大空間建筑地板輻射供冷系統(tǒng)數(shù)值模擬

侯博　屈長(zhǎng)杰　狄浩

摘要：建立大空間建筑地板輻射供冷系統(tǒng)模型，對(duì)大空間建筑地板供冷房間熱過(guò)程及負(fù)荷計(jì)算進(jìn)行研究，并與傳統(tǒng)對(duì)流式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行能耗比較。模擬結(jié)果表明：輻射供冷系統(tǒng)比傳統(tǒng)對(duì)流式空調(diào)系統(tǒng)節(jié)約一次能源29.15%，節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。采用地板輻射供冷，可降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，從而加大了人體的輻射散熱量，同時(shí)地板輻射供冷沒(méi)有冷氣流的感覺(jué)，也沒(méi)有噪聲，避免了傳統(tǒng)空調(diào)因吹風(fēng)而引起的不適。綜上所述，地板輻射供冷提供了一種節(jié)能、舒適、經(jīng)濟(jì)、健康的降溫方式。

關(guān)鍵詞：地板輻射供冷；數(shù)值模擬；

0前言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，我國(guó)交通樞紐的建筑規(guī)模呈加速上升的趨勢(shì)。我國(guó)未來(lái)將有約1億平方米的機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、大型會(huì)展及體育場(chǎng)館等高大空間類(lèi)建筑。機(jī)場(chǎng)、車(chē)站的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以大面積透光玻璃幕墻為主，通常為高大空間，進(jìn)深大，旅客等候區(qū)域的層高多為10米以上，甚至超過(guò)20米，旅客客流量大且人員密度變化大。這些特點(diǎn)造成了機(jī)場(chǎng)、車(chē)站室內(nèi)熱環(huán)境的特殊性，比如地板表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高、圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度高、僅近地面人員活動(dòng)區(qū)域需要空調(diào)控制等。這類(lèi)建筑通常采用全空氣射流噴口送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，全面控制4-6米高度內(nèi)的室內(nèi)熱濕環(huán)境。這種傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)存在冬季“熱風(fēng)下不來(lái)”的問(wèn)題，熱舒適性差；以空氣作為介質(zhì)輸送冷、熱量，系統(tǒng)輸配能耗高；要求的冷水溫度低，限制冷源利用效率；風(fēng)管占用空間大，甚至需要設(shè)置管道夾層，增加土建部分投資。空調(diào)系統(tǒng)的能耗越來(lái)越高，已占到了整個(gè)建筑物能耗的60%-70%，因此，設(shè)計(jì)優(yōu)化節(jié)能的大空間建筑、配置優(yōu)化匹配的空調(diào)系統(tǒng)以及對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化控制對(duì)降低整個(gè)大空間建筑物的能耗，乃至降低整個(gè)城市和國(guó)家的能耗有著十分重要的意義，而優(yōu)化合理的空調(diào)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)之一便是大空間建筑空調(diào)負(fù)荷的準(zhǔn)確計(jì)算。

能源資源的短缺制約著我國(guó)今后社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。人類(lèi)為了追求短期內(nèi)的高速發(fā)展消耗了大量的資源，同時(shí)破壞了生態(tài)環(huán)境。因此，可以提倡全社會(huì)節(jié)能減排，以緩解目前的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)，節(jié)能減排一方面可以緩解能源緊缺嚴(yán)峻的形勢(shì)，另一方面可以保護(hù)日益被破壞的生態(tài)環(huán)境。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，建筑能耗占社會(huì)總能耗的比例超過(guò)三分之一。在發(fā)達(dá)國(guó)家，這一比例已經(jīng)高達(dá)40%，成為能源消耗大戶(hù)。因此減少建筑能耗意義重大。近年來(lái)，輻射供冷以其降低空調(diào)負(fù)荷、減少輸送能耗、提高制冷供熱效率、節(jié)能以及舒適性高的突出優(yōu)勢(shì)，在種類(lèi)繁多的空調(diào)末端設(shè)備當(dāng)中脫穎而出，成為大空間建筑首先考慮的空調(diào)系統(tǒng)形式之一。

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數(shù)學(xué)模型及其求解

1.1模型的建立

模型長(zhǎng)、寬、高為：377m*125m*16 m，整個(gè)建筑模型構(gòu)成一個(gè)熱工區(qū)域。建筑面積4.7萬(wàn)m²。輻射系統(tǒng)是在地板中，通過(guò)循環(huán)環(huán)路將高溫冷熱水通入水管，以降低/升高圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度，達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的空調(diào)系統(tǒng)。它的數(shù)學(xué)模型包括輻射系統(tǒng)的控制模型和傳熱模型。

1.2計(jì)算的設(shè)置

采用energyplus軟件分別對(duì)地板輻射供冷系統(tǒng)和傳統(tǒng)對(duì)流式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。室外氣象參數(shù)采用西安地區(qū)（寒冷B區(qū)），夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為35.1℃，夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度為25.8℃；冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度為-5.6℃。夏季供冷約4個(gè)月（5月初至9月底）；冬季供暖約4個(gè)月（11月10日至次年3月15日）；過(guò)渡季約4個(gè)月?？照{(diào)使用時(shí)間一般為06：00-24：00。人員密度：10，²/人

燈光：30w/m²設(shè)備：10w/m²

2計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析

地板輻射供冷系統(tǒng)全年消耗一次能源約為5231307.63kWh對(duì)流式空調(diào)系統(tǒng)全年消耗一次能源約為6756259.5kWh結(jié)果見(jiàn)下圖。

從圖中可知，地板輻射供冷系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)約一次能源29.15%，故采用地板輻射供冷系統(tǒng)較為節(jié)能。這是因?yàn)橄募据椛涔軆?nèi)供水溫度與風(fēng)機(jī)盤(pán)管相比，溫度相對(duì)高，提高了制冷機(jī)組的COP值，能源利用效率有所提升；輻射板通過(guò)輻射換熱直接作用于人體表面，在相同室內(nèi)溫度條件下，換熱/冷能力要強(qiáng)于常規(guī)對(duì)流換式空調(diào)，空氣對(duì)流強(qiáng)度的減弱也減少了門(mén)窗的開(kāi)啟和室外空氣滲透負(fù)荷；房間大部分負(fù)荷都由輻射地板承擔(dān)，所需送風(fēng)量較少，且采用置換通風(fēng)比傳統(tǒng)的獨(dú)立新風(fēng)節(jié)能，通風(fēng)效率高，風(fēng)機(jī)耗能大幅度減少；作用溫度可以提高1-2℃，水泵的輸送能耗也隨之下降，總體來(lái)說(shuō)節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。

3結(jié)語(yǔ)

由上述模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，地板輻射供冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢(shì)較為明顯，對(duì)于大空間建筑，地板輻射系統(tǒng)結(jié)合置換通風(fēng)消耗的能量較低，并提供了更高程度的舒適性。采用輻射供冷，降低了圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度，加大了人體輻射散熱量，提高舒適性；冬夏季共用一套室內(nèi)系統(tǒng)，大大減少了初投資；也更有利于地板供暖系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。