地板供冷系统运行工况及室内热环境分析

地板供冷系统运行工况及室内热环境分析

隋学敏;张旭

【摘要】对一种户式辐射地板供冷+新风系统夏季运行工况进行测试,测得了稳定运行工况下的系统运行特性、规律以及室内热湿环境参数,并以所测参数为基础,对室内热环境进行了热舒适性评价.研究结果为户式辐射供冷+新风系统的推广提供了技术数据,并为该机组的进一步优化提供了参考.

【期刊名称】《铁道标准设计》

【年(卷),期】2010(000)0z2

【总页数】4页(P28-31)

【关键词】地板供冷;新风系统;运行性能;热环境

【作者】隋学敏;张旭

【作者单位】长安大学环境科学与工程学院,西安,710054;同济大学暖通空调及燃气研究所,上海,201804

【正文语种】中文

【中图分类】TU831.3

夏热冬冷地区,地处长江流域,由于特有的地理位置形成特殊的建筑气候特征,夏季闷热,冬季湿冷,潮湿期长。另外,该地区人口密集、经济文化较为发达。特殊的建筑气候特征和较高的经济文化发展水平使得夏热冬冷地区对居住环境的健康和舒适要求尤为突出。目前夏季空调已广泛普及,主要以对流式空调器为主,舒适性差,能耗高,房

间温度不均匀。鉴于传统住宅空调的种种不足,迫切需要一种新型的空调系统来代

替传统的空调系统。辐射供冷系统是行之有效的选择,也受到了越来越多的暖通工

程师和业主的关注。已有研究表明,相比传统对流空调,辐射空调具有以下优点：(1)能够减少室内垂直温度梯度,几乎没有空气流动,能够减少局部不舒适度(2)较小的送风量可减少由冷风引起的局部不舒适度[1～2]。(3)该系统由辐射末端承担全部或

部分显热负荷,送风末端承担剩余显热负荷及潜热负荷,并满足人体新风需求。较小

的送风量可以减少空气输送过程中所需要的能量,以达到节能的效果[3～5]。(4)可

减小室内噪声。辐射供冷系统已被广泛应用于欧洲市场,主要应用于办公建筑[6～7]。近年来,辐射供冷系统也在我国开始兴起,并受到了越来越多的关注,也逐步应用于住宅建筑,尤其是与良好的围护结构和遮阳措施、辐射供冷、地源热泵、置换通

风等技术体系的组合在夏热冬冷地区得到了市场认可。目前,国内应用案例主要为

辐射供冷技术与地源热泵结合的技术体系,小区集中供冷。然而,集中供冷无法实现

用户的灵活调节及个性化需求。鉴于夏热冬冷地区目前室内居住环境存在的种种问题,兼容采暖、降温、除湿和通风需求的主动与被动结合的新型户式空调技术体系

已得到研发[8～11],冷热源采用空气源热泵,末端采用辐射地板或辐射顶板供冷供热,匹配新风系统满足室内卫生要求,兼顾除湿需求。吹风感,辐射末端的使用,目前主要有两种方式：(1)冬季地板辐射供暖,夏季天棚辐射供冷。(2)冬夏季采用统一的地板辐射末端,冬季供暖,夏季供冷。本文旨在对户式辐射地板供冷+新风系统的夏季运

行工况进行测试,并对室内热环境进行评价分析。测试系统位于昆山市某别墅内,测

得了稳定运行工况系统运行特性以及室内热湿环境参数,并对室内热环境进行了热

舒适性评价。研究结果为户式辐射顶供冷+新风系统的推广和优化提供了技术数据。

1 测试系统介绍

1.1 测试住宅介绍

测试住宅为上海一幢联排式三层别墅住宅,建筑面积约为170 m2,外墙采用30

mmEPS外保温,屋面采用40 mm聚苯板外保温,围护结构传热系数见表1,与《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ134—2003)[12]相对照,均在限值范围内,符合节能设计标准要求。最大设计冷负荷为4 652 W,冷负荷指标33.7 W/m2,最大设计热负荷为4 077 W,热负荷指标29.5 W/m2。

表1 围护结构热工参数围护结构类型传热系数/(W/m2·℃)节能设计标准限值外墙07515外窗3232外门2530内窗268屋面05710内墙07220

本试验选取的主要测试对象为住宅中位于三层的一间卧室,房间约15.6 m2,有南面一面外墙,东西北三面内墙,南面有一扇外窗。测试期间室内为1～2人,室内电器为测试仪器及电脑,室内灯光根据需要晚上开启。

1.2 测试系统介绍

系统采用空气源热泵作为冷热源,夏季空调(末端形式为冷辐射地板供冷+新风)和冬季供暖(末端形式为地板辐射采暖+新风)统合为一个冷热源系统,夏季一部分冷水供新风空调机箱,一部分冷水经过混水供辐射冷地板,冬季部分热水供新风空调机箱,部分热水供地板采暖系统,新风进入新风机组前采用全热交换器处理,回收部分排风能量。图1给出了辐射+新风系统水系统原理图。系统布置中有3个电磁三通阀,配套2个温度感应测点,第1个电磁三通阀通过感应辐射地板回水温度控制夏季工况混水流量,从而将辐射地板供水温度控制在一定范围内。第2个电磁三通阀用来控制辐射地板供水流量,当地板回水温度超过一定限值时,电磁三通阀打开,一部分辐射地板供水直接进入回水管路。第3个电磁三通阀用来调节新风供水温度。

图1 辐射+新风系统水系统分布

2 室内热环境分析

2.1 热舒适性评价

选取房间中部位置对辐射供冷加新风末端作用下人体热舒适性进行评价,评价指标采用PMV-PPD指标。辐射供冷环境平均辐射温度是影响人体热舒适性重要的热

微气候参数,对于其值的计算首先要计算角系数。人体(记作p)和平面之间的角系数可用下式计算

式中,X=a/1.8c,Y=b/1.8c;a、b、c的涵义见ASHARE手册[13]。然后通过公式计算出平均辐射温度,采用Matlab编程计算人体热舒适性评价指标。

图2给出了1昼夜内平均辐射温度及室内温度的变化规律,由于冷地板的辐射冷却作用,使得室内平均辐射温度低于空气温度,其差值在3 ℃左右。图3及图4分别给出了1昼夜内坐姿人体的PMV及PPD指标的变化规律,由图可见,1昼夜内,室外温度在23～33.2 ℃之间变化,PMV指标控制在-0.32～0.35,PPD指标在8%以内,满足ISO7730标准限值[14]。可见地板供冷工况,当室内负荷变化时,仍可通过冷机的起停控制,调节室内热微气候参数,将舒适性指标控制在标准允许范围内。

图2 1昼夜内室内空气温度及平均辐射温度变化规律

图3 1昼夜内室内PMV变化规律

图4 1昼夜内室内PPD变化规律

2.2 局部热不舒适度评价

(1)垂直高度方向温度分布

温度测点高度从地面计起,吊顶处高度为2.8 m,其他测点高度分别为

0,0.2,0.4,0.8,1.6,2.2,2.4,2.6,2.8 m。室内空气流场的形成由地板辐射造成的温差和室内负荷形成的自然对流及由送风形成的受迫对流综合作用引起的,其温度沿高度方向上分布如图5所示。选取房间中心截面两位置为研究对象,分别为X、Y两位置。由图可见,室内垂直方向温度分布与传统对流空调环境室内空气温度随高度而增加的热分层分布规律相似,温度分布分为3层,地面附近0.4 m以下由于冷地面附近存在较强的对流换热,使得该层内温度梯度较大,X位置处温差约为2.8 ℃,Y位置处温差约为3.7 ℃。0.4～2.4 m由于热气流的上升作用使得温度随高度的增加