即PMV - PPD 人體熱舒適性指標法，該指標綜合考慮了人體活動強度、衣服熱阻、空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流動速度、和空氣濕度，是目前國際公認最合理的評價方法。根據國內某大學對于國內大量人群所作的實測研究［11］，由于生活習慣等因素的影響，中國人滿意溫度下限比文獻［15］標準要低1℃左右，上限要高0.7℃左右。將室內熱環境維持在一個舒適的水平，是當前發展所需，提升室內熱環境的舒適性對社會和經濟的發展具有很大意義。

以上各研究，分別從室內熱舒適度的評價指標、熱舒適度對人體健康的影響進行了研究分析。對于供暖系統中運行參數對室內舒適性的影響鮮有涉及。針對此，這里結合實驗數據運用TRNSYS軟件，對太陽能供暖系統重要運行參數-流量優化設計，并通過分析影響室內熱舒適度的各變量，旨在獲得其對PMV 的影響，對我國北方寒冷地區太陽能供暖室內舒適性改善提供參考價值。

2 系統概述

這里采用的太陽能供暖系統（SHS），如圖1所示。是一種適用于寒冷氣候的太陽能供暖系統，由太陽能集熱器、儲熱水箱、循環水泵、流量測試計、計算機數據采集系統組成，并由PLC 對系統運行控制。系統各部件相應的進、出口溫度，采用溫度傳感器、（pt100）渦輪流量計，獲得相應位置的水溫和流量。流量和溫度的不確定度分別為±1% 和±0.2℃。儲熱水箱—循環泵P1—循環管路—集熱器—循環管路—集熱器，為系統一次回路。儲熱水箱—循環水泵P2—系統用戶末端—循環管路—儲熱水箱，為系統二次回路。Gc、Gw分別為系統一次回路流量與二次回路流量值。

圖1 強制太陽能供暖系統Fig.1 Forced Circulation SHS

2.1 循環水泵運行控制原理

為保證系統穩定高效運行這里設計了的水泵啟停運行控制邏輯，如圖2所示。太陽能供暖系統水泵運行過程中，通過圖1所示的Controller進行控制，這里設計了PLC溫差控制器并通過計算機聯合控制水泵的啟停。Tci為集熱器的回水溫度、Tti為集熱器經管路進入儲熱水箱的溫度、To為儲熱水箱到二次回路的出口溫度、Two為經散熱后風機盤管流體的出口溫度，圖2中溫度邏輯設計根據實際運行數據設計。

圖2 水泵啟停運行邏輯圖Fig.2 Water Pump Start and Stop Operation Logic Diagram

2.2 集熱器及氣象條件

太陽能供暖系統核心部件真空管集熱器，位于包頭市（40.65N）某建筑屋頂，如圖3所示。包頭市2019年1月14日氣象數據，如圖4所示。

圖3 真空管集熱器Fig.3 Vacuum Tube Collector

圖4 氣象數據曲線Fig.4 Meteorological Data Curve

3 數學模型

3.1 集熱器數學模型

集熱器效率穩態Hottel-Whillier方程如下［16］：

式中：Qu—集熱器有效熱量的收益，W；Gc—一次回路的流量，kg∕s；Ct—流體的比熱容，4.190kJ∕kg·K；Tco—集熱器出口流體溫度，°C；Tci—集熱器入口流體溫度，°C；A—集熱器集熱面積，m2；It—入射到集熱器的太陽輻射量，w∕m2。

3.2 儲熱水箱數學模型

儲熱水箱的能量平衡表示為：

儲熱水箱熱損失為：

從儲熱水箱有效得熱量Qw如下式［17］：

式中：Ts—儲熱水箱水溫，℃；Ta—環境溫度，℃；Qw—集熱水箱有效得熱量，W；Qst—集熱水箱熱損失量，w；t—系統運行時間，h；Tco—集熱器出口溫度，℃；Gw—SHS 的二次回路流量，kg∕s；Us—水箱內水與環境空氣之間的傳熱系數；As—儲熱水箱內部表面積，m2；Two—散熱部件出口水溫，℃；cp—儲熱水箱內流體的比熱系數；Aw—風機盤管的散熱面積，m2；Uw—水箱加權平均傳熱系數。

3.3 人體熱平衡方程

人體為了維持正常的體溫，必須是產生的熱量和散熱量保持平衡，散熱平衡方程，如式（5）［18］所示。

式中：M—人體能量代謝率，決定于人體的活動量大小，W∕m2；W—人體所做的機械功，W∕m2；E—汗液蒸發和呼出的水蒸氣所帶走的熱量，W∕m2；R—穿衣人體外表面與周圍表面間的輻射換熱量，W∕m2；C—穿衣人體外表面與周圍環境之間的對流換熱量，W∕m2；S—人體蓄熱率，W∕m2。

3.4 舒適性綜合評價計算式

式（6）［19］、式（7）［18］分為P.O. Fanger提出的表征人體熱反應（冷熱感）的評價指標PMV（預期平均投票）及PPD（預期不滿意百分率）。

4 TRNSYS模型及實驗驗證

TRNSYS 擁有精確的建筑模型，被用于分析建筑負荷特性，廣泛應用于太陽能供暖系統研究中。TRNSYS系統模型，如圖5所示。TRNSYS模型中設置的主要信息，如表1所示。仿真過程保留實驗系統運行參數，仿真步長為1h。

圖5 TRNSYS系統模型Fig.5 TRNSYS System Model

表1 仿真模型中的主要信息Tab.1 Main Information in the Simulation Mode

太陽能供暖系統相關實驗參數與表1相同，實驗數據采集時間為2019年1月15日，當前SHS在Gc=1.6kg∕s（一次回路流量），Gw=0.8kg∕s（二次回路流量）下運行。實驗測得的太陽輻照強度與TRNSYS仿真對比曲線，典型太陽輻照度峰值接近800 W∕m2，如圖6所示。儲熱水箱進口溫度對比曲線，如圖7所示。室內溫度變化曲線，如圖8所示。

圖6 典型太陽輻照度變化曲線Fig.6 Typical Solar Irradiance Curves

圖7 水箱進口溫度對比曲線Fig.7 Temperature Comparison Curve of Tank Input

圖8 室內溫度變化曲線Fig.8 Indoor Temperature Variation Curve

由圖6可知TRNSYS仿真數據與實驗數據有較好的吻合，尤其峰值處太陽輻照強度基本接近。儲熱水箱進口溫度與TRNSYS數據曲線對比平均溫度偏差為2.5℃，如圖7所示。由圖8可知，室內溫度變化曲線吻合度較好，平均溫差為0.52℃。

通過對以上TRNSYS模型與實驗數據對比分析，得出TRNSYS模型有較好的準確性。下文將通過以上TRNSYS模型對室內熱舒適性進行研究。

5 太陽能供暖系統室內熱舒適性分析

5.1 太陽能供暖系統流量對室內熱舒適性影響的分析

作為太陽能供暖系統重要運行參數之一的系統流量Gc（一次回路流量）、Gw（二次回路流量）可以改善系統熱性能，提高室內舒適性能［20-21］。

TRNSYS仿真模型中室內各變量設置符合ISO7730標準［14］。SHS在一次回路流量為1.6kg∕s，室內PMV 值及PPD 值在不同二次回路流量隨時間的變化曲線，如圖9、圖10 所示。熱感覺等級［20］，如表2 所示。這里選擇不同的系統一∕二次側流量分別是0.4kg∕s、0.8kg∕s、1.2kg∕s、1.6kg∕s、2.0kg∕s、2.4kg∕s、2.8kg∕s、3.2kg∕s、3.6kg∕s，4.0kg∕s。根據仿真結果初步確定不同一∕二次側供水流量下室內PMV的變化。

表2 熱感覺等級表Tab.2 Thermal Sensory Rating Table

圖9 PMV變化曲線Fig.9 PMV Variation Curve

圖10 PPD變化曲線Fig.10 PPD Variation Curve

由圖9可知，二次回路流量值越大室內熱舒適度PMV隨著總體提升，當二次回路流量值達到2.8kg∕s時室內熱舒適度PMV趨于平穩，PMV值在（+0.1～+0.2）之間波動，熱感覺更接近適中。形成這樣這種現象的主要原因是二次回路流量增大，更多的熱量傳輸到末端，造成室內溫度增高，PMV值也增大，在室內溫度增加到一定值時，風機盤管散熱能力逐漸趨于飽和狀態，相對PMV值波動緩和。分析圖10可知當二次回路流量值為0.4kg∕s，PMV值在晝夜波動較大，PPD最大達40%，二次回路流量在（2.4～2.8）kg∕s之間，PPD最低且接近7%，符合ISO7730標準且滿足室內熱舒適性要求。設定Gw=2.8kg∕s，分析在不同一次回路流量下PMV 及PPD 的變化狀況，在不同的Gc時下PMV 值的變化曲線，如圖11所示。不同一次側流量值Gc下PPD的變化曲線，如圖12所示。

圖11 PMV變化曲線Fig.11 PMV Variation Curve

圖12 PPD變化曲線Fig.12 PPD Variation Curve

分析圖11、圖12 可知，在不同的Gc時，PMV 值在（-0.18～+0.1）波動，PPD值在（7～11）%浮動，浮動變化不大。且當一次回路流量值Gc在（2.3～2.8）kg∕s 時PPD 最低且為7%。說明改變一次回路流量值Gc對PMV-PPD作用效果不明顯。通過上文研究這里給出實驗室太陽能供暖系統最佳流量調節范圍及對應的PMV- PPD值，如表3所示。

表3 最佳流量值下的PMV與PPD值Tab.3 PMV and PPD Values Under Optimal Flow Values

以PMV - PPD 為指標，設置符合ISO7730室內參數，研究系統一次側流量和二次側流量對PMV及PPD 的影響，結果表明一次側流量對PMV及PPD值影響較小，二次側流量對PMV及PPD值影響顯著，Gc與Gw在（2.3～2.8）kg∕s調節，PMV值可維持在（+0.1～+0.2），PPD可維持在（7～11）%，符合ISO7730室內熱舒適要求。

5.2 儲熱水箱與集熱器面積比對室內熱舒適性影響分析

在分析儲熱水箱與集熱器的面積比對室內熱舒適性的影響前，這里根據實驗數據采集了包頭市供暖期內不同傾斜角度面上太陽輻照強度，不同集熱器傾角下月單位面積太陽輻射強度。

圖13 不同集熱器傾角下月單位面積太陽輻射強度Fig.13 Monthly Solar Radiation Intensity Per Unit Area Under Different Collector Inclination Angles

分析可知，當太陽能集熱器傾角為0°時，從供暖期到次年的停暖時間內，太陽能月輻射量從10月到次年4月先減小后增大，在12月份時太陽輻照度最小為219MJ∕m2。4 月份最大，為600MJ∕m2。在50°以內，4 月輻射量最大，12 月輻射量最小；當太陽能集熱器傾角大于50°小于70°時3月份輻射量最大，4月太陽輻照強度在大于30°時，輻照量呈遞減。這里建議包頭地區供暖期內太陽能集熱器最佳傾角為60°±5°，供暖期內，集熱器的傾角應在當地的緯度+20°左右。

通常情況下，集熱器是太陽能供暖系統中最昂貴的部分，適當的儲熱水箱的體積與集熱器的面積比例，可在工程應用中更經濟節能，同時可改善室內熱舒適性性，為了滿足建筑物的供熱及供水、確定好儲熱水箱與集熱器面積比在太陽能供暖系統中是非常有必要的，在太陽能供暖實際應用中，有時因集熱面積的選用過大，造成室內過熱及熱量不必要的損耗，TRNSYS軟件具有精準的模擬太陽能供暖與建筑耦合的功能。這里運用圖5所示模型，對不同水箱體積與集熱器面積比下進行模擬水箱的溫度變化及室內熱舒適性變化。不同儲熱水箱體與集熱器面積比下儲熱水箱的出口溫度變化曲線，如圖14所示。對應室內熱舒適度變化曲線，如圖15所示。

圖14 不同水箱體與集熱器面積比下水箱進口溫度變化曲線Fig.14 Temperature Change Curve of Storage Tank Output Under Different Water Tank and Collector Area Ratio

圖15 不同水箱體積與面積比下室內熱舒度變化曲線Fig.15 Variations of Indoor Thermal Comfort Under Different Tank Volume and Area Ratios

從圖14可知，儲熱水箱的體積在（25～300）L，水箱溫度隨儲熱水箱的體積增大而降低，相對應室內PMV值與儲熱水箱體積呈正相關。從圖15可知在儲熱水箱體積與集熱器面積比為150 L∕m2時，儲熱水箱最高溫度在70℃，PMV 值接近于0。這里認為在實際設定系統流量、太陽輻照度下，1m2的真空集熱器可配置150 L的儲熱水箱，室內熱舒適性且維持在PMV=（-0.15～+0.15），滿足ISO7730室內熱舒適度標準。

6 結論

這里運用TRNSYS 軟件對我國北方地區太陽能供暖系統（SHS）建模研究，通過對比實驗數據與仿真數據，驗證了建立模型的正確性。在此基礎上以室內熱感覺PMV值為指標，綜合研究了系統流量、室內溫度、室內空氣流動速度、室內空氣相對濕度、服裝熱阻對PMV值的影響，具體結論如下：

（1）這里確定了當前工程案例的太陽能供暖系統的一次回路流量Gc=（2.3～2.8）kg∕s，二次回流量Gw=（2.4～2.8）kg∕s，PMV 值維持在（+0.1～+0.2），PPD維持在（7～11）%，滿足室內舒適性要求。

（2）系統一次回路流量對PMV-PPD值較系統二次回路流量影響小。

（3）在儲熱水箱體積與集熱器面積比為150L∕m2時，PMV 值接維持在（-0.15～+0.15）。在實際設定系統流量、太陽輻照度下，1m2的真空集熱器可配置150 L的儲熱水箱。

這里的研究成果可為我國太陽能供暖系統室內熱舒適性的改善及參數優化提供參考。