張雨虹，宋永興，張林華

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

0 引言

傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)通過對流換熱實(shí)現(xiàn)制冷，而輻射供冷則主要利用輻射換熱實(shí)現(xiàn)房間的冷卻[1]。 輻射供冷具有節(jié)能、室內(nèi)熱舒適性高等明顯優(yōu)勢。 輻射板可以布置在地面、頂板或墻壁，形成不同的供冷方式[2]。 采取獨(dú)立新風(fēng)，可以解決輻射供冷輻射面容易結(jié)露和滋生細(xì)菌的問題，輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的獨(dú)立控制，具有提供新風(fēng)、清潔、室內(nèi)熱舒適性高等優(yōu)點(diǎn)[3]。 近年來，學(xué)者們對不同輻射供冷末端位置的傳熱性能和室內(nèi)熱環(huán)境開展了相關(guān)研究。 Chiang 等[4]運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式，研究了輻射頂板供冷在辦公室的舒適性，并提出了改進(jìn)建議。 夏夢寒等[5]采用Airpak 軟件數(shù)值模擬了郵輪艙室不同輻射供冷末端位置的舒適性，對比分析了艙室內(nèi)溫度和速度分布，表明輻射供冷頂板在x 軸方向的溫度分布更加均勻。 黃立志等[6]采用能耗分析軟件EnergyPlus 分析了7 種輻射供冷方式的熱舒適和能耗，發(fā)現(xiàn)“風(fēng)機(jī)盤管＋頂板輻射＋雙壁面輻射”的組合供冷方式舒適性和節(jié)能效果最佳。 Valdiserri 等[7]對醫(yī)院輻射供暖系統(tǒng)進(jìn)行模型及實(shí)驗(yàn)分析，分析了影響室內(nèi)熱舒適的響因素，包括室內(nèi)空氣溫度、相對濕度及預(yù)測平均投票(Predicted Mean Vote， PMV)、預(yù)測不滿意百分?jǐn)?shù)( Predicted Percentage of Dissatisfied， PPD)等，發(fā)現(xiàn)提供中性空氣時(shí)達(dá)到最佳的熱舒適度。 楊雨佳等[8]分析了冷輻射板位于辦公室頂棚、地板、側(cè)墻上部和側(cè)墻下部的室內(nèi)溫度場和流場，得出垂直墻壁上側(cè)布置的供冷效果最佳的結(jié)論。 楊冬等[9]從室內(nèi)垂直溫差、PMV－PPD 指標(biāo)以及吹風(fēng)感等方面對比了地面和頂板輻射供冷的熱舒適情況。

目前對地面和頂板輻射供冷的研究較多，但僅分析了室內(nèi)熱環(huán)境，對墻面以及熱舒適和能耗的綜合分析研究較少。 因此，文章采用新型空調(diào)系統(tǒng)－輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，對比分析地面、頂板和墻面3 種輻射供冷位置對房間舒適度和能耗影響規(guī)律。

1 房間模型的建立

1.1 房間幾何模型

以山東建筑大學(xué)地下工程訓(xùn)練中心實(shí)驗(yàn)室某房間為研究對象，其面積約為25 m2、高度為2.7 m。建筑為南北朝向，其中兩扇窗位于南外墻，長和高均為1.8 m；門位于北內(nèi)墻，長和高分別為0.9、2.1 m，窗墻比為21.65。 根據(jù)房間建筑尺寸構(gòu)建房間三維模型，如圖1 所示。 房間的長和寬均為5.0 m、高為2.7 m。 x、y、z 方向分別為房間的西面、北面和高度方向。

圖1 房間幾何模型示意圖

1.2 數(shù)值邊界條件及參數(shù)設(shè)定

辦公樓為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，外墻保溫采用聚苯乙烯板，其總厚度為0.276 m，傳熱系數(shù)為0.504 W/(m2·K)。 太陽輻射吸收系數(shù)為0.7，而內(nèi)、外表面換熱系數(shù)分別為3.06、17.78 W/(m2·K)；外窗玻璃為Low－E 中空玻璃，玻璃傳熱系數(shù)為1.1 W/(m2·K)，內(nèi)、外遮陽系數(shù)均為0.5。 地板材料和結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)公共辦公建筑標(biāo)準(zhǔn)地板結(jié)構(gòu)一致。

輻射末端為金屬輻射板，由形狀相同的長條形肋片組成，盤管由卡槽安裝在肋片中，其間距為200 mm，外徑為20 mm，管壁厚度為2 mm。 輻射板換熱主要包括:(1) 管內(nèi)的冷媒通過對流和導(dǎo)熱將熱量傳遞到管壁；(2) 管壁通過導(dǎo)熱將熱量傳遞到輻射板上；(3) 輻射板表面通過對流和輻射形式與整個(gè)空間進(jìn)行熱量交換[10]。

室外氣象參數(shù)選取濟(jì)南夏季典型氣象日參數(shù)，由全球氣象資料軟件Meteonorm 導(dǎo)出，根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，普通辦公建筑室內(nèi)輻射空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為27 ℃。 室內(nèi)熱源主要為人員、照明和設(shè)備，人均新風(fēng)量為30 m3/h[12]、人體服裝熱阻為0.7 clo、人體的代謝率為69.78 W/m2、人體的機(jī)械效率為0，每人及單個(gè)設(shè)備的內(nèi)擾使用情況見表1。

表1 房間單位內(nèi)熱源參數(shù) 單位:kJ·h－1

2 輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的建立

2.1 負(fù)荷模擬與系統(tǒng)選型

雙冷源輻射空調(diào)系統(tǒng)原理如圖2 所示。 采用兩個(gè)冷水機(jī)組，即提供輻射供冷的高溫冷水機(jī)組和提供新風(fēng)的低溫冷水機(jī)組，可以最大地發(fā)揮輻射末端的供冷能力。 新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)了室內(nèi)全部的潛熱負(fù)荷，同時(shí)又減少了冷量的提供[13]。 這種能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立控制溫濕度的系統(tǒng)可以有效防止輻射壁面結(jié)露，從而提高室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱舒適性，也可以顯著提高空調(diào)系統(tǒng)的能效。

圖2 雙冷源輻射空調(diào)系統(tǒng)原理圖

結(jié)合濟(jì)南地區(qū)室外天氣數(shù)據(jù)，連接瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序( Transient System Simulation Program，TRNSYS)中的Type56 模塊和TRNBuilding 模塊[14]，模擬建筑夏季冷負(fù)荷，其模擬系統(tǒng)如圖3 所示。 模擬時(shí)間設(shè)為3 624～6 192 h(2022 年6 月1 日0:00—9 月16 日23:59)。 負(fù)荷模擬結(jié)果如圖4 所示，可以看出冷負(fù)荷在夏季波動較大，其最大值為1.44 kW，出現(xiàn)在7 月24 日10 時(shí)(全年第4 906 h)。 冷負(fù)荷大部分時(shí)間都低于0.8 kW，在7 月11 日、7 月12日、7 月24 日、8 月11 日處于高峰期，這段時(shí)間也是室外溫度較高的時(shí)間。

圖3 負(fù)荷模擬系統(tǒng)圖

圖4 負(fù)荷模擬結(jié)果圖

根據(jù)冷負(fù)荷進(jìn)行空氣源熱泵機(jī)組選型[15]，高溫冷水機(jī)組額定制冷量為1.0 kW，冷凍水出水溫度為14 ℃；低溫冷水機(jī)組額定制冷量為1.1 kW，冷凍水出水溫度為7 ℃。 兩個(gè)機(jī)組的額定機(jī)組能效比(Coefficient of Performance， COP)均為3.225。

新風(fēng)系統(tǒng)的功率Pf由式(1)表示為

式中G為新風(fēng)量，m3/ h；pq新風(fēng)機(jī)全壓，Pa；ηf為新風(fēng)機(jī)效率。

水泵的流量和功率分別由式(2)和(3)表示為

式中V 為水泵流量，m3/h；Qr為機(jī)組額定制冷量，kW；ΔT 為供回水的溫差，℃；Pb為水泵功率，kW； H為水泵揚(yáng)程，m；ηb為水泵效率。

假設(shè)辦公室內(nèi)的人數(shù)為2，新風(fēng)量則為60 m2/h，新風(fēng)機(jī)全壓為400 Pa，效率為0.65，則水泵參數(shù)計(jì)算結(jié)果見2。

2.2 系統(tǒng)模型

利用TRNSYS 軟件建立了輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)模型，如圖5所示，包括天氣數(shù)據(jù)、建筑模型、冷水機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組、水泵、控制部件以及輸出。 其中，第1 部分是外部參數(shù)的設(shè)置，氣象數(shù)據(jù)為濟(jì)南市室外氣象參數(shù)，包括室外空氣干球溫度、濕球溫度和太陽輻射強(qiáng)度，與Type56 模塊(建筑物模型)連接提供逐時(shí)氣象參數(shù)；第2 部分是高溫冷水機(jī)組循環(huán)系統(tǒng)，主要包括高溫冷水機(jī)組和冷凍水泵，提供14 ℃冷凍水進(jìn)入輻射板為房間制冷；第3 部分是低溫冷水機(jī)組循環(huán)系統(tǒng)，由低溫冷水機(jī)組制造7 ℃冷凍水為室內(nèi)提供新風(fēng)，控制室內(nèi)濕度；第4 部分是Type56 模塊(建筑物模型)，這是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)按照表1 設(shè)置，房間內(nèi)擾按照表2 設(shè)置，輻射板的面積、管直徑、流量等參數(shù)也在此設(shè)置；第5 部分是控制系統(tǒng)，包括時(shí)間控制和溫度控制，溫度控制系統(tǒng)控制空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫度20～26 ℃范圍內(nèi)不運(yùn)行，從而影響冷水機(jī)組和水泵的運(yùn)行，時(shí)間控制系統(tǒng)可以控制1 d 內(nèi)的空調(diào)運(yùn)行時(shí)間，該模型是控制空調(diào)系統(tǒng)在辦公時(shí)間(8:00—18:00)運(yùn)行。 將設(shè)置好的各個(gè)部分連接，運(yùn)行系統(tǒng)，輸出參數(shù)，包括房間溫度、相對濕度、冷水機(jī)組溫度、含濕量、PMV－PPD、制冷量、能耗、機(jī)組COP 等。

表2 水泵參數(shù)設(shè)置

圖5 輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)模型圖

所建模型包括兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng):(1) 高溫冷水機(jī)組控制的循環(huán)系統(tǒng)，在制冷狀態(tài)下，低溫低壓的制冷劑通過蒸發(fā)器將室內(nèi)空氣熱量吸收，變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，經(jīng)壓縮機(jī)升溫升壓，再通過冷凝器冷卻，由循環(huán)水路將制冷劑所攜帶的熱量吸收，并將熱量釋放到大氣中；(2) 低溫冷水機(jī)組控制的循環(huán)系統(tǒng)[16]，由新風(fēng)機(jī)組處理為室內(nèi)提供新風(fēng)，可承擔(dān)全部室內(nèi)潛熱負(fù)荷及部分顯熱負(fù)荷，以高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度提供新風(fēng)，室內(nèi)輻射末端采用14 ℃高溫冷凍水供冷，使輻射板溫度高于露點(diǎn)溫度，這樣溫、濕度獨(dú)立控制可防止結(jié)露。

ISO 7730 中用PMV－PPD 指標(biāo)來評價(jià)房間熱舒適性[17]。 人體舒適熱平衡方程由式(4)和(5)[18]表示為

式中M 為人體代謝率，W/s； Q 為熱舒適時(shí)能量傳輸率，W/s。

模擬輻射板分別置于地面、頂板和墻面的3 種運(yùn)行工況，在一般辦公時(shí)間(8:00—18:00)，對比分析不同輻射供冷方式對室內(nèi)熱環(huán)境和能耗的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 熱舒適性分析

3.1.1 相對濕度

相對濕度過大會導(dǎo)致皮膚濕潤度增加，也就是所謂的會感到皮膚“黏著”，從而導(dǎo)致不舒適。 根據(jù)舒適性要求，相對濕度應(yīng)在40%～60%之間。 設(shè)計(jì)日運(yùn)行時(shí)間8:00—18:00 室內(nèi)溫度和相對濕度變化如圖6所示。 在8:00—10:00 時(shí)段，空氣溫度、相對濕度波動不大，在10:00 時(shí)由于太陽輻射增強(qiáng)，室內(nèi)人員、設(shè)備等內(nèi)擾增強(qiáng)，高溫機(jī)組除了承擔(dān)熱負(fù)荷外，還需承擔(dān)一部分新風(fēng)負(fù)荷，室內(nèi)空氣溫度升高，相對濕度隨即降低。 13:00 時(shí)太陽方位角較高，太陽輻射不能直射室內(nèi)，室內(nèi)溫度降低，相對濕度迅速升高，可能會造成不舒適感，需要大量的新風(fēng)來承擔(dān)潛熱負(fù)荷。 由此可見室內(nèi)空氣溫度變化影響著相對濕度，氣溫升高，相對濕度減小，氣溫降低，相對濕度增大。 地面、頂板、墻面3 種輻射供冷形式的相對濕度最高值均出現(xiàn)在15:00，其值分別為54.85%、55.86%、57.21%，墻面輻射供冷的相對濕度最大，地面輻射供冷的相對濕度最小。 3 種輻射供冷形式下，室內(nèi)相對濕度變化趨勢相同，均在40%～60%范圍內(nèi)波動。

圖6 室內(nèi)溫度和相對濕度變化圖

3.1.2 輻射壁面溫度

輻射壁面溫度變化如圖7 所示。 3 種輻射壁面溫度在8:00—10:00 緩慢升高，10:00 以后快速下降。 這是由于夏季早上室外溫度逐漸升高，同時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)夜間蓄熱，空調(diào)剛開啟時(shí)不能充分冷卻壁面，所以輻射壁面溫度緩慢升高。 10:00 之后，空調(diào)已經(jīng)開啟一段時(shí)間，輻射壁面充分冷卻，所以溫度快速下降。 頂板溫度下降的最為明顯，這是因?yàn)樘栔苯诱丈涞綁γ?，墻面吸收部分短波輻射，而地面有較大的熱惰性，因此地面和墻面的輻射壁面溫度相對較高，減少了輻射板結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 輻射壁面溫度變化圖

3.1.3 PMV－PPD 指標(biāo)

GB 50736—2012 將熱舒適性分為2 個(gè)等級[11]，劃分依據(jù)見表3。

表3 熱舒適性等級劃分

3 種輻射方式在8:00—18:00 的PMV－PPD 值變化如圖8 所示，PMV 和PPD 的變化趨勢相近。頂板和墻面輻射供冷的PMV 值在0.25 ～0.50 范圍內(nèi)波動，熱舒適性達(dá)到了Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，地面輻射供冷的PMV 值在12:00—18:00 時(shí)段超過了0.5，達(dá)到Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)；頂板和墻面輻射供冷的PPD 值都小于10%，熱舒適性達(dá)到了Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，地面輻射供冷的PPD 值在11:00—18:00 時(shí)段超過了10%，達(dá)到Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)。由此可以看出，3 種輻射供冷形式的熱舒適性為墻面＞頂板＞地面。

圖8 不同輻射供冷形式下室內(nèi)的PMV－PPD 變化圖

3.2 能耗分析

3.2.1 輻射回水溫度

不同輻射供冷形式的輻射回水溫度隨時(shí)間變化如圖9 所示。 高溫冷水機(jī)組的出水溫度均設(shè)置都為14 ℃，通過改變流量來改變系統(tǒng)的制冷量。

圖9 輻射回水溫度變化圖

8:00 時(shí)空調(diào)剛開啟，圍護(hù)結(jié)構(gòu)儲存了較多的熱量，室內(nèi)余熱量較大；同時(shí)由于剛上班，人員設(shè)備等內(nèi)熱源強(qiáng)度增大，輻射回水溫度較高，空調(diào)開啟1 h后，輻射系統(tǒng)持續(xù)釋放冷量，室內(nèi)熱環(huán)境逐漸穩(wěn)定，所以輻射回水溫度下降。 3 種輻射供冷形式的冷凍水回水溫度由高到低為墻面＞頂板＞地面，由于輻射面積相同，可以推測，在達(dá)到相同的室內(nèi)熱環(huán)境時(shí)，墻面輻射供冷的回水溫度最高，因此機(jī)組的COP 值最大。

3.2.2 節(jié)能性分析

模擬設(shè)計(jì)日運(yùn)行時(shí)間在8:00—18:00 時(shí)，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的耗電量和制冷量，結(jié)果分別見表4、5。 由表4 可知地面和墻面輻射系統(tǒng)冷水機(jī)組能耗較頂板輻射系統(tǒng)低。 地面輻射供冷能耗較頂板輻射供冷低是由于冷空氣密度大，房間頂部的冷量往下傳遞，需要先冷卻墻體再與周圍空氣對流換熱；墻面輻射供冷能耗較頂板輻射供冷低是由于墻面輻射供冷加快了垂直方向的熱傳遞。 地面、頂板、墻面輻射供冷的總能耗分別為5.59、6.23、6.16 kW·h，地面輻射供冷能耗最低，節(jié)能性最好。 由表5 看出3 種輻射供冷形式的高溫冷機(jī)制冷量由低到高依次為地面、頂板、墻面，達(dá)到室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度時(shí)地面輻射供冷所需制冷量最小。

表4 不同輻射供冷形式能耗表 單位:kW·h

表5 不同輻射供冷形式能耗制冷量表單位:kW

設(shè)計(jì)日運(yùn)行時(shí)間8:00—18:00 冷水機(jī)組的逐時(shí)COP 見表6，地面、頂板、墻面輻射供冷的平均COP分別為4.20、4.25、4.27。

表6 不同輻射供冷形式冷水機(jī)組逐時(shí)COP

4 結(jié)論

文章利用TRNSYS 軟件建立了輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，通過設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，模擬冷負(fù)荷并進(jìn)行機(jī)組選型，對比分析了輻射板分別在地面、頂板、墻面的3 種輻射供冷方式的熱舒適和能耗。 主要結(jié)論如下:

(1) 采用輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，可以防止輻射供冷壁面結(jié)露，改善空氣品質(zhì)。 在實(shí)際應(yīng)用中，辦公室四周墻壁面積大于頂板和地面面積，輻射供冷的面積大，新風(fēng)就可少承擔(dān)甚至不承擔(dān)冷負(fù)荷，工作區(qū)新風(fēng)帶來的冷干擾就會減少。

(2) 從熱舒適性角度來說，3 種輻射供冷模型的相對濕度在40%～60%之間，均符合相對濕度舒適性要求；地面和墻面輻射供冷的壁面溫度較高，減少了結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)；從PMV－PPD 指標(biāo)看，墻面和頂板輻射供冷的PMV 和PPD 值都達(dá)到了Ⅰ級熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)，地面輻射供冷的PMV 和PPD 值達(dá)到了Ⅱ級熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 從節(jié)能性角度來說，在設(shè)計(jì)日運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，地板輻射供冷總能耗相比于頂板輻射和墻面輻射供的供冷分別少了11.4%、10.2%，達(dá)到室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度所需的制冷量最小，節(jié)能性最高。

(4) 對于堆放易潮濕物品的建筑不宜采用墻面輻射供冷，一般的商鋪以及辦公樓可以采用地板輻射供冷，對舒適性要求較高的場所可以采用墻面輻射供冷。