地板新風+地板輻射供暖房間空氣環境的實測分析

摘 要：文章對安裝了地板新風+地板輻射供暖系統的住宅樣板房主臥室的空氣溫度和CO2濃度進行實測，分析了房間的室內熱環境及污染物濃度分布特征。結果表明，輻射供暖系統開啟后房間溫度在190 min左右升至最高，此后逐漸趨于穩定，且溫度值略低于設定溫度。室內溫度呈下高上低分布，坐姿頭足溫差和站姿頭足溫差隨系統運行逐漸增大，穩定時分別趨于0.3 ℃和0.6℃ 。輻射地板溫度和室外溫度是影響室內溫度的主要因素。室內高度方向的CO2濃度分布主要受室內人員位置和新風口位置的影響，輻射供暖房間內地板新風系統的排污效率與ASHRAE 62.1標準規定的推薦值相符。

關鍵詞：地板新風系統；地板輻射供暖系統；室內熱環境；CO2濃度

中圖分類號：TU831 " " " " " " 文獻標志碼：B 文章編號：1671-0142（2024）05-0062-05

近年來我國經濟發展迅速，各大城市建筑物數量劇增，建筑能源供給越發緊張。其中空調能耗占整個建筑能耗的一半以上，建設低能耗建筑和使用綠色節能空調系統是緩解能源供給緊張的有效解決方案之一。

輻射空調系統也可以稱為溫濕度獨立控制空調系統，由于其熱舒適性較好、能耗較低的特點而引起了行業內的廣泛關注[1]。與傳統的對流空調相比，輻射空調系統的運行能耗較低[2]。輻射空調系統與獨立新風系統聯合運行，既能對室內環境進行溫濕度獨立控制，又能解決輻射空調系統單獨運行時室內空氣質量較差的問題[3]。近年來，住宅地板新風+地板輻射供暖系統的應用越來越廣泛，但關于室內空氣環境的實測分析卻很少見到。地板新風系統的氣流組織方式是下送上排，不同于常見的新風上送上排方式，地板新風系統的送風溫度也不等于室內空氣溫度，因此該送風過程可能會同時影響室內熱環境、室內CO2濃度分布和水平。本文以揚州市某住宅樣板房主臥室的空氣環境為研究對象，通過測量地板新風+地板輻射供暖系統運行期間室內的空氣溫度和CO2濃度分布，分析輻射供暖房間的室內熱環境和CO2濃度分布情況，為輻射空調系統的工程應用提供數據參考。

1 室內熱環境與CO2濃度的測試方法

1.1 測試房間

測試房間為住宅樣板房的南向主臥室，建筑面積20.37 m2，凈高2.6 m。南墻和西墻為外墻，南外窗的尺寸為2600 mm×2300 mm（寬×高），房間內門的尺寸均為900 mm×2250 mm（寬×高）。與主臥室相鄰的房間均為空調房間。測試房間內設置了5個測桿，用來布置溫度和CO2濃度測點。測試房間的平面布局見圖1。

樣板房配備的輻射空調系統由空氣源熱泵機組、輻射末端（熱水地面輻射盤管）、循環水系統等部分組成，地板新風系統由新風機、地板下敷設的新風管及各個房間的地面新風口組成。測試房間內靠外墻處設置了一個600 mm × 50 mm的條縫型地面新風口，高檔和低檔風量分別為45.5m3/h和35.4 m3/h。測試房間內未設置排風口，空氣通過門縫隙滲透至客廳。

1.2 測試方法及方案

溫度測量采用TT-T-30型熱電偶，測量精度為 0.5 ℃。在測桿1～4上高度0.1 m、0.6 m、1.1 m和1.7 m處設置溫度測點，測桿位置見圖1。地面和天花板上分別布置了4個溫度測點，位置與溫度測桿相對應。北墻、東墻和西墻的對角線上均勻布置了3個溫度測點，南外墻及南外窗上分別布置了2個溫度測點，2扇房門上各布置了1個溫度測點。室外布置1個熱電偶，用于測量室外空氣溫度；新風口布置1個熱電偶，用于測量送風溫度。

CO2濃度測量采用RS-CO2-V05型CO2濃度傳感器，測量精度為±40 ppm。在測桿1、4、5上高度0.9 m、1.1 m、1.3 m處設置CO2濃度傳感器，用來測量室內呼吸區的CO2濃度；地面新風口處設置一個CO2測點，用來測量新風的CO2濃度。

本研究針對不同的室內設定溫度、新風量和人數進行了5組測試，實驗工況參數見表1，室內人員位置見圖2（圓圈表示人員位置）。

實驗測試前先對主臥室通風降溫，使室內溫度降到16 ℃以下、地面溫度降到18 ℃以下。此后，再進行輻射空調系統供暖期間的實驗測試，前3小時室內有人員，3小時后人員離開房間，繼續進行15小時的測試。

2 室內熱環境與CO2濃度的實測結果分析

2.1 室內熱環境

以實驗工況1為例分析地板新風+地板輻射空調系統供暖期間室內的熱環境狀況。圖3給出了地板輻射供暖系統運行10小時的室外氣溫、圍護結構（不包括地板）內表面平均溫度、地面溫度、新風溫度、室內平均溫度隨時間的變化情況。由該圖可知，地板輻射供暖期間，室外溫度由7 ℃降低至-1 ℃左右，地面溫度由初溫18 ℃上升至26 ℃，圍護結構內表面溫度和室內平均溫度均隨地面溫度的升高而緩慢升高，在190 min左右達到最大值，此后房間溫度趨于穩定，室溫和圍護結構內表面溫度的變化越來越小。新風溫度與室內空氣溫度相近變化幅度較小。

圖4給出了工況1典型時刻室內4根測桿上的垂直溫度分布。由圖可知，前120 min內溫度上升較快，200 min后溫度變化趨于平緩。輻射空調系統運行期間，室內溫度始終呈現下高上低的熱分層現象，這是由于熱輻射面位于地面，雖然地面附近的空氣受熱上浮，但不會改變室內溫度下高上低的特征。4根測桿中，測桿2和測桿4上測點的溫度略低于測桿1和測桿3上測點的溫度，這是因為測桿2和測桿4距外墻和外窗較近，測點溫度受外圍護結構的影響。

頭足溫差對人體熱舒適有重要影響，ASHRAE standard 55-2013給出了頭足溫差與不滿意度之間的關系[6]。分別將4根溫度測桿上高度0.1 m處、1.1 m處和1.7 m處測點的平均溫度取為足部溫度、坐姿頭部溫度和站姿頭部溫度。圖5顯示，工況1的坐姿頭足溫差逐漸增大，最后趨近于0.3℃；站姿頭足溫差較坐姿頭足溫差略大，最終約為0.6℃。可見，輻射空調房間的坐姿和站姿頭足溫差均小于1.0℃，對應的人體不滿意率不足1%，熱舒適性較好。

圖6給出了各個工況的室內平均溫度、輻射地板溫度、室外空氣溫度、新風送風溫度隨時間的變化曲線。圖6（a）顯示，輻射空調系統開始運行后室內溫度逐漸上升，在180 min左右達到最高值，之后略微下降并基本維持恒定。工況1至4的設定溫度為22 ℃，輻射空調系統運行10 h時室內平均溫度在20.7 ℃～21.7 ℃；工況5的設定溫度為20 ℃，輻射空調系統運行10 h時室內平均溫度約為18.4 ℃。可見，輻射空調房間溫度升至設定溫度附近后小幅波動，略低于設定溫度。圖6（b）顯示，若設定溫度為22 ℃（工況1至4），輻射地板溫度最終趨于25.3 ℃～26.3 ℃；若設定溫度為20 ℃（工況5），輻射地板溫度最終趨于23 ℃。

圖6（c）表明5個工況的室外氣溫差異較大，工況2的室外氣溫最低，工況3的室外氣溫最高，最大差異接近8 ℃，圖6（d）顯示的新風送風溫度曲線與圖6（a）顯示的室內平均溫度曲線非常接近。若房間設定溫度為22 ℃（工況1至4），新風溫度最終趨于20.7 ℃～22.9 ℃；若房間設定溫度為20 ℃（工況5），新風溫度最終趨于18.9 ℃。

綜合圖6可知，輻射地板溫度和室外溫度是影響室內溫度的主要因素，室內人數、新風量及新風溫度對室內溫度的影響較小。5個工況的室內溫度均滿足《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012 [5]中的供暖室內溫度要求，說明以變頻式空氣源熱泵機組為熱源的輻射空調系統能滿足住宅供暖需求。

2.2 CO2濃度分布

圖7給出了工況1（新風量45.5 m3/h，室內1人）測得的輻射空調系統運行期間室內和室外的CO2濃度。由圖可知，新風的CO2濃度在451 ppm ～ 589 ppm之間。測試期間的前3個小時，室內有測試人員，各測點的CO2濃度在前80 min快速上升，此后上升趨緩，在180 min左右達到最大值（750 ppm～900 ppm）。3小時后測試人員離開，室內CO2濃度開始下降，逐漸接近室外CO2濃度，這說明室內除人員外沒有其他的CO2釋放源。

測點1、2、3位于測桿1上，測點4、5、6位于測桿5上，測點7、8、9位于測桿4上，距地面高度分別為1.3 m、1.1 m、0.9 m。圖7顯示，由于測桿和測點距新風口和人員的位置不同，使不同測桿處的CO2濃度有差異，同一測桿上不同高度處的CO2濃度也不相同，室內不同測點處的CO2濃度差異最大約為150 ppm。

圖8給出了工況1的典型時刻的室內CO2濃度垂直分布，180 min時室內CO2濃度升至最高值，此后逐漸降低。該圖顯示，3根測桿上的CO2濃度垂直分布各不相同，1號測桿處CO2濃度下高上低，5號測桿處CO2濃度下低上高，4號測桿處CO2濃度呈現中間低兩頭高的特征。將3根測桿上相同高度處的測點濃度進行平均，得到室內不同高度處的平均濃度。圖8表明，180 min前室內0.9m高處的平均濃度最高，1.1m處的平均濃度最低，1.3m處的平均濃度介于其間；180 min后室內高度方向的CO2濃度差異越來越小。

將室內9個測點的CO2濃度值進行平均，得到輻射空調系統運行過程中各個工況的室內CO2平均濃度變化曲線，如圖9所示。

圖9（a）顯示，室內CO2平均濃度在180 min附近升至最高（5個工況分別為836 ppm、1173 ppm、1545 ppm、1375 ppm、1187 ppm），此后測試人員離開，室內CO2濃度逐漸下降。工況1、2、3的室內CO2濃度依次增大，這是因為3個工況的室內人數分別是1人、2人和3人，新風量均為45.5 m3/h。可見，對住宅臥室而言，室內每增加1人，CO2濃度約增加350 ppm。工況4與工況2的室內人數均為2人，但由于工況4的新風量較小且室外CO2濃度較高，使得工況4的室內CO2濃度高于工況2。可見，臥室新風量對室內CO2濃度有顯著影響。工況5與工況2的室內人數、新風量均相同，故250 min前兩工況的室內CO2濃度基本相同，此后由于工況5的室外CO2濃度略高于工況2，使得工況5的室內CO2濃度稍高一些。

圖9（b）的室外CO2濃度曲線表明，測試過程中室外CO2濃度波動明顯，最大波動幅度約為211 ppm（工況4），最高濃度達678 ppm（工況4）。5個工況的室外CO2平均濃度分別是497 ppm、469 ppm、520 ppm、564 ppm、482 ppm。

圖9表明，除工況1外，其余4個工況的室內CO2濃度均超過《室內空氣質量標準》GBT 18883-2002 [6]規定的限值1000 ppm。可見，在室外CO2濃度較高且室內人數≥2的情況下，樣板房新風系統向臥室供應的新風量偏小。雖然新風機的額定風量較大（為550 m3/h），但地板下新風扁平管道的阻力較大或支管的阻力不平衡，導致主臥室的新風量偏小，影響室內空氣質量。

2.3 排污效率

利用排污效率來評價輻射空調房間新風系統的通風有效性。排污效率e 與排風口處的污染物濃度ye、室內污染物的平均濃度[y]及新風氣流中的污染物濃度ys有關，其表達式為ε[=（ye-ys）/（y-ys）]。本研究以CO2作為室內空氣污染物的標識物，以各測點CO2濃度的平均值為室內CO2平均濃度[y]，以靠近房間門的3號測點處的CO2濃度為排風濃度ye，由此可計算得到5個實驗工況對應的地板新風系統排污效率，分別為1.232、1.120、1.076、1.109、1.150與ASHRAE 62.1標準規定的推薦值1.2相近。

3 結論

本文以地板新風+地板輻射供暖房間的空氣環境為研究對象，實測分析了5個工況下輻射空調房間的CO2濃度和空氣溫度，并計算得到新風系統的排污效率。主要結論如下：

（1）在室外氣溫為-3 ℃ ～ 7 ℃、室內設定溫度為22 ℃或20 ℃的條件下，輻射供暖房間的圍護結構內表面溫度、室內溫度、新風溫度和地板溫度均逐漸上升，在190 min左右達到最高，此后變化逐緩，且室內溫度略低于設定溫度，但符合規范要求。

（2）輻射供暖房間內的溫度呈下高上低分布，坐姿頭足溫差和站姿頭足溫差先逐漸增大，最終分別趨于0.3℃和0.6℃。輻射地板溫度和室外溫度是影響室內溫度的主要因素，室內人數、新風量及新風溫度的影響較小。

（3）室內CO2濃度先逐漸上升，在180 min左右達到最大值，人員離開后CO2濃度開始下降。室內高度方向的CO2濃度分布主要受室內人員位置和新風口位置的影響。

（4）對住宅臥室而言，室內每增加1人，CO2濃度約增加350 ppm；在室外CO2濃度較高且室內人數≥2的情況下應確保新風足量供應，否則室內CO2濃度極易超標。《居住建筑熱環境和節能設計標準》DB32/4066-2021指出，居住建筑的臥室的新風量應滿足每人30 m3/h的要求，地板新風+地板輻射供暖房間同樣需遵循該新風量要求。

（5）低溫輻射供暖房間內新風系統的排污效率約為1.1～1.2，與ASHRAE 62.1標準的推薦值相符。

參考文獻：

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[3]江億，劉曉華.溫濕度獨立控制空調系統[M].北京：中國建筑工業出版社.2005．

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[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50736-2012.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012．

[6]國家質量監督檢驗檢疫總局，衛生部，國家環境保護總局.GB/T 18883-2002.室內空氣質量標準[S].北京：中國標準出版社，2002．

（責任編輯 楊荔晴）

Test and Analysis of the Air Environment in a Room with Floor Fresh Air System and Floor Radiant Heating System

ZHU Zhi-jun1， REN Tian-yu2， YANG Xiu-feng2

（1.Yangzhou Building Project Design Review Center;2. Yangzhou University， Yangzhou Jiangsu 225000， China）

Abstract： Air temperature and CO2 concentration in the bedroom of a residential model room with floor fresh air system and floor radiant heating system are tested. The thermal environment and pollutant concentration distribution characteristics of the room are then analyzed. The experimental results show that the indoor temperature of the bedroom during radiant heating reaches the highest value at about 190 min， and then gradually becomes stable. The steady temperature is slightly lower than the set temperature. Air temperature in high area is higher than that in low area， and the temperature difference between the head and the foot of sitting or standing people tends to be 0.3 ℃ and 0.6 ℃ respectively. The indoor temperature is mainly influenced by the floor temperature and outdoor temperature. The vertical distribution of indoor CO2 concentration is mainly affected by the positions of indoor people and the fresh air outlet. The discharge efficiency of the floor fresh air system is about 1.1～1.2， which is in line with the recommended value specified in ASHRAE 62.1 standard.

Key words： floor fresh air system; floor radiant heating system; thermal environment; CO2 concentration