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
而增加,大约到2 m高度处达到最大值,然后开始降低。

2.4m以上近吊顶处,温度比较均匀,接近吊顶温度。

X位置0.1～1.1 m温度梯度为2.47 ℃/m,满足ISO7730
舒适性标准,Y位置0.1～1.1 m温度梯度为3.23 ℃/m,不满足ISO7730舒适性标准。

可见,地板供冷会加大室内空气垂直温度梯度,引起人体局部不舒适感。

图5 室内空气温度垂直分布
(2)由冷风引起的局部不舒适度分析
对流空调环境中,由于吹风引起的冷风感是引起人体局部不舒适感的主要因素之一。

前人的研究表明对于标准着装,从事静坐等轻微体力活动的人,对冷风引起的不舒适
感反应明显。

因此,有必要对住宅空调环境中由冷风引起的局部不舒适度进行分析。

Fanger教授的调查研究表明,由冷风引起的局部不满意率PD值主要与平均空气流速、室内空气温度及紊流度有关,其计算公式为
PD=(34-ta)(V-0.05)0.62(0.37VTu+3.14)
其中,紊流度Tu可用下式来计算
根据ASHRAE STANDARD标准,混合通风紊流度为35%,本测试为下送风,送风速
度比较高,出口风速为2 m/s,因此也选紊流度为35%。

选取0.1、0.3、0.5、0.7 m 高度,距离风口0.5 m距离的四个点为考察对象,分别为A、B、C、D 4点,计算由
冷风引起的不满意百分率值(PD),计算结果如表2所示。

表2给出了ABCD 4点的平均空气流速及冷风不满意率。

从表中数据可看出,PD值小于15%,在标准许可范
围内,不会带来由冷风吹风引起的局部不舒适感。

表2 局部冷风不满意率高度/m测点平均空气流速
/(m/s)PD/%01A01671703B01463305C01775807D018796
(3)地板温度的限制
地板温度过冷或过热都会引起人体足部的局部不舒适,根据ASHARE55—2004标
准,人体穿轻便室内鞋时,舒适性允许的地板温度的范围为19～29 ℃。

图6给出供
冷工况地板温度随时间的变化规律。

由图6可见,1昼夜内,地板温度比较恒定,为
22 ℃左右,由于地板结构的热惰性,地板温度不会因空调负荷的变化及机组的起停控制而突变。

另外由于住宅负荷较小,地板承担的冷负荷较小,不会因冷地板温度过低
引起人体局部不舒适感,地板温度高出标准最低限值3 ℃。

图6 地板温度变化规律
(4)温度随时间的波动
已有研究表明,非人员自发调节控制所引起的空气温度及平均辐射温度的突变及波
动将会影响人体热舒适性。

ASHARE55—2004标准指出,舒适性范围内,可允许的
周期性操作温度变化范围为1.1 ℃/15 min,标准还给出了长时间内室内温度波动和跳动的范围,如表3所示。

表3 温度波动和跳动的范围时间范围/h02505124允许的操作温度变化最大值
/℃1117222833
图7给出了室内外空气平均温度及围护结构壁面温度随时间的变化规律。

从图7
可以看出,系统稳定运行时,地板表面温度波动不大,在21.0～22.4 ℃之间波动。

测
试期间,1昼夜内,当室外温度变化较大,在23.3～33.5 ℃之间变化时,室内空气平均
温度在26.3～28.4 ℃之间变化,波动幅度较小,1昼夜24 h内最大温差仅为2.1 ℃。

可见,连续供冷房间,由于墙体及冷地板的蓄冷作用,当室外温度在1昼夜内周期变化时,室内温度波动较小,在舒适性标准允许的范围内。

图7 室内外温度及壁面温度变化规律
2.3 结露风险分析
辐射系统夏季供冷时的结露问题是目前阻碍这一系统广泛应用的重要问题[15～16],结露不仅能破坏系统正常的供冷能力,还能导致室内微生物增长,造成卫生问题。

图8给出了测试期间,1昼夜内室内平均相对湿度变化规律。

从图8可看出,1昼夜
内,室内相对湿度在50%～60%变化,平均相对湿度为56.9%。

另外,在测试期间,室内干球温度为27.3 ℃,此相对湿度下对应的露点温度为18.4 ℃,而冷地板表面温度为21.4 ℃,高于露点温度,所以不存在结露的危险。

图8 1昼夜内室内相对湿度变化规律
3 结论
本文通过对户式辐射地板供冷+新风系统夏季运行工况及室内热环境评价分析,得出以下结论：
(1)系统稳定运行时间,1昼夜内,当室外温度变化较大时,通过机组起停控制,室内PMV指标在-0.32～0.35之间变化,PPD指标在8%以内,满足ISO7730舒适性标准。

部分负荷下,可通过对机组进行起停控制,将PMV、PPD指标控制在舒适标准范围内；
(2)室内工作区垂直方向典型测点温度梯度分别为2.5 ℃/m及3.2 ℃/m,不满足ISO7730舒适性标准。

地板供冷加大了室内空气垂直温度梯度,会引起人体局部不舒适感；
(3)室内典型测点由冷风引起的局部不满意率小于15%,消除了传统对流空调带来的冷风感的影响。

1昼夜内,地板温度比较恒定,为22 ℃左右,地板温度高出标准最低限值3 ℃,不会因为过冷引起人体足部的不舒适感。

室内温度波动的最大温差仅为2.1 ℃,各项局部不舒适度评价指标均在ISO7730标准所允许的限值范围内。

室内风速在0.1～0.2 m/s,新风在满足了人体卫生要求的基础上,其大小在热舒适要求许可的范围内；
(4)机组稳定运行期间,室内相对湿度在50%～60%变化,冷地板表面不存在结露危险。

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