程海峰，許潔，王庚，唐光明

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

0 引言

隨著人居生活水平的的提升，人們對建筑室內(nèi)供暖方式的選擇呈現(xiàn)多樣化[1]。散熱器系統(tǒng)作為傳統(tǒng)的集中供暖末端，使用安全方便，在北方地區(qū)應(yīng)用廣泛，但其由于高溫?zé)崴崞鞅砻鏈囟冗^高，灰塵產(chǎn)生焦糊味的有害物質(zhì)會使室內(nèi)空氣品質(zhì)下降[2]。夏熱冬冷地區(qū)為非集中供暖區(qū)，其冬季濕冷，有供暖的需求和必要性，空調(diào)供暖作為夏熱冬冷地區(qū)主流的供暖模式，其造成室內(nèi)溫度分布上高下低，使室內(nèi)空氣干燥且有吹風(fēng)感等熱舒適程度低、空氣品質(zhì)較差的問題[3-4]。

為了能夠提升室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性，近幾年，對低溫散熱器供暖系統(tǒng)的研究不僅在我國形成一定的熱度，而且在國外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。A.Hasan[5]等對名義供回水溫度為45℃/35℃的低溫?zé)崴崞鞴┡到y(tǒng)房間熱舒適度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真模擬，得到散熱器低溫運(yùn)行能夠保證室內(nèi)溫度在20℃以上，且室內(nèi)垂直溫差較小；A.Hesaraki和S.Holmberg[6]通過現(xiàn)場實(shí)測和CFD模擬技術(shù)，對瑞典的五個(gè)房間采用低溫散熱器系統(tǒng)進(jìn)行舒適度分析，得出基于PMV的PPD為12%，供暖房間平均溫度在20～25℃之間變化。Jonn Are Myhren[7]等通過模擬分析了高溫散熱器供暖、中低溫散熱器供暖、地板輻射供暖、墻體輻射供暖方式下房間的舒適性，得出采用中低溫散熱器供暖在房間氣密性較差時(shí)舒適性最好。吳輝敏[8]等對散熱器低溫供暖的優(yōu)勢、應(yīng)用技術(shù)和實(shí)施進(jìn)行了分析，提出了散熱器低溫供暖系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行連續(xù)供熱以達(dá)到供暖效果。李慶娜[9]等測試了現(xiàn)有居住性節(jié)能住宅采用供回水溫60℃/45℃散熱器采暖系統(tǒng)，在連續(xù)供熱時(shí)可滿足熱用戶用熱需求[3]。曹宇婷和楊強(qiáng)[10]通過實(shí)測農(nóng)村地區(qū)采用空氣源熱泵散熱器系統(tǒng)供暖，可使測試供暖房間平均溫度維持在16.91～18.65℃。楊茜[11]等采用Airpak軟件，模擬了北京地區(qū)農(nóng)村住宅低溫散熱器供暖系統(tǒng)房間，得出了該供暖系統(tǒng)可滿足熱舒適性要求的結(jié)論。

多數(shù)研究者所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，是以嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)冬季室外環(huán)境為設(shè)計(jì)環(huán)境，而對于低溫散熱器系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)冬季特定的濕冷環(huán)境下應(yīng)用研究不多?；谇叭藢Φ蜏厣崞飨到y(tǒng)的研究，本文通過設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)測合肥地區(qū)冬季采用供回水溫45℃/40℃的低溫?zé)崴崞鞴┡到y(tǒng)與常用熱泵空調(diào)供暖系統(tǒng)房間溫度場分布，分析兩種不同供暖系統(tǒng)室內(nèi)溫度分布特征差異，對于夏熱冬冷地區(qū)供暖系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及改善室內(nèi)熱環(huán)境具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)在位于合肥市某研究院三樓的室內(nèi)宜居環(huán)境技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部凈尺寸為 8 m×6 m×3 m(長×寬×高)，東南西三面為外墻，北面為內(nèi)墻并含一扇1.6 m×2 m的雙開玻璃門，連通毗鄰的內(nèi)走廊，無窗。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)西墻上部布置一臺側(cè)送風(fēng)熱泵空調(diào)室內(nèi)機(jī)，送風(fēng)方式為上送上回，送風(fēng)口為雙層百葉風(fēng)口，尺寸為1 m×0.2 m，回風(fēng)口在機(jī)組底面，距離地面2.7 m。實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置7組散熱器，東墻下設(shè)置一組，其它三面墻各設(shè)兩組。采用空氣源熱泵提供供回水溫度為45℃/40℃的低溫?zé)崴Ｉ崞鞯牟馁|(zhì)為鑄鐵，每組散熱器含有散熱片18個(gè)，散熱器的尺寸均為1.3 m×0.1m×7m(L×W×H)，下端距離地面 0.15 m。

圖1 房間物理模型圖(左：低溫散熱器供暖；右：空調(diào)供暖)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了反映房間溫度場的實(shí)際分布，在室內(nèi)宜居環(huán)境技術(shù)研究室內(nèi)均勻布置8個(gè)同樣規(guī)格的測桿。由于人體的腳踝、膝蓋和頭等部位對溫度的感受要求不同，不適宜的垂直溫度梯度不僅會增加室內(nèi)氣流組織運(yùn)動，而且會導(dǎo)致人員不舒適感[12]，故在每個(gè)測桿的0.1 m、0.7 m、1.5 m和2 m高度處設(shè)置溫度測點(diǎn)，總共32個(gè)測點(diǎn)。圖2為側(cè)桿在整個(gè)房間的水平位置分布和垂直測點(diǎn)編號。對于某一測桿x(x 為 a、b、c、d、e、f)，x1～x4 分別為 0.1 m、0.7 m、1.5m和2m高度的測點(diǎn)。

圖2 房間內(nèi)側(cè)桿的平面位置和垂直測點(diǎn)編號

房間內(nèi)空氣溫度的監(jiān)測采用2×0.5 mmK型熱電偶(可測溫度范圍0～600℃)，由JTDL-80型多通道熱電偶采集模塊(測量精度為±0.5℃)實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)數(shù)據(jù)自動采集和儲存。圖3為實(shí)驗(yàn)室房間內(nèi)實(shí)驗(yàn)儀器和部分測桿、測點(diǎn)的現(xiàn)場布置。

本實(shí)驗(yàn)的測試時(shí)間為2017年1月18日與2017年1月20日。房間采用空調(diào)供暖方式實(shí)驗(yàn)從18日10：00開啟到17：00停機(jī)，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度24℃；低溫散熱器供暖實(shí)驗(yàn)在20日的10：00開啟至17：00停機(jī)，熱水供回水溫度為45℃/40℃，兩天的室外溫度均為-2℃。測試數(shù)據(jù)采取各個(gè)工況穩(wěn)定時(shí)段進(jìn)行分析，即13：00～17：00采集的逐時(shí)溫度。室內(nèi)平均溫度是供暖房間的重要參數(shù)，其計(jì)算公式[13]如下：

式中，trm是檢測持續(xù)時(shí)間內(nèi)受檢房間的室內(nèi)平均溫度(℃)；trm，i是檢測持續(xù)時(shí)間內(nèi)受檢房間第i個(gè)室內(nèi)逐時(shí)溫度(℃)；n是檢測持續(xù)時(shí)間內(nèi)受檢房間的室內(nèi)逐時(shí)溫度的個(gè)數(shù)；ti，j是檢測持續(xù)時(shí)間內(nèi)受檢房間第j個(gè)測點(diǎn)的第i個(gè)溫度逐時(shí)值(℃)；p是檢測持續(xù)時(shí)間內(nèi)受檢房間內(nèi)布置的溫度測點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 兩種系統(tǒng)供暖效果測試分析

2.1.1 低溫散熱器系統(tǒng)供暖效果測試分析

圖4反映了低溫散熱器系統(tǒng)房間中部c測桿各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行保持基本穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，供暖房間0.1 m、0.7 m、1.5 m和2.0 m高度上的溫度呈現(xiàn)周期性變化，約30分鐘一個(gè)周期，這是由于空氣源熱泵機(jī)組的啟停導(dǎo)致溫度隨時(shí)間的波動。圖5為低溫散熱器房間在13：00～17：00各測點(diǎn)的平均溫度分布，由于a測桿靠近房間玻璃門，受冷風(fēng)滲透的影響，a測桿0.1 m處測點(diǎn)平均溫度略低。0.1 m高處水平溫度分布不均勻性較大，這是空氣與地面的對流換熱以及各點(diǎn)距散熱器遠(yuǎn)近受熱壓影響不同導(dǎo)致的。0.7 m、1.5 m和2.0 m高處水平溫度穩(wěn)定，基本保持在21.5～23℃之間，其中0.7 m與1.5 m的垂直溫差在1℃左右，1.5 m與2.0 m的垂直溫差在0.5℃以下，這說明低溫散熱器系統(tǒng)供暖房間內(nèi)人員在保持坐姿或站立時(shí)呼吸區(qū)的溫度較均勻。而且房間內(nèi)各點(diǎn)的平均溫度在18.9～23.4℃之間，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對于舒適性空調(diào)人員長期逗留區(qū)域室內(nèi)溫度要求[14]。

圖3 實(shí)驗(yàn)儀器和測點(diǎn)的現(xiàn)場布置

圖4 低溫散熱器系統(tǒng)C測桿各點(diǎn)溫度變化

圖5 低溫散熱器房間各測點(diǎn)平均溫度分布

2.1.2 空調(diào)系統(tǒng)供暖效果測試分析

圖6為空調(diào)系統(tǒng)房間中部C測桿各點(diǎn)溫度變化，可以看出0.7 m、1.5 m和2.0 m高處的溫度隨時(shí)間呈明顯周期性波動，約10分鐘一個(gè)周期，波峰波谷明顯，而在0.1 m高處的溫度變化較平穩(wěn)。分析圖7空調(diào)系統(tǒng)供暖房間溫度出現(xiàn)明顯垂直分層現(xiàn)象，其中高度0.1 m與0.7 m間垂直溫差均超過3.5℃，不能達(dá)到ⅠSO7730標(biāo)準(zhǔn)對于工作區(qū)內(nèi)距離地面上方1.1 m和0.1 m間溫差不應(yīng)大于3℃的溫度梯度要求[15]。而且1.5 m和2.0 m高處水平溫度分布不均勻性大，但0.1 m和0.7 m高處水平溫度分布較均勻，故總體呈現(xiàn)上部波動、下部穩(wěn)定的現(xiàn)象。造成這種分布特征的原因，是因?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)供暖采用上送上回的送風(fēng)方式，從送風(fēng)口送出的熱風(fēng)與房間內(nèi)空氣存在一定的溫差，由于熱風(fēng)上浮，在頂板形成貼附射流；本測試為了減小熱量聚集在頂板面而產(chǎn)生的熱損失，將送風(fēng)百葉向下進(jìn)行了傾斜，此時(shí)熱風(fēng)的射流范圍擴(kuò)大，房間上部空氣受到的擾動較大，由于墻壁的阻擋和回風(fēng)口的負(fù)壓作用下形成回流，房間下部處于熱風(fēng)回流區(qū)，該區(qū)域溫度較射流區(qū)溫度平穩(wěn)。

圖6 熱泵空調(diào)系統(tǒng)C測桿各點(diǎn)溫度變化

圖7 熱泵空調(diào)房間各測點(diǎn)平均溫度分布

2.2 兩種供暖系統(tǒng)對比分析

當(dāng)房間溫度達(dá)到基本穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，采用低溫散熱器系統(tǒng)供暖的房間溫度波動平緩，各測點(diǎn)溫差波動小于1℃；而空調(diào)系統(tǒng)供暖房間溫度波動幅度較大，最大波動溫差可達(dá)3.2℃，見圖5、圖7。造成如此明顯的差異主要是由于不同供暖方式對室內(nèi)氣流組織造成的影響不同。散熱器低溫運(yùn)行，與室內(nèi)空氣進(jìn)行對流換熱，室內(nèi)空氣被加熱形成自然對流；熱泵空調(diào)送風(fēng)口送出一定速度的熱風(fēng)與室內(nèi)空氣混合進(jìn)行熱交換，對室內(nèi)氣流產(chǎn)生較大的擾動。

分析對比圖5和圖7：①由于a測桿靠近房間玻璃門，受冷風(fēng)滲入影響，在兩種不同供暖方式下，該測桿0.1m高度測點(diǎn)溫度均比同一高度下其他測點(diǎn)的溫度低2～3℃。②水平方向上：空調(diào)供暖房間(圖7)在距離風(fēng)口最遠(yuǎn)的a測桿各點(diǎn)相對溫度最高，而與a測桿相對稱的b測桿由于房間上部有隔斷板的阻擋，溫度略低于a測桿，其他工作區(qū)的水平溫度穩(wěn)定，但相較于低溫散熱器供暖房間(圖5)，其水平溫度梯度較大；低溫散熱器供暖房間溫度在f4點(diǎn)處相對溫度最高，這與各測點(diǎn)與散熱器距離不同熱壓影響不同造成的，特別的由于熱壓加上維護(hù)結(jié)構(gòu)的邊界效應(yīng)，低溫散熱器房間靠近地面處的水平溫度波動略大。③垂直方向上：相比空調(diào)供暖房間，低溫散熱器供暖房間內(nèi)垂直溫度梯度明顯變小，0.7 m與1.5 m高度間的溫差縮小最為顯著；而且低溫散熱器房間內(nèi)各點(diǎn)的平均溫度在18.9～23.4℃之間，空調(diào)供暖房間內(nèi)各點(diǎn)平均溫度在15.6～23.4℃之間，所以采用低溫散熱器供暖方式，房間溫度區(qū)間縮小，0.1 m高度溫度平均提高達(dá)19℃，提高了3℃，處于人體腳踝處的溫度增高，對于人體的舒適感起到提升作用。

3 結(jié)論

筆者利用室內(nèi)宜居環(huán)境技術(shù)研究室為測試平臺，通過對夏熱冬冷地區(qū)冬季使用低溫散熱器供暖與空調(diào)供暖方式室內(nèi)溫度場進(jìn)行實(shí)測，對比分析兩種不同供暖方式下室內(nèi)溫度分布特征，得出以下結(jié)論：

(1)對于氣密性較好的房間，采用低溫散熱器連續(xù)供暖，房間各點(diǎn)平均溫度保持在18.9～23.4℃之間；而空調(diào)供暖房間內(nèi)各點(diǎn)平均溫度在15.6～23.4℃之間。故低溫散熱器供暖(供回水溫度45℃/40℃)可滿足夏熱冬冷地區(qū)熱用戶的熱需求，且減少室內(nèi)低溫區(qū)，縮小室內(nèi)溫度區(qū)間，整體提升室內(nèi)溫度。

(2)從室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化上來看，當(dāng)房間溫度達(dá)到一定的穩(wěn)定性時(shí)，低溫散熱器供暖房間逐時(shí)溫度波動平緩，波幅小于1℃；而空調(diào)供暖房間逐時(shí)溫度波動較大，波幅可達(dá)3.2℃。所以采用低溫散熱器供暖可以使房間舒適度得到提升。

(3)房間溫度場沿水平方向，低溫散熱器供暖房間水平溫度分布穩(wěn)定性優(yōu)于空調(diào)供暖房間，特別的由于熱壓和維護(hù)結(jié)構(gòu)的邊界效應(yīng)，低溫散熱器房間靠近地面處的水平溫度波動略大。

4)房間溫度場沿垂直方向，空調(diào)供暖房間溫度分層顯著，垂直溫度梯度大，高度0.1 m與0.7 m間垂直溫差均超過3.5℃；而低溫散熱器房間垂直溫度梯度小，溫度分布更均勻。