（安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243032）

0 引言

夏熱冬冷地區(qū)冬季濕冷，氣溫日較差小，1月的平均氣溫為0～10 ℃［1］；該地區(qū)在建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)上屬于非集中供暖地區(qū)［2］，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和居民生活品質(zhì)普遍提升，夏熱冬冷地區(qū)的人們對(duì)于供暖有了新的需求，因此從滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾角度出發(fā)，該地區(qū)必須采取適宜的供暖方式來(lái)滿足居民對(duì)于冬季采暖的需求。

從氣候特征和居民生活方式等方面分析，分戶式采暖［3］更符合夏熱冬冷地區(qū)居民的采暖需求，該地區(qū)的主要采暖設(shè)備是戶式燃?xì)鉅t熱水供暖、戶式多聯(lián)空氣源熱泵供暖、房間空調(diào)器供暖、電加熱供暖［4］，目前的采暖設(shè)備中空氣源熱泵由于具有投資成本低、節(jié)能效果顯著、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的使用［5］；由于受空氣源熱泵出水溫度限制，其末端通常采用風(fēng)機(jī)盤管［6］或低溫輻射采暖［7］，使用散熱器采暖［8］較少；傳統(tǒng)安裝于天花板下的風(fēng)機(jī)盤管供暖系統(tǒng)由于氣流組織受限，熱空氣難以送達(dá)人員活動(dòng)區(qū)，室內(nèi)垂直溫差大且有吹風(fēng)感，而輻射供暖系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)噪聲［9］、室內(nèi)吹風(fēng)感少［10］、垂直空氣溫度分布均勻［11］，所以通常認(rèn)為輻射供暖比傳統(tǒng)供暖方式具有更高的熱舒適性［12］，但 Lin 等［13］通過(guò)客觀試驗(yàn)和主觀投票發(fā)現(xiàn)在持續(xù)供暖的情況下地板輻射、風(fēng)機(jī)盤管、散熱器這三種采暖系統(tǒng)在平均輻射溫度、相對(duì)濕度、室內(nèi)噪聲等方面沒(méi)有顯著差異，主觀性投票表明受試者稍微更喜歡地板輻射然而差異并不顯著。因此夏熱冬冷地區(qū)室內(nèi)供暖末端選擇還有待于進(jìn)一步研究。

本文以空氣源熱泵為熱源，以地板輻射、散熱器、頂板輻射、風(fēng)機(jī)盤管為末端的供暖系統(tǒng)進(jìn)行研究，實(shí)測(cè)對(duì)比不同供暖系統(tǒng)的室溫變化趨勢(shì)，探究不同系統(tǒng)的室內(nèi)熱舒適，為夏熱冬冷地區(qū)空氣源熱泵采暖選擇合適的室內(nèi)末端提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)?zāi)┒?/h3>

本試驗(yàn)在安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院多末端供暖試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，為測(cè)試地板輻射、散熱器、頂板輻射和風(fēng)機(jī)盤管4種供暖系統(tǒng)的室內(nèi)熱環(huán)境差異，試驗(yàn)房間地面敷設(shè)地暖盤管，頂板敷設(shè)明裝毛細(xì)管，右側(cè)墻壁安裝鑄鋁散熱器，天花板下方安裝風(fēng)機(jī)盤管，地板輻射與頂板輻射的敷設(shè)面積均滿足室內(nèi)熱負(fù)荷要求，性能參數(shù)如表1所示。

表1 末端參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)的熱源采用空氣源熱泵機(jī)組，通過(guò)機(jī)組控制面板可以制取40～60 ℃的低溫?zé)崴Ｔ囼?yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)測(cè)試于冬季（2019年1月初至2019年2月初）進(jìn)行，系統(tǒng)供暖時(shí)間以工作時(shí)間為依據(jù)，取每天的8：00～18：00為供暖時(shí)間；本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)供水溫度為50 ℃，由于系統(tǒng)為定流量系統(tǒng)，所以各末端均按照設(shè)計(jì)最大流量運(yùn)行；根據(jù)GB50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］規(guī)定，夏熱冬冷地區(qū)民用建筑冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度范圍為16～22 ℃，本文通過(guò)室內(nèi)末端控制面板設(shè)定室內(nèi)空氣溫度為16 ℃，以探究不同采暖末端室內(nèi)熱環(huán)境的差異。測(cè)試期間室外氣象參數(shù)相近，室內(nèi)試驗(yàn)人員1人，相鄰房間均為供暖房間。

本文的主要測(cè)試參數(shù)有室內(nèi)空氣溫濕度、室外空氣溫濕度、系統(tǒng)供回水溫度、系統(tǒng)回水流量、地板表面溫度、室內(nèi)黑球溫度等，測(cè)試時(shí)間間隔均為10 min，測(cè)試儀器的性能參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)測(cè)試儀器

采用TR-72wf溫濕度自記儀測(cè)量室內(nèi)空氣溫濕度，MI6401熱舒適儀測(cè)量室內(nèi)黑球溫度、空氣流速，根據(jù)GB/T50785-2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》［15］，測(cè)點(diǎn)位于房間對(duì)角線3等分點(diǎn)處，距離地面0.6 m；采用K型熱電偶測(cè)量地板表面溫度，測(cè)點(diǎn)位于房間地板對(duì)角線3等分點(diǎn)處；采用5 kΩ嵌入式熱電偶測(cè)量供回水溫度；TR-72wf溫濕度自記儀測(cè)量室外空氣溫濕度，測(cè)試期間儀器放置室外通風(fēng)處，無(wú)遮擋，無(wú)太陽(yáng)直射；采用LWGY-20C渦輪流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)回水流量，測(cè)試儀器參數(shù)如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 室內(nèi)空氣溫度

為了比較不同供暖系統(tǒng)室內(nèi)熱環(huán)境的區(qū)別，選擇當(dāng)天采暖時(shí)間8：00-18：00及結(jié)束采暖后18：00-次日8：00時(shí)間段進(jìn)行分析。從圖2中可以看出各采暖工況下室外氣溫差別不大，采用地板輻射、散熱器、頂板輻射、風(fēng)機(jī)盤管供暖室外平均溫度分別為 6.5，4.8，5.7，4.6 ℃，室外最低氣溫分別為 4.8，3.8，5.3，3.8 ℃，且測(cè)試期間室外均為陰天。從圖2中的室內(nèi)環(huán)境空氣溫度變化曲線可以看出：

（1）在供水溫度相同，室內(nèi)初始溫度相似的情況下，在房間開(kāi)始采暖后，室內(nèi)溫度均隨時(shí)間呈指數(shù)變化，其中散熱器采暖的室內(nèi)溫度熱響應(yīng)最快，地板輻射與頂板輻射采暖次之，風(fēng)機(jī)盤管采暖室內(nèi)熱響應(yīng)最慢，各末端室內(nèi)溫度上升到冬季供暖室內(nèi)最低設(shè)計(jì)溫度16 ℃的時(shí)間分別為1，0.5，1，3 h。造成風(fēng)機(jī)盤管室內(nèi)熱響應(yīng)較慢的原因是風(fēng)機(jī)盤管安裝在天花板下，氣流組織較差，頂部出現(xiàn)熱空氣堆積，室內(nèi)垂直方向溫差較大，室內(nèi)溫度響應(yīng)較慢。

（2）在房間停止采暖后，室內(nèi)溫度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中散熱器與風(fēng)機(jī)盤管采暖室內(nèi)溫度下降速度較快，采暖結(jié)束后經(jīng)過(guò)2.5，3 h室內(nèi)溫度下降到16 ℃，而地板輻射與頂板輻射采暖室內(nèi)溫度下降速度較慢，采暖結(jié)束后經(jīng)過(guò)8.6，6 h室內(nèi)溫度下降到16 ℃。這是由于風(fēng)機(jī)盤管與散熱器采暖水體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱量較少，在房間停止供暖后空氣溫度下降較快；而地板采暖與頂板采暖，末端的結(jié)構(gòu)層及圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有較大的熱容量，因此當(dāng)房間停止供暖后，結(jié)構(gòu)層與圍護(hù)結(jié)構(gòu)所儲(chǔ)存的熱量釋放給室內(nèi)，導(dǎo)致室內(nèi)的溫度緩慢降低。

（3）在房間停止采暖后，頂板輻射的室內(nèi)溫度下降速度快于地板輻射，這是由于頂板輻射采用毛細(xì)管裸露安裝，沒(méi)有結(jié)構(gòu)層蓄熱。

圖2 不同末端室內(nèi)外溫度變化

2.2 供回水溫度

不同供暖系統(tǒng)供水、回水溫度隨時(shí)間的變化如圖3所示，從圖可以看出：

（1）雖然各工況下室外空氣溫度有所不同，但系統(tǒng)的供水溫度變化較小處于穩(wěn)定狀態(tài)約為47.0 ℃，說(shuō)明機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，基本不會(huì)受室外空氣溫度影響；

（2）由于各末端的傳熱特性與傳熱面積不同，導(dǎo)致了各供暖系統(tǒng)的供回水溫差不同，地板輻射采暖的溫差最大為6.5 ℃，頂板輻射與風(fēng)機(jī)盤管采暖的溫差為3.4 ℃，散熱器采暖的溫差最小為1.9 ℃。由于溫差與系統(tǒng)水流量成反比關(guān)系，而水泵耗功功率與流量成三次方的正比關(guān)系［16］，因此對(duì)這4種系統(tǒng)而言，散熱器采暖的輸配系統(tǒng)能耗最大，頂板輻射與風(fēng)機(jī)盤管采暖次之，地板輻射采暖最小。

圖3 不同末端供回水溫度變化

2.3 熱舒適度評(píng)價(jià)

使用熱舒適儀對(duì)室內(nèi)熱舒適進(jìn)行測(cè)量，人體代謝率取1.0 met，人體服裝熱阻取冬季典型著裝熱阻 0.20 m2·℃ /W［17］。不同采暖末端室內(nèi)熱舒適指標(biāo)-不滿意百分?jǐn)?shù)（PMV-PPD）隨時(shí)間變化如圖4所示。

圖4 不同采暖末端室內(nèi)熱舒適指標(biāo)和不滿意百分?jǐn)?shù)

從圖可見(jiàn)：

（1）當(dāng)房間開(kāi)始采暖后，各采暖末端室內(nèi)PMV隨時(shí)間而增大，PPD隨時(shí)間而下降；當(dāng)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，PMV和PPD趨向平穩(wěn)；

（2）當(dāng)房間開(kāi)始采暖后，不同采暖末端的PMV和PPD的范圍區(qū)間有所差別。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，地板輻射、散熱器、頂板輻射、風(fēng)機(jī)盤管采暖室內(nèi)PMV分別為 0.10，-0.29，-0.41，-0.65，PPD分別為 5.81%，7.75%，9.93%，14.93%；根據(jù)文獻(xiàn)［18］對(duì)PMV和 PPD的 規(guī) 定（-1≤PMV≤+1，PPD≤25%），所有末端均滿足要求；根據(jù)文獻(xiàn)［15］中對(duì)于熱舒適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，地板輻射、散熱器、頂板輻射采暖室內(nèi)熱舒適滿足Ⅰ級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%），風(fēng)機(jī)盤管采暖室內(nèi)熱舒適滿足Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（-1≤PMV＜-0.5，10%＜PPD≤25%）。

2.4 地板表面溫度

在各個(gè)采暖末端的試驗(yàn)中，地板表面溫度的過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致人體產(chǎn)生局部不滿意率，根據(jù)文獻(xiàn)［15］采用下式計(jì)算地板表面溫度引起的局部不滿意率LPD3。

式中LPD3——局部不滿意率，%；

tf——地板表面平均溫度，℃。

不同末端地板表面溫度分布及引起的不滿意率如圖5所示。

圖5 不同末端地板表面溫度分布及引起的不滿意率

圖5（a）為不同末端地板表面溫度隨時(shí)間變化曲線，可以看出在系統(tǒng)開(kāi)始采暖之后，地板輻射采暖地板表面溫度迅速升高，其余3種末端地板表面溫度變化情況相似；在各工況穩(wěn)定之后，地板表面平均溫度分別為 29.0，17.0，16.9，15.9 ℃，地板輻射的表面溫度滿足JGJ142-2012《地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程》中對(duì)人員經(jīng)常停留的地板表面溫度要求［19-27］。圖5（b）為地板表面溫度引起的局部不滿意率，可以看出在相同的供水溫度下，地板輻射采暖時(shí)地板表面溫度最高，由此造成的局部不滿意率最低，散熱器次之，頂板輻射和分機(jī)盤管最差；在各工況穩(wěn)定之后，平均局部不滿意率分別為12.33%，15.29%，15.66%，18.59%，根據(jù)文獻(xiàn)［15］中的評(píng)價(jià)指標(biāo)，地板輻射采暖地板表面溫度局部不滿意率滿足Ⅰ級(jí)指標(biāo)（LPD3＜15%），其余采暖末端滿足Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（15%≤LPD3＜20%）。

3 結(jié)論

（1）夏熱冬冷地區(qū)冬季采暖末端中，散熱器室內(nèi)熱響應(yīng)最快，地板輻射和頂板輻射次之，風(fēng)機(jī)盤管室內(nèi)響應(yīng)最慢；散熱器采暖輸配系統(tǒng)能耗最大，頂板輻射與風(fēng)機(jī)盤管次之，地板輻射輸配系統(tǒng)能耗最??；

（2）當(dāng)室內(nèi)環(huán)境達(dá)到穩(wěn)定后，風(fēng)機(jī)盤管采暖室內(nèi)整體熱舒適可以滿足GB/T50785-2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅱ級(jí)指標(biāo)，其余末端可以滿足Ⅰ級(jí)指標(biāo)；地板輻射采暖地板表面溫度局部不滿意率可以滿足《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅰ級(jí)指標(biāo)，其余末端可以滿足Ⅱ級(jí)指標(biāo)；

（3）對(duì)各末端在室內(nèi)熱環(huán)境、熱舒適和輸配系統(tǒng)能耗等方面進(jìn)行比較分析，地板輻射采暖性能最佳，極具推廣價(jià)值。