梁秋錦，陳金華，段坤林，孫海，韓浩然，宋靜

(1.重慶魯能英大置業(yè)有限公司，重慶 400060;2.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045;3.重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015)

毛細(xì)管網(wǎng)作為一種新型空調(diào)末端形式，具有不占用室內(nèi)空間、能與可再生能源結(jié)合及室內(nèi)舒適度更高等優(yōu)勢，在能源成本越來越高、環(huán)境污染與溫室效應(yīng)加劇的大背景下，對毛細(xì)管網(wǎng)的研究與應(yīng)用越來越多。Hoseggen等[1]對頂棚供冷節(jié)能與舒適度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并利用ESP-r軟件進(jìn)行模擬論證，結(jié)果表明：模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果吻合。Mikeska等[2]對輻射供冷室內(nèi)舒適性與供水溫度關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明：當(dāng)室內(nèi)溫度比供水溫度高4 K時(shí)，室內(nèi)溫度舒適性較好。Keblawi等[3]對頂棚供冷輔助新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遺傳算法控制器，可實(shí)現(xiàn)低能耗下滿足同樣的舒適度。Lee等[4]對地面輻射與對流空調(diào)系統(tǒng)通過實(shí)測對比分析，結(jié)果表明：輻射空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)垂直溫差較小。Eusebio等[5]對輻射與對流空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比分析，結(jié)果表明：輻射空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)舒適度好。Kyu等[6]總結(jié)分析了近50年輻射空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用，得出輻射空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能性、舒適性方面不斷改進(jìn)優(yōu)化的結(jié)論。李炅等[7]對毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)行模擬研究，分析了毛細(xì)管網(wǎng)供冷能力影響因素。朱備等[8]對毛細(xì)管網(wǎng)輻射供冷表面結(jié)露進(jìn)行研究，提出了結(jié)合過冷度的運(yùn)行策略。謝東、王赟等[9-10]均針對毛細(xì)管頂棚輻射供冷進(jìn)行模擬研究，分析了頂棚輻射供冷時(shí)的供冷量。張金明[11]對壁面輻射供冷與對流空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究，對比兩種空調(diào)方式下室內(nèi)熱工參數(shù)。劉猛等[12]研究了不同供水溫度與室外天氣下毛細(xì)管網(wǎng)地棚供冷房間溫度、供冷量與結(jié)露情況。李妍等[13]分析了影響毛細(xì)管網(wǎng)的供冷能力相關(guān)曲線圖。陳金華等[14]對毛細(xì)管網(wǎng)地面不同供水溫度供暖時(shí)的室內(nèi)參數(shù)進(jìn)行研究，確定了供暖的最佳供水溫度。陳露等[15]對毛細(xì)管網(wǎng)頂棚、墻面、地面進(jìn)行模擬研究，分析了這3種敷設(shè)方式的舒適性。

對頂棚、墻面、地面毛細(xì)管網(wǎng)的研究，大多為理論計(jì)算與軟件模擬，或只針對一種敷設(shè)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。本文對毛細(xì)管網(wǎng)頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。從室內(nèi)人員活動區(qū)溫度、濕度、壁面溫度、室內(nèi)垂直與水平溫度、PMV、PPD等熱工參數(shù)，全面分析3種敷設(shè)方式毛細(xì)管網(wǎng)供冷的室內(nèi)舒適性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)房間概況

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為面積相同的兩個(gè)房間[16](圖1)，編號分別為410和412，面積均為21 m2，尺寸為6 m×3.5 m×2.7 m(長×寬×高)，門洞尺寸為0.8 m×2.1 m(寬×高)，外窗尺寸為2 700 mm×2 000 mm(寬×高)；建筑外墻為實(shí)心磚墻(未做保溫)，厚度為240 mm，內(nèi)墻也為實(shí)心磚墻，厚度為200 mm。窗戶為單層玻璃窗，厚度為6 mm，內(nèi)設(shè)厚窗簾。

圖1 實(shí)驗(yàn)房間平面圖(單位：mm)Fig.1 Experimental room plan

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2.1 冷熱源 該實(shí)驗(yàn)的冷熱源為空氣源熱泵機(jī)組。冷熱源與毛細(xì)管網(wǎng)末端中間設(shè)置換熱水箱，通過換熱水箱控制供水溫度為18 ℃。原理圖如圖2所示。

圖2 冷熱源原理圖Fig.2 Schematic diagram of cold and heat

1.2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)┒?實(shí)驗(yàn)的末端為頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式，410房間頂棚、墻面敷設(shè)同側(cè)供回S型毛細(xì)管網(wǎng)，412房間地面敷設(shè)同側(cè)供回S型毛細(xì)管網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)，為滿足室內(nèi)冷負(fù)荷需求，設(shè)置毛細(xì)管網(wǎng)參數(shù)，見表1。

表1 毛細(xì)管網(wǎng)基本參數(shù)Table 1 The situation of capillary radiation

毛細(xì)管網(wǎng)頂棚、墻面、地面敷設(shè)位置圖與構(gòu)造示意圖，如圖3～圖4所示。

圖3 毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)位置圖

圖4 毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造示意圖Fig.4 The structure drawing of

1.2.3 新風(fēng)系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)新風(fēng)溫度為24 ℃，相對濕度為60%，新風(fēng)量為60 m3/h，新風(fēng)送風(fēng)方式為上送風(fēng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 測試方案 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行工況見表2，根據(jù)《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》(JGJ 142—2012)的規(guī)定：毛細(xì)管網(wǎng)供水溫度應(yīng)保證供冷表面溫度高于露點(diǎn)溫度1～2 ℃。故實(shí)驗(yàn)在18 ℃供水溫度下，測試毛細(xì)管網(wǎng)頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式的室內(nèi)熱工參數(shù)。

1.3.2 測點(diǎn)布置 實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)[17]的布置原則參照《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)的規(guī)定，詳見圖5～圖6。實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄間隔為10 min/次。

實(shí)驗(yàn)房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度測點(diǎn)布置：頂棚布置5個(gè)，地面布置5個(gè)，左墻布置9個(gè)，右墻布置9個(gè)，外墻布置2個(gè)，內(nèi)墻布置2個(gè)，共計(jì)32個(gè)測點(diǎn)，如圖5、圖6。

表2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行工況Table 2 The running state of experiment system

圖5 頂棚、地面壁面溫度測點(diǎn)Fig.5 Arrangement of temperature measuring points on the ceiling and

圖6 左、右墻壁面溫度測點(diǎn)Fig.6 Arrangement of temperature measuring points on the left and right

實(shí)驗(yàn)房間空間溫度測點(diǎn)布置在圖5中a、b、c、d、e位置上距地0.1 m(腳踝)、0.6 m(膝蓋)、1.1 m(坐姿頭部)、1.7 m(站姿頭部)、2.5 m(房間上空)處，共計(jì)25個(gè)。空間濕度測點(diǎn)布置在a、c、e位置，距地1.1 m高度處，共計(jì)3個(gè)。

1.3.3 測試儀器 實(shí)驗(yàn)主要儀器見表3。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 室外空氣溫度

實(shí)驗(yàn)期間室外逐時(shí)溫度如圖7所示。頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式室外平均溫度依次為29.97、31.26、29.97 ℃。

表3 實(shí)驗(yàn)測試儀器表Table 3 Test apparatus

圖7 3種工況室外溫度分布Fig.7 The outdoor temperature of 3

2.2 室內(nèi)人員活動區(qū)平均溫度

人員活動區(qū)平均溫度為a、b、c、d、e 5個(gè)水平位置分別距地0.1、0.6、1.1、1.7 m4個(gè)垂直高度的20個(gè)測點(diǎn)平均值。3種敷設(shè)方式實(shí)驗(yàn)期間人員活動區(qū)逐時(shí)溫度如圖8所示，由圖8可知：

1)毛細(xì)管網(wǎng)地面輻射供冷時(shí)，人員活動區(qū)溫度達(dá)到28 ℃，響應(yīng)時(shí)間最長。頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式響應(yīng)時(shí)間依次為：20、50、60 min。

2)3種敷設(shè)方式人員活動區(qū)平均溫度均滿足≤28 ℃要求，頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式供冷穩(wěn)定時(shí)，人員活動區(qū)的平均溫度依次為：26.27、27.22、26.57 ℃。

3)人員活動區(qū)溫度的影響因素主要包括以下兩個(gè)方面：輻射壁面溫度與距輻射壁面距離。頂棚敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，由于其敷設(shè)構(gòu)造較薄，輻射壁面溫度低，因此，供冷穩(wěn)定時(shí)，室內(nèi)溫度低于另外兩種敷設(shè)方式；墻面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，由于其敷設(shè)單面，冷空氣橫向傳播速度慢，因此，供冷穩(wěn)定時(shí)，室內(nèi)溫度高于另外兩種敷設(shè)方式；地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，雖然其輻射壁面溫度較另外兩種敷設(shè)方式高，但是距離人員活動區(qū)最近，因此，供冷穩(wěn)定時(shí)，室內(nèi)溫度與頂棚敷設(shè)時(shí)溫度接近。

圖8 3種工況人員活動區(qū)的平均溫度Fig.8 The average temperature of working area of 3

2.3 室內(nèi)人員活動區(qū)平均相對濕度

人員活動區(qū)平均相對濕度為a、c、e點(diǎn)距地1.1 m高度的相對濕度平均值，3種敷設(shè)方式人員活動區(qū)逐時(shí)平均相對濕度如圖9所示：頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式人員活動區(qū)穩(wěn)定時(shí)，平均相對濕度均能滿足室內(nèi)舒適要求；墻面敷設(shè)人員活動區(qū)平均相對濕度略小于頂棚、地面；平均相對濕度依次為68.58%、64.13%、70.05%。

圖9 3種工況人員活動區(qū)的平均相對濕度Fig.9 The average relative humidity of working

2.4 露點(diǎn)溫度分析

3種敷設(shè)方式露點(diǎn)溫度如圖10所示，頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式的輻射壁面溫度、附近空氣溫度均高于輻射壁面露點(diǎn)溫度，因此，實(shí)驗(yàn)過程中均未出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。但重慶地區(qū)濕度較大，為防止輻射供冷時(shí)出現(xiàn)結(jié)露，應(yīng)設(shè)置通風(fēng)除濕系統(tǒng)。

2.5 輻射壁面平均溫度

輻射壁面平均溫度與毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)構(gòu)造密切相關(guān)。3種敷設(shè)方式輻射壁面逐時(shí)溫度如圖11所示，由圖11可知：

圖10 3種工況露點(diǎn)溫度Fig.10 The temperature dew point temperature of 3

1)毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)構(gòu)造越薄，輻射壁面熱響應(yīng)時(shí)間越快，輻射壁面溫度也越低。頂棚、墻面、地面敷設(shè)構(gòu)造厚度依次遞增，熱響應(yīng)時(shí)間依次遞增，輻射壁面平均溫度也依次遞增，分別為20.96、21.14、22.76 ℃。

2)頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式輻射壁面平均溫度均滿足《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》(JGJ 142—2012)中的規(guī)定。具體要求值見表4。

3)常規(guī)地盤管地面上部敷設(shè)構(gòu)造厚度較厚，不宜用于毛細(xì)管網(wǎng)地面，為縮短地面輻射熱響應(yīng)時(shí)間，降低輻射壁面溫度，可降低毛細(xì)管網(wǎng)地面敷設(shè)構(gòu)造厚度。

圖11 3種工況輻射壁面溫度Fig.11 Radiation surface temperature in 3

敷設(shè)位置平均溫度下限值/℃人員經(jīng)常停留地面19人員短期停留地面19墻面17頂棚17

3種敷設(shè)方式輻射壁面熱成像儀圖如圖12所示，由圖12可見：

1)3種敷設(shè)方式輻射壁面溫度分布均勻，僅在毛細(xì)管網(wǎng)拼接處出現(xiàn)較小溫升。

2)3種敷設(shè)方式輻射壁面溫度熱成像儀監(jiān)測數(shù)據(jù)與熱電偶監(jiān)測數(shù)據(jù)相差較小，頂棚、墻面、地面輻射壁面溫度依次遞增。

圖12 3種工況輻射壁面熱成像圖片F(xiàn)ig.12 The radiation surface thermal imaging of 3

2.6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度

3種敷設(shè)方式圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度分布如圖13所示，由圖13可知：

1)3種敷設(shè)方式外墻溫度高于其他壁面溫度，由于外墻未做保溫，故受室外溫度影響較大。

2)墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供冷時(shí)，頂棚壁面溫度較高。主要原因是熱空氣在房間上部堆積，減弱頂棚壁面降溫。

3)3種敷設(shè)方式輻射角系數(shù)對壁面溫度的影響較小。

圖13 3種工況圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度Fig.13 The surface temperature of building envelope

2.7 空間垂直溫度分析

3種敷設(shè)方式垂直溫度分布如圖14所示，站姿高差為0.1～1.7 m，坐姿高差為0.1～1.1 m。由圖14可知：

1)3種敷設(shè)方式供冷時(shí)，頂棚敷設(shè)垂直溫差最小，且有“頭涼腳暖”的感覺，舒適度最好。

2)3種敷設(shè)方式供冷時(shí)，坐姿或站姿縱向溫差均小于1 ℃，滿足ISO 7730[18]推薦的小于2 ℃(A級)的溫差。

圖14 3種工況垂直溫度分布Fig.14 Vertical temperature distribution of 3

根據(jù)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730[18]推薦的公式(1)計(jì)算3種工況站姿垂直不滿意率，計(jì)算結(jié)果見表5。頂棚敷設(shè)供冷時(shí)垂直不滿意率最小。

(1)

式中，Δta,y為頭部與腳踝之間的溫差。

表5 3種工況室內(nèi)垂直不滿意率Table 5 The indoor vertical disapproval rating of 3 conditions

2.8 空間水平溫度分析

室內(nèi)空間水平溫度分析分別選取a、b、c、d、e距地1.1 m處溫度。3種敷設(shè)方式水平溫度分布如圖15所示，可知：

1)墻面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供冷時(shí)，水平溫度分布最不均勻。為減弱單面墻供冷造成的水平溫度分布不均勻，可對兩面墻同時(shí)敷設(shè)。

2)頂棚、墻面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供冷時(shí)，d點(diǎn)的溫度出現(xiàn)溫升的主要原因是該點(diǎn)位于門口，實(shí)驗(yàn)記錄人員進(jìn)出房間時(shí)將內(nèi)走廊熱量帶入房間造成。

圖15 3種工況水平溫度分布Fig.15 Horizontal temperature distribution of 3

2.9 PMV、PPD分析

熱舒適預(yù)測評價(jià)指標(biāo)采用Fanger教授提出的預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)PMV與預(yù)計(jì)不滿意者百分?jǐn)?shù)PPD[19]。 PMV和PPD的表達(dá)式見式(2)和式(3)。

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.027 5]

{M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-pa]-

0.42(M-W-58.2)-0.017 3M(5.86-pa)-

0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(tr+273)4]-fclhc(tcl-ta)}=

f(M,W,Icl,ta,pa,va,tr)

(2)

PPD=100-95exp[-(0.033 53 PMV4+

(3)

式中：W為機(jī)械效率，夏季人員機(jī)械效率較低，該實(shí)驗(yàn)機(jī)械效率取0；M為能量代謝，met，實(shí)驗(yàn)期間實(shí)驗(yàn)狀況記錄人員處于靜坐狀態(tài)，相應(yīng)新陳代謝≤1.2 met，實(shí)驗(yàn)中能量代謝取值M=1.0 met=58.2 W/m2；pa為水蒸氣分壓力，Pa，根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測室內(nèi)相對濕度計(jì)算得出；Icl為服裝熱阻，clo，實(shí)驗(yàn)記錄人員身著短袖連衣裙，服裝熱阻取值0.35 clo；va為風(fēng)速，m/s，實(shí)驗(yàn)期間室內(nèi)風(fēng)速微弱，因此風(fēng)速取值0.1 m/s；Ta為空氣溫度，℃，取實(shí)驗(yàn)實(shí)測值；Tr為平均輻射溫度，℃。

式中：T1，T2，…，TN為圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度，℃；A1，A2，…，AN為圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面面積，m2；

輻射供冷時(shí)，室內(nèi)空氣溫濕度、平均輻射溫度為影響熱舒適的主要參數(shù)，即PMV=f(ta,Pa,tr)。

3種敷設(shè)方式時(shí)，室內(nèi)PMV、PPD分布如圖16～圖17所示，由圖16、圖17可知：

圖16 3種工況室內(nèi)PMVFig.16 The indoor PMV of 3

圖17 3種工況室內(nèi)PPDFig.17 The indoor PPD of 3

1)頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式供冷穩(wěn)定時(shí)，PMV依次為-0.27、0.32、-0.2， PPD依次為7.06%、7.47%、6.34%。

2)3種敷設(shè)方式供冷穩(wěn)定階段時(shí)，室內(nèi)PMV、PPD均滿足《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)Ⅰ級熱舒適評價(jià)指標(biāo)-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%。

3)3種敷設(shè)方式墻面輻射供冷時(shí)，室內(nèi)舒適度最差。單面墻輻射供冷時(shí)，被降溫的冷空氣沿墻面下沉，在右墻下側(cè)積聚，冷空氣橫向傳遞效果較差。因此，墻面輻射供冷若想達(dá)到頂棚，可通過增大毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)面積、降低供水溫度或增大管內(nèi)流速等途徑實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

通過對比分析夏季毛細(xì)管網(wǎng)供冷室內(nèi)環(huán)境，得出以下結(jié)論：

1)毛細(xì)管網(wǎng)供水溫度設(shè)定為18 ℃時(shí)，3種敷設(shè)方式輻射供冷室內(nèi)人員活動區(qū)平均溫度均滿足≤28 ℃的要求。供冷穩(wěn)定階段，頂棚、墻面、地面人員活動區(qū)平均溫度依次為26.27、27.22、26.57 ℃。

2)毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)構(gòu)造越薄，輻射壁面熱響應(yīng)時(shí)間越短，輻射壁溫度也越低。頂棚、墻面、地面敷設(shè)構(gòu)造厚度依次遞增，熱響應(yīng)時(shí)間依次遞增，輻射壁面平均溫度也依次遞增，依次為20.96、21.14、22.76 ℃。

3)頂棚敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供冷時(shí)，縱向溫差明顯低于墻面、地面，舒適度更高。3種敷設(shè)方式縱向均小于1 ℃，滿足ISO 7730推薦的小于2 ℃(A級)溫差。

4)頂棚、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供冷時(shí)，室內(nèi)水平效果接近，優(yōu)于墻面。墻面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供冷時(shí)，水平溫度分布最不均勻。為減弱單面墻供冷造成水平溫度分布不均勻，可對兩面墻同時(shí)敷設(shè)。

5)3種敷設(shè)方式室內(nèi)預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)PMV，預(yù)計(jì)不滿意者百分?jǐn)?shù)PPD均滿足《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785 —2012)Ⅰ級熱舒適評價(jià)指標(biāo)-0.5≤PMV≤0.5、PPD≤10%，供冷穩(wěn)定階段，頂棚、墻面、地面PMV依次為-0.27、0.32、-0.2，PPD依次為7.06%、7.47%、6.34%。