位振強(qiáng)，王曉龍，張文科，張麗麗，張林華

(山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

地板輻射采暖在我們的日常生活中已經(jīng)十分常見，新建的住宅樓、小區(qū)以及部分公共場所都采用了這種供暖方式.但采用地板輻射的方式來供冷在我們的實(shí)際生活中卻并不常見.地板輻射供冷和供暖可以用同一套管路，節(jié)約了初投資成本，而且地暖管埋在地下，不僅不占用室內(nèi)空間，還更加美觀.傳統(tǒng)的空調(diào)降溫方式給人很強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，舒適感降低，地板輻射供冷的方式不會出現(xiàn)這種問題，我們引入的新風(fēng)系統(tǒng)僅僅承擔(dān)一小部分的冷負(fù)荷，風(fēng)量較傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)要小的多.在對地板輻射供冷的研究中，王子介[1]對地板輻射供冷方式進(jìn)行了可行性研究，分析了露點(diǎn)溫度對地板輻射供冷的可行性影響，同時(shí)介紹了一些工程實(shí)例.夏學(xué)鷹[2]將地板輻射供冷與地板輻射供冷/獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)做了對比實(shí)驗(yàn)，比較了兩種不同實(shí)驗(yàn)條件下的溫度、濕度以及露點(diǎn)溫度.李森生[3]建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)小室，對地板輻射供冷系統(tǒng)的溫度、濕度進(jìn)行研究.陳金華[4]通過改變通風(fēng)方式來優(yōu)化氣流組織，改善地板輻射供冷的室內(nèi)溫度場及舒適度.曹法立[5]通過實(shí)驗(yàn)測定了地板輻射供冷房間溫度場的分布，得出地板供水溫度對室內(nèi)溫度的影響.張玲[6]對地板輻射供冷的熱工性能，蓄冷特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為這種供冷方式的實(shí)際應(yīng)用提供了參考.吳明洋[7]建立了混凝土輻射末端與維護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬計(jì)算模型，來研究混凝土輻射供暖房間的動(dòng)態(tài)傳熱特性，并與工程實(shí)例結(jié)合，探究輻射末端慣性利用.李安邦[8]建立了內(nèi)嵌管式輻射地板的簡化RC模型，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出內(nèi)嵌管式輻射地板的動(dòng)態(tài)熱響應(yīng).Jaewan Joe[9]提出了一種基于模型預(yù)測控制的智能運(yùn)行策略來優(yōu)化辦公室輻射地板的性能，其可以在冷卻季節(jié)節(jié)省34%的運(yùn)行費(fèi)用，在加熱季節(jié)減少16%的運(yùn)行費(fèi)用.Linhua Zhang[10]以某節(jié)能示范地板采暖建筑為實(shí)驗(yàn)平臺，提出了谷電運(yùn)行結(jié)合蓄水池系統(tǒng)的運(yùn)行方式，對于城市電網(wǎng)削峰填谷及節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用起到了積極作用.Xiaozhou Wu[11]提出并建立了一種基于傳導(dǎo)形狀因子的輻射采暖系統(tǒng)的表面溫度和傳熱簡化計(jì)算模型，通過數(shù)值模擬的方式證實(shí)了其適用性，且為輻射供暖和制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供便利.Qingqing Li[12]提出了一種適用于地板輻射供冷系統(tǒng)的多層地板結(jié)構(gòu)的簡化傳熱計(jì)算方法，提出了等效熱阻法并推導(dǎo)出地板表面溫度分布的計(jì)算公式，有利于方便地估計(jì)地板表面溫度分布和分析地板結(jié)構(gòu)參數(shù)對地板熱特性的影響.B.Lehmann[13]采用TRNSYS軟件模擬了某辦公建筑的峰值負(fù)荷，結(jié)果表明，由于地板輻射系統(tǒng)的熱惰性和混凝土結(jié)構(gòu)蓄熱性，峰值負(fù)荷下降了約50%.劉軍[14]詳細(xì)分析了地板輻射供冷/暖系統(tǒng)傳熱過程，為計(jì)算冷熱負(fù)荷提供幫助.盧軍[15]對地板單獨(dú)供冷、風(fēng)機(jī)盤管單獨(dú)供冷以及兩者聯(lián)合供冷三種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，地板輻射結(jié)合風(fēng)機(jī)盤管的供冷方式無論在節(jié)能性還是舒適性方面都具有明顯優(yōu)勢.孫媛媛[16]通過實(shí)驗(yàn)的方式，對地板采暖住戶以及蓄熱墻式太陽能實(shí)驗(yàn)房進(jìn)行實(shí)測調(diào)查，得出了蓄放熱特性，并對等效供熱量進(jìn)行修正，極大減少了設(shè)計(jì)供熱量.本文對山東建筑大學(xué)新建輻射供冷實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行介紹，同時(shí)對變水溫運(yùn)行工況下的地板蓄冷量特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)概況

山東建筑大學(xué)地板輻射供冷與新風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺占地面積約25 m2.實(shí)驗(yàn)室分為內(nèi)室和外室兩部分.外室長為5 m，寬5 m，高3.8 m，材料為100 mm厚保溫板；內(nèi)室長3.85 m，寬3.85 m，高2.6 m，材料為5 mm厚鐵板.內(nèi)室地面鋪設(shè)有地暖管，房間壁面上設(shè)有送、排風(fēng)口.內(nèi)室與外室之間留有0.45 m空隙，空隙內(nèi)通入熱風(fēng)，來模擬夏季室外環(huán)境.

1.2 測點(diǎn)布置情況

為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，地面材料及結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)住宅樓保持基本一致.最底部鋪設(shè)40 mm厚保溫板，依次往上為30 mm豆石混凝土，20 mm保溫板，反光膜，反光膜上敷設(shè)地暖管，地暖管鋪設(shè)采用傳統(tǒng)的、住宅樓較為常見的螺旋型布管方式如圖3所示，保證可以產(chǎn)生均勻的地面溫度.地暖管周圍封50 mm厚豆石混凝土，其上部為20 mm水泥砂漿找平層，最終放置木地板.反光膜與保溫板可以很好地防止冷量從地下散失，有效的提高冷量的反射和輻射能力，保證室內(nèi)溫度的恒定，確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性.

圖1 實(shí)驗(yàn)室外圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

在地面設(shè)有8個(gè)熱流傳感器，用來測試室內(nèi)空氣與地面的熱通量密度如圖4所示.壁面的四個(gè)方向以及房間頂部中心處共設(shè)有5個(gè)熱流傳感器，用來測量壁面和屋頂與空氣的熱通量密度.房間地面還設(shè)有8個(gè)溫度傳感器組，每個(gè)傳感器組包含4個(gè)溫度測量點(diǎn)如圖2所示，分別位于下層保溫板上部，反光膜層上部，水泥砂漿上部以及木地板表面.地面共32個(gè)溫度測量點(diǎn)，用來測量不同位置，不同結(jié)構(gòu)間的實(shí)時(shí)溫度變化.在四個(gè)墻壁表面和頂壁表面分別設(shè)有1個(gè)溫度傳感器，測量墻壁面的實(shí)時(shí)溫度變化；在房間中心的不同高度處懸掛了3個(gè)溫度傳感器，用來測試房間內(nèi)部不同高度的空氣溫度，分析室內(nèi)空氣溫度分布.

圖2 地面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 盤管布置圖4 地板輻射面溫度、熱流傳感器布置圖

1.3 地板輻射供冷系統(tǒng)運(yùn)行概況

實(shí)驗(yàn)室采用地板輻射和新風(fēng)復(fù)合的空調(diào)系統(tǒng).如圖5所示，經(jīng)空氣源熱泵機(jī)組處理后的冷水，一部分進(jìn)入地暖管，通過輻射的方式為房間提供冷量，消除大部分的冷負(fù)荷；另一部分冷水進(jìn)入新風(fēng)機(jī)組處理新風(fēng).空氣源熱泵機(jī)組功率較大，供水溫度偏差比較明顯，故加設(shè)一個(gè)電加熱裝置，使系統(tǒng)的供水溫度穩(wěn)定，基本保持在±0.3 ℃.輻射供冷末端設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥和流量測量計(jì)，通過調(diào)節(jié)供水量，來分析不同水流量下的室內(nèi)溫度變化情況.此實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)有兩個(gè)送風(fēng)口和兩個(gè)排風(fēng)口，風(fēng)管尺寸200 mm×400 mm，用來測試不同位置送風(fēng)與不同位置排風(fēng)對室內(nèi)溫度、濕度以及舒適度等的影響，我們還可調(diào)節(jié)送風(fēng)量與排風(fēng)量的大小，從而找出更好的送風(fēng)方式.在夾層設(shè)有風(fēng)機(jī)，由制冷壓縮冷凝機(jī)組通過送風(fēng)的方式對夾層的溫度進(jìn)行控制.在水路的高點(diǎn)設(shè)置排氣閥，用來清除水管中的空氣；在最低端設(shè)有排水管，保證在長時(shí)間不用時(shí)能夠?qū)⒃O(shè)備中的水排掉.

圖5 小室輻射供冷系統(tǒng)圖圖6 系統(tǒng)實(shí)物圖

1.4 測試儀器

1.4.1 數(shù)據(jù)采集

整個(gè)實(shí)驗(yàn)室包括45個(gè)溫度測量點(diǎn)，在內(nèi)室的地板表面以及地面以下，共32個(gè)溫度測量點(diǎn)，四面墻壁以及屋頂共5個(gè)測量點(diǎn)，室內(nèi)供回水處各1個(gè)，室外機(jī)組冷凍水出水口處1個(gè)，室內(nèi)中心高中低不同位置各1個(gè)，實(shí)驗(yàn)室夾層的上下各1個(gè)測溫點(diǎn)；在風(fēng)管通道中設(shè)有1個(gè)熱線風(fēng)速儀，在供水管管路設(shè)有渦流流量變送器.實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、風(fēng)速、各處的熱流量以及供回水溫度、水流量由傳感器測得，傳感器與數(shù)據(jù)記錄儀相連，如圖7所示.將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)記錄儀.數(shù)據(jù)記錄儀屏幕顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每間隔一分鐘輸出一次數(shù)據(jù).

圖7 數(shù)據(jù)記錄儀

1.4.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)室采用以下實(shí)驗(yàn)儀器如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)室儀器

2 地板輻射末端蓄冷實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)工況

在地板輻射供冷系統(tǒng)中，混凝土結(jié)構(gòu)地板是一個(gè)具有較大熱容量的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，夏季供冷時(shí)，由于其較好的蓄冷能力，冷凍水提供的部分冷量會蓄在混凝土輻射末端，對室溫的降低產(chǎn)生影響.研究這一特性，有利于掌握地板制冷末端從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)傳熱的時(shí)間周期，同時(shí)也可以了解蓄冷量存儲規(guī)律，為研究釋冷工作做好理論基礎(chǔ).本文通過實(shí)驗(yàn)的方式對夏季地板輻射供冷系統(tǒng)的蓄冷性能進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)工況如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)方案

采用變水溫的運(yùn)行工況，分別選取7 ℃、9 ℃、11 ℃、13 ℃、15 ℃的供水溫度，運(yùn)行時(shí)間9 h，供水流量360 kg/h，室內(nèi)送風(fēng)風(fēng)速0.75 m/s.實(shí)驗(yàn)采用定風(fēng)溫新風(fēng)處理機(jī)組，新風(fēng)送風(fēng)溫度為20 ℃.設(shè)置夾層溫度作為室外環(huán)境平均溫度在30 ℃至32 ℃之間周期性波動(dòng)，即夾層溫度降至30 ℃，機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)，對夾層空氣進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度升至32 ℃，則機(jī)組停機(jī)，這一設(shè)定為了模擬夏季墻壁和頂棚的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度.實(shí)驗(yàn)室房間初始溫度為房間30 ±0.5 ℃，即濟(jì)南地區(qū)夏季典型氣象日在空調(diào)未開啟之前的室內(nèi)環(huán)境溫度.

2.2 理論分析

冷凍水?dāng)y帶冷量的瞬時(shí)值為ql，而地板末端通過輻射與對流兩種方式與室內(nèi)發(fā)生熱交換，對外釋放的冷量為qc，這一冷量可以通過貼服在地表的熱流傳感器測試并讀取.ql與qc兩者的差值即為儲存在地板的蓄冷量qx.三者滿足如下關(guān)系式：

qx=ql-qc，

(1)

將瞬時(shí)蓄冷量積分，如公式(2)所示，便可以得到某個(gè)時(shí)刻的累計(jì)蓄冷量即總蓄冷量Qx.利用公式(3)，用總蓄冷量除以地表面積即可得到每平方米(單位面積)蓄冷量QA.

(2)

(3)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 蓄冷量隨時(shí)間的變化規(guī)律

經(jīng)過實(shí)測和數(shù)據(jù)分析，得到在不同工況下，冷凍水的瞬時(shí)傳熱量和地表與室內(nèi)環(huán)境的傳熱量，如圖8所示

圖8 冷凍水及地板表面?zhèn)鳠崃孔兓?/p>

由于混凝土結(jié)構(gòu)輻射地板良好的蓄冷能力，使得系統(tǒng)運(yùn)行前期，地板表面?zhèn)鳠崃亢苄。撕笾饾u增加，在6 h之后，地板表面?zhèn)鳠崃窟_(dá)到峰值并趨于穩(wěn)定，此時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)蓄冷量基本不再增加如圖9所示，地板表面?zhèn)鳠崃颗c冷凍水傳熱量達(dá)到平衡.

圖9 混凝土結(jié)構(gòu)地板總蓄冷量變化

圖9為地板總蓄冷量隨時(shí)間變化曲線，從累計(jì)蓄冷量的曲線看，在不同供水溫度條件下，曲線保持基本一致的趨勢，蓄冷剛開始時(shí)，由于地板初始溫度較高，因此蓄冷量增加很快，但是增長速度逐漸變小，約1個(gè)小時(shí)以后，其增長速度就比較緩慢了，3小時(shí)到4小時(shí)往后曲線逐漸平緩，趨于一條水平的直線.這意味著不同供水溫度下，地板蓄冷能力的飽和，也就是qx≈0.

采用Matlab軟件對數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)其蓄冷量隨著時(shí)間的變化規(guī)律比較符合指數(shù)模型

f(x)=a×eb×x+c×ed×x

(4)

的曲線變化規(guī)律，得到不同供水溫度下，單位面積蓄冷量隨時(shí)間變化的關(guān)系式.

當(dāng)出水溫度為7 ℃時(shí)，

QA=0.794 4e0.016 13t-0.794 1e-0.510 2t；

(5)

當(dāng)出水溫度為9 ℃時(shí)，

QA=0.721 8e0.017 72t-0.722 8e-0.526 7t；

(6)

當(dāng)出水溫度為11 ℃時(shí)，

QA=0.641 9e0.019 59t-0.644 0e-0.543 1t；

(7)

當(dāng)出水溫度為13 ℃時(shí)，

QA=0.597 8e0.018 35t-0.596 2e-0.503 8t；

(8)

當(dāng)出水溫度為15 ℃時(shí)，

QA=0.530 6e0.016 13t-0.535 7e-0.537 3t.

(9)

3.2 蓄冷飽和時(shí)間

通過上述分析，我們發(fā)現(xiàn)地板中蓄冷量的漲幅逐漸減小，最終趨近于0，此時(shí)便可以認(rèn)為地板蓄冷量達(dá)到飽和.這一漲幅我們可以用公式(10)來表征其變化率.其中，Qn即當(dāng)前時(shí)刻的總蓄冷量，Qn-1即上一個(gè)時(shí)刻的總蓄冷量.

(10)

不同供水溫度時(shí)地板蓄冷量變化率的曲線，如圖10所示，由圖10可以看出，不同溫度下，地板蓄冷量變化率曲線重合.這是由于各溫度下的混凝土末端總蓄冷量(如圖9)變化趨勢基本相同.當(dāng)?shù)匕逍罾淞孔兓师ぁ?%，便可以認(rèn)為蓄冷量增長速度足夠小，地板蓄冷達(dá)到飽和狀態(tài).基于此，計(jì)算出各供水溫度下，地板所到達(dá)飽和的時(shí)間，如圖11所示.

圖10 蓄冷量變化率曲線圖11 蓄冷達(dá)到飽和狀態(tài)所用時(shí)間

可以發(fā)現(xiàn)，在各工況下，地板從開始蓄冷到飽和狀態(tài)所用時(shí)間相差不大，均在4.5 h左右.最先達(dá)到飽和狀態(tài)的為供水溫度15 ℃，這是因?yàn)楣┧疁囟容^高，與環(huán)境溫差小，較易達(dá)到飽和，而最慢達(dá)到飽和的為7 ℃，這是因?yàn)槔鋬鏊疁囟容^低，與環(huán)境溫差大，有溫差作為驅(qū)動(dòng)力，蓄冷時(shí)間延長.

以上研究發(fā)現(xiàn)，供水溫度對蓄冷飽和時(shí)間的影響并不大.

3.3 飽和時(shí)蓄冷量研究

當(dāng)蓄冷變化率小于1%時(shí)，我們得到各工況的飽和蓄冷量，如表3所示.

表3 不同供水溫度下的飽和蓄冷量

圖12 不同溫度下的地板蓄冷量比較

將飽和蓄冷量與全天9 h(工作時(shí)長)蓄冷量進(jìn)行對比分析，如圖12所示.

由圖12可以看出，不同的供水溫度對于地板結(jié)構(gòu)蓄冷量有較大影響，供水溫度越低，地板結(jié)構(gòu)蓄冷量越大.在9 h的時(shí)間內(nèi)，供水溫度7 ℃時(shí)蓄冷量比供水溫度15 ℃時(shí)蓄冷量高出0.25 kWh/m2，蓄冷量變化明顯.前50%時(shí)間里，地板所蓄冷量占全天9 h蓄冷量的85%，因此，地板蓄冷存在急速蓄冷和緩速蓄冷兩個(gè)狀態(tài).一般將蓄冷時(shí)間控制在4 h便可達(dá)到最大蓄冷的要求.

3.4 溫度變化

房間與地板表面的溫度變化曲線如圖13所示，從圖13中可以看出，供水溫度越低，房間與地板表面降溫越快，6 h后溫度基本穩(wěn)定.地板輻射供冷系統(tǒng)對室溫的控制具有滯后性，當(dāng)供水溫度為7 ℃時(shí)，房間溫度達(dá)到室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26 ℃所用時(shí)間約2 h，且供水溫度越高，所用時(shí)間越長，因此，對于此系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)提前開啟設(shè)備，并根據(jù)供水溫度的不同，調(diào)節(jié)提前開啟時(shí)間.

4 結(jié) 論

本文介紹了山東建筑大學(xué)的地板輻射供冷實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)的描述了實(shí)驗(yàn)室的整體構(gòu)成，設(shè)備的運(yùn)行流程、溫度及其它測點(diǎn)的布置、實(shí)驗(yàn)儀器的選型.同時(shí)，對地板輻射系統(tǒng)夏季運(yùn)行時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的蓄冷量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

(1)溫度對混凝土結(jié)構(gòu)地板的蓄冷量有較大的影響，冷凍水供水溫度越低，蓄冷量越大.在前50%蓄冷時(shí)間里的蓄冷量占據(jù)一天總蓄冷量的85%以上.

(2)水溫對飽和蓄冷時(shí)間的影響不大，達(dá)到飽和蓄冷量的時(shí)間基本在4.5 h左右.

(3)系統(tǒng)啟動(dòng)后，混凝土結(jié)構(gòu)地板蓄冷存在急速蓄冷和緩速蓄冷兩種狀態(tài)，系統(tǒng)啟動(dòng)前期蓄冷較快，后期較為緩慢.

(4)當(dāng)制冷啟動(dòng)時(shí)，房間降低有所滯后，供冷冷水溫度越高，滯后時(shí)間越長，因此空調(diào)應(yīng)該提前啟動(dòng)，并根據(jù)供水溫度調(diào)整提前啟動(dòng)的時(shí)間.