田 喆，王 碩，朱 能，張 誠(chéng)

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

冷卻頂板系統(tǒng)的供熱性能及熱舒適效果

田 喆，王 碩，朱 能，張 誠(chéng)

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

冷卻頂板供熱可能對(duì)人員整體和局部熱舒適產(chǎn)生影響．通過(guò)搭建全尺寸冷卻頂板實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以Fanger熱舒適模型和ASHRAE 55—2004等標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)冷卻頂板供熱房間的熱環(huán)境和熱舒適效果進(jìn)行了全面測(cè)評(píng)，著重分析了供熱量與局部熱不舒適之間的關(guān)系和變化規(guī)律．研究表明，冷卻頂板供熱可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整體熱舒適的要求，但由于垂直溫差和輻射不對(duì)稱溫度的作用，供熱量超過(guò)限定值時(shí)會(huì)引起局部熱不舒適，建議冷卻頂板供熱量不宜超過(guò)117 W/m2．

冷卻頂板；供熱工況；整體熱舒適；局部熱不舒適

冷卻頂板作為一種新型空調(diào)方式，最早起源于歐洲斯坎蒂納維亞半島一帶，其通過(guò)改變背部銅制盤管內(nèi)的水溫來(lái)調(diào)節(jié)頂板表面溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)房間溫度的目的[1]．與傳統(tǒng)空調(diào)不同，冷卻頂板可以通過(guò)輻射換熱直接與人員進(jìn)行熱交換，因此具有較好的熱舒適性．一般而言，冷卻頂板夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度可較常規(guī)空調(diào)高1～2,℃[2]，且其供水溫度一般在16,℃左右，冷源可以在高性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)值下運(yùn)行或直接利用其他可替代冷源[3]，因此節(jié)能潛力較大．關(guān)于冷卻頂板的研究，多數(shù)集中在夏季供冷工況[4-6]；而當(dāng)其應(yīng)用于供熱時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生2個(gè)疑問(wèn)：①供熱量能否滿足房間負(fù)荷的要求；②人員整體熱舒適和局部熱不舒適情況如何．為了明確以上2個(gè)問(wèn)題，為冷卻頂板供熱提供設(shè)計(jì)和參考依據(jù)，筆者搭建了全尺寸冷卻頂板實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用室內(nèi)熱環(huán)境分析儀對(duì)不同工況時(shí)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并運(yùn)用Fanger熱舒適模型和ASHRAE 55—2004等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)冷卻頂板供熱房間的熱環(huán)境和熱舒適效果進(jìn)行了全面測(cè)評(píng)和研究．

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

選擇一間尺寸為6.7,m×3.1,m×3.3,m(長(zhǎng)×寬×高)的辦公室作為實(shí)驗(yàn)房間，南外墻設(shè)有尺寸2.2,m× 2.05,m(寬×高)的雙層玻璃木窗，北墻與過(guò)道相鄰，其余方向墻體均與有采暖的房間相鄰．

使用德國(guó)Krantz公司型號(hào)為SKS-4/3冷卻頂板9塊，距地3.1,m，單塊尺寸為1.8,m×0.6,m(長(zhǎng)×寬)，覆蓋率為46%．冷卻頂板分3組環(huán)路布置，組間并聯(lián)，組內(nèi)串聯(lián)．3組環(huán)路既可獨(dú)立運(yùn)行，又可聯(lián)合運(yùn)行．冷熱源使用北京中科科儀生產(chǎn)的風(fēng)冷式冷水機(jī)KYKY-LS,65A，出水溫度可以在5～45,℃自由調(diào)節(jié)．流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于控制系統(tǒng)水量．室內(nèi)無(wú)其他熱源散熱．實(shí)驗(yàn)室設(shè)備布置如圖1所示．

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置示意Fig.1 Arrangement of experiment equipment

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)安排在冬季，歷時(shí)1個(gè)月．為了考察冷卻頂板系統(tǒng)在不同熱負(fù)荷條件下供熱效果及室內(nèi)熱環(huán)境，特選擇室外溫度為4.7,℃、0.4,℃、-1.5,℃、-3.4,℃和-10.4,℃ 5種工況．實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后利用冷卻頂板作為唯一熱源加熱房間，同時(shí)調(diào)節(jié)熱源出水溫度；當(dāng)室內(nèi)垂直高度方向各測(cè)點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定，且1.1,m高度處溫度達(dá)到并維持18,℃時(shí)，認(rèn)為室內(nèi)已經(jīng)達(dá)到熱平衡，開(kāi)始測(cè)試．利用Fanger熱舒適模型計(jì)算整體熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)參考ASHRAE,55—2004等標(biāo)準(zhǔn)分析局部熱不舒適有關(guān)指標(biāo)．

1.3 測(cè)試內(nèi)容及方法

測(cè)量系統(tǒng)供回水溫度、流量和室外溫度，用以明確冷卻頂板系統(tǒng)供熱量和室外環(huán)境．測(cè)量室內(nèi)熱環(huán)境中的干球溫度、相對(duì)濕度、黑球溫度和風(fēng)速，用于對(duì)人員整體熱舒適的評(píng)價(jià)；而凈輻射量、輻射不對(duì)稱溫度、輻射不對(duì)稱不滿意率、垂直溫度梯度則用于人員局部熱不舒適分析．

供回水溫度、室外溫度及垂直溫度梯度采用高精度PT100鉑電阻測(cè)量，通過(guò)NI公司CDAQ-9172型溫度采集系統(tǒng)上傳至電腦實(shí)現(xiàn)自動(dòng)存儲(chǔ)，采集頻率為1,min，持續(xù)30,min．為避免環(huán)境輻射干擾，在溫度探頭上加裝了防輻射罩．溫度梯度分別測(cè)量冷卻頂板表面溫度、冷卻頂板附近空氣溫度(2.6,m)、人員站立(1.7,m)、坐立(1.1,m)和腳踝高度(0.1,m)處空氣溫度．利用LSI公司BabcuA室內(nèi)熱環(huán)境分析儀分別測(cè)量各組冷卻頂板下方距離地面0.6,m和1.1,m處室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)每分鐘巡檢記錄1次，持續(xù)30,min．系統(tǒng)水流量直接讀取自浮子流量計(jì)面板．測(cè)試儀器精度見(jiàn)表1.

表1 測(cè)試儀器精度Tab.1 Accuracy of test probes

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

冷卻頂板供熱量利用供、回水溫差及系統(tǒng)水流量直接計(jì)算得到．不同實(shí)驗(yàn)工況下冷卻頂板單位面積供熱量及供水溫度情況如表2所示．

表2 室外溫度與冷卻頂板對(duì)應(yīng)參數(shù)Tab.2 Corresponding parameters of outdoor temperature Tab.2 and chilled ceiling

從表2中可以看出，隨著室外溫度的降低，供水溫度升高，冷卻頂板供熱系統(tǒng)可采取質(zhì)量調(diào)節(jié)，即在其系統(tǒng)水流量不變的條件下，隨著供水溫度的升高，冷卻頂板供熱量隨之增大；其中在室外溫度處于最不利條件-10.4,℃時(shí)，房間單位地板面積供熱量達(dá)到78,W/m2，房間溫度仍保證達(dá)到18,℃，說(shuō)明利用冷卻頂板供熱時(shí)供熱量是可以滿足一般負(fù)荷需求的．

為了應(yīng)對(duì)日常房間負(fù)荷變化，保證室內(nèi)溫度處于合理范圍之內(nèi)，需要對(duì)冷卻頂板供熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)，本實(shí)驗(yàn)采取恒定系統(tǒng)流量、調(diào)節(jié)供水溫度的方法調(diào)節(jié)冷卻頂板供熱量．供回水平均溫度與室內(nèi)1.1,m處空氣溫度之差隨冷卻頂板供熱量變化的曲線如圖2所示．

圖2 水/空氣側(cè)溫差與供熱量關(guān)系Fig.2 Relationship between temperature difference of air/water side and heating supply

由圖2可以看出，在溫度調(diào)節(jié)中，冷卻頂板供熱量隨水/空氣側(cè)溫差的升高而增大，且二者近似呈線性關(guān)系變化．每當(dāng)水/空氣側(cè)溫差升高1,℃，冷卻頂板供熱量增大約26,W/m2．在本實(shí)驗(yàn)中，冷卻頂板供熱單位面積供熱量在90～182,W/m2之間變化．與夏季冷卻頂板供冷上限考慮結(jié)露因素不同，冷卻頂板供熱上限受熱舒適限定．

冷卻頂板供熱時(shí)會(huì)在室內(nèi)形成一定大小的溫度梯度，進(jìn)而影響人體熱舒適．本實(shí)驗(yàn)考察房間2部分溫度梯度：①房間整體的溫度梯度，按照2.6,m處與0.1,m處溫差計(jì)算；②房間人員活動(dòng)區(qū)(1.7,m以下)和房間高區(qū)(1.7,m以上)的局部溫度梯度．不同供熱量下房間垂直方向溫度分布情況見(jiàn)圖3，房間平均溫度梯度隨冷卻頂板供熱量變化的曲線見(jiàn)圖4，高低區(qū)溫度梯度隨供熱量變化的曲線見(jiàn)圖5．

圖3 不同供熱條件下房間垂直溫度分布Fig.3 Temperature profile of different heating supply

由圖3可以看出，冷卻頂板供熱時(shí)會(huì)在室內(nèi)形成明顯的溫度梯度，且在不同供熱量下房間垂直溫度分布趨勢(shì)一致；隨著供熱量增大，除了腳踝處，其余各測(cè)點(diǎn)溫度升高，人員坐立區(qū)域(1.1,m以下)溫差增大．房間內(nèi)溫度梯度分布并不均勻，在房間高區(qū)，溫度變化較大，溫度梯度明顯；在人員活動(dòng)區(qū)，溫度梯度較?。畧D5進(jìn)一步反映了房間高區(qū)和人員活動(dòng)區(qū)溫度梯度隨供熱量的變化曲線，可以看到，不論在高區(qū)還是人員活動(dòng)區(qū)，溫度梯度隨供熱量的升高而增大，在房間高區(qū)(1.7,m以上)溫度梯度值可達(dá)到7,K/m以上，而在人員活動(dòng)區(qū)，溫度梯度一般不高于3,K/m．形成這種溫度分布的原因是：室內(nèi)熱負(fù)荷全部由輻射供暖方式承擔(dān)，因?yàn)閷?duì)流所占比例很小，使得在冷卻頂板附近溫度梯度很大，而人員活動(dòng)區(qū)域溫度分布趨于一致．由圖4可見(jiàn)房間平均溫度梯度隨供熱量升高而增大，且近似呈線性關(guān)系變化，雖然房間上部會(huì)形成較大的溫度梯度，但是該區(qū)域已經(jīng)超過(guò)人員活動(dòng)范圍，對(duì)人熱舒適影響甚微，而如果人員活動(dòng)區(qū)垂直溫差超出規(guī)定值就會(huì)影響人體熱舒適，該點(diǎn)將在局部熱不舒適部分分析．

圖4 供熱量與溫度梯度的關(guān)系Fig.4 Relationship between temperature gradient and heating supply

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 人員整體熱舒適

美國(guó)ASHRAE Standard 55—1992中對(duì)熱舒適的定義為“熱舒適是人對(duì)熱環(huán)境感到滿意的意識(shí)狀態(tài)”．現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，使用Fanger教授的PMV-PPD模型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)環(huán)境熱舒適程度．辦公房間人員以坐姿為主，熱舒適計(jì)算以0.6,m高度空氣參數(shù)為準(zhǔn)；但有時(shí)會(huì)因工作需要，如送取文件等會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)處于站姿，此時(shí)熱舒適計(jì)算以1.1,m高度空氣參數(shù)為準(zhǔn)[7]．為明確在這2種姿態(tài)下人員熱舒適情況，做如下分析．

辦公活動(dòng)屬輕微勞動(dòng)，人員坐立新陳代謝量M＝1.2,met[8]，服裝熱阻[9]Icl＝1.0,clo，座椅熱阻0.15,clo[10]；站立M＝1.3,met[8]，冬季辦公服裝熱阻1.0,clo[9]．實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)了3組冷卻頂板下方0.6,m處和1.1,m處各點(diǎn)室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)，并利用 Fanger人體熱舒適方程求解得到各測(cè)點(diǎn)處人員預(yù)測(cè)平均投票指數(shù)(predicted mean vote，PMV)值，不同供熱量條件下PMV的最大、最小及均值分布情況如圖6所示．

圖6 PMV值分布曲線Fig.6 Distributing curve of PMV

由圖6可以看出，不同供熱量條件下人員坐姿和站姿時(shí)PMV都處于-0.5～0.5之間，處于ASHRAE 55—2004中關(guān)于PMV的推薦范圍之內(nèi)，說(shuō)明人員整體熱舒適可以得到保證．在本實(shí)驗(yàn)中，房間溫度保證為18,℃，同時(shí)熱舒適均得到了保證．

在PMV計(jì)算式中，共有8個(gè)變量，而服裝面積系數(shù)fcl和衣物表面溫度tcl均可由服裝熱阻Icl決定，對(duì)流換熱系數(shù)hc是風(fēng)速v的函數(shù)，人體做機(jī)械功W按0計(jì)算，所以影響人員熱舒適的參數(shù)有6個(gè)，即：室內(nèi)空氣溫度、室內(nèi)平均輻射溫度、空氣流速、空氣中水蒸氣分壓力、衣著和新陳代謝率．在這6個(gè)參數(shù)中，僅有空氣溫度和平均輻射溫度隨冷卻頂板供熱量變化而改變，因此在本實(shí)驗(yàn)中，空氣溫度和平均輻射溫度是影響人體熱舒適的關(guān)鍵因素．為了進(jìn)一步說(shuō)明平均輻射溫度作用，做如下分析．

假想該房間為常規(guī)空調(diào)采暖房間，認(rèn)為空氣平均輻射溫度與空氣溫度相等．若仍保證房間1.1,m處溫度為18,℃，且人員活動(dòng)量與著裝程度與本實(shí)驗(yàn)相同，則不同室外溫度條件下0.6,m和1.1,m處的PMV值見(jiàn)表3．

表3 常規(guī)采暖房間空氣溫度等于平均輻射溫度時(shí)PMV分布Tab.3 PMV distribution when air temperature equals the Tab.3 MRT

從表3可以看出，若采用常規(guī)空調(diào)采暖，空氣溫度與平均輻射溫度基本相等．在各室外溫度條件下，人員呈坐姿時(shí)，PMV均超過(guò)熱舒適范圍，人體整體熱舒適將處于偏冷狀態(tài)，不能得到保證．與圖5和圖6對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同樣室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度條件下，冷卻頂板房間熱舒適明顯優(yōu)于常規(guī)空調(diào)采暖房間．

進(jìn)一步假設(shè)，保證常規(guī)空調(diào)房間人體熱舒適與本實(shí)驗(yàn)冷卻頂板站姿(1.1,m)處整體熱舒適相同，且人體新陳代謝量與著裝程度也相同，則常規(guī)空調(diào)采暖房間需達(dá)到的室內(nèi)溫度見(jiàn)表4．

表4 整體熱舒適相同時(shí)室內(nèi)空氣溫度對(duì)比Tab.4 Comparison of air temperature at the same PHV

由表4可以看出，當(dāng)常規(guī)空調(diào)采暖房間保持與冷卻頂板相同的熱舒適水平時(shí)，空氣溫度比冷卻頂板采暖房間空氣溫度高約1.3,℃．

綜合以上分析可以看出，在達(dá)到同樣熱舒適水平前提下，冷卻頂板室供熱的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度可以比常規(guī)空調(diào)采暖低約1.3,℃．

3.2 局部熱不舒適

即使人體整體感覺(jué)處于熱中性狀態(tài)時(shí)，身體其他部位可能會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的不均勻性產(chǎn)生不舒適的感覺(jué)．造成環(huán)境的不均勻性的原因主要有過(guò)冷的窗戶、過(guò)熱的表面、吹風(fēng)感等或是這幾個(gè)因素的綜合作用．本實(shí)驗(yàn)主要研究局部熱不舒適中的輻射不對(duì)稱溫度與垂直溫差，因室內(nèi)風(fēng)速很低，故不考慮吹風(fēng)感．

3.2.1 輻射不對(duì)稱溫度

輻射不對(duì)稱溫度是指人體兩側(cè)空間環(huán)境輻射溫度不同而引起的溫差[11]，它會(huì)直接影響人員的局部熱不舒適．冷卻頂板供熱工況屬于引起輻射不對(duì)稱熱不舒適的典型環(huán)境，因此有必要研究由該環(huán)境引起的人員局部熱不舒適情況．圖7為輻射不對(duì)稱溫度隨冷卻頂板供熱量變化的曲線．

圖7 輻射不對(duì)稱溫度與供熱量關(guān)系Fig.7 Relationship between radiant temperature asymmetry and heating supply

由圖7可以看出，供熱量增大引起冷卻頂板表面溫度升高，進(jìn)而引起輻射不對(duì)稱溫度增加．冷卻頂板供熱量每增加10,W/m2，輻射不對(duì)稱溫度大約增加0.3,℃，二者近似呈線性關(guān)系變化．ASHRAE 55—2004推薦輻射不對(duì)稱溫度不應(yīng)超過(guò)5,℃，在該實(shí)驗(yàn)條件下冷卻頂板供熱量不宜超過(guò)142,W/m2．

3.2.2 垂直溫差

垂直溫差也是引起人員局部熱不舒適的重要因素．人員坐立時(shí)重點(diǎn)考察頭部高度1.1,m和腳踝高度0.1,m間溫差[11]．實(shí)驗(yàn)中垂直溫差不滿意率隨冷卻頂板供熱量變化的曲線見(jiàn)圖8．

由圖8可以看出，垂直溫差隨冷卻頂板供熱量升高而增大，且近似呈線性變化關(guān)系．ASHRAE,55— 2004推薦頭-踝間溫差不宜大于3,K，即不滿意率(percent dissatisfied，PD)≤3.95%．根據(jù)PD極限值，可以得到滿足垂直溫差不滿意率時(shí)冷卻頂板供熱量不宜超過(guò)117,W/m2．

圖8 垂直溫差不滿意率與供熱量關(guān)系Fig.8 Relationship between PD due to vertical temperature difference and heating supply

綜合以上分析可以得出，冷卻頂板供熱會(huì)帶來(lái)局部熱不舒適問(wèn)題，其中垂直溫差影響最大．冷卻頂板供熱設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮垂直溫差確定供熱量上限．

4 結(jié) 論

(1) 冷卻頂板供熱可以滿足房間設(shè)計(jì)溫度的需要，并能適應(yīng)房間負(fù)荷變化．

(2) 冷卻頂板供熱房間人員站姿和坐姿整體熱舒適都處于ASHRAE,55—2004推薦范圍之內(nèi)，人員整體熱舒適可以保證．

(3) 在人員熱舒適得以保證前提下，冷卻頂板供熱房間室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度可以較對(duì)流采暖房間低約

1.3 ,℃．

(4) 當(dāng)人員整體熱舒適與局部熱舒適都滿足規(guī)范要求時(shí)，垂直溫差是影響冷卻頂板供熱人員熱舒適的主要因素，冷卻頂板供熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮垂直溫差確定供熱量的上限．本實(shí)驗(yàn)中不宜大于117,W/m2.

(5) 房間熱負(fù)荷較大時(shí)，可以考慮通過(guò)增加冷卻頂板供熱面積實(shí)現(xiàn)．

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Performance and Thermal Comfort of Chilled Ceiling System in Heating Mode

TIAN Zhe，WANG Shuo，ZHU Neng，ZHANG Cheng
(School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Chilled ceiling in heating mode may affect people′s general thermal comfort and local thermal discomfort. In this paper，a chilled ceiling room was designed and built．The thermal environment parameters of the room were measured，and general thermal comfort and local thermal discomfort were analyzed by using the model established by Fanger and ASHRAE 55—2004 standard. The research focused on the relationship between heating supply and local thermal discomfort. The research result indicates that general thermal comfort is satisfied according to the ASHRAE 55—2004 standard while local thermal discomfort emerges due to radiant asymmetry and vertical temperature difference when heating supply of chilled ceiling reaches a certain value. The suggested heating supply is not more than 117 W/m2.

chilled ceiling；heating mode；general thermal comfort；local thermal discomfort

TU833

A

0493-2137(2010)12-1109-06

2009-04-17；

2009-08-27.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006BAJ03A10)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(09JCYBC07600).

田 喆（1975— ），男，博士，副教授．

田 喆，tianzhe@tju.edu.cn.