夏熱冬冷地區(qū)低溫散熱器與空調(diào)供暖室內(nèi)溫度分布特征研究

程海峰，許潔，王庚，唐光明

(安徽建筑大學 環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥 230022)

0 引言

隨著人居生活水平的的提升，人們對建筑室內(nèi)供暖方式的選擇呈現(xiàn)多樣化[1]。散熱器系統(tǒng)作為傳統(tǒng)的集中供暖末端，使用安全方便，在北方地區(qū)應用廣泛，但其由于高溫熱水散熱器表面溫度過高，灰塵產(chǎn)生焦糊味的有害物質(zhì)會使室內(nèi)空氣品質(zhì)下降[2]。夏熱冬冷地區(qū)為非集中供暖區(qū)，其冬季濕冷，有供暖的需求和必要性，空調(diào)供暖作為夏熱冬冷地區(qū)主流的供暖模式，其造成室內(nèi)溫度分布上高下低，使室內(nèi)空氣干燥且有吹風感等熱舒適程度低、空氣品質(zhì)較差的問題[3-4]。

為了能夠提升室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性，近幾年，對低溫散熱器供暖系統(tǒng)的研究不僅在我國形成一定的熱度，而且在國外已經(jīng)得到廣泛應用。A.Hasan[5]等對名義供回水溫度為45℃/35℃的低溫熱水散熱器供暖系統(tǒng)房間熱舒適度進行了實驗和仿真模擬，得到散熱器低溫運行能夠保證室內(nèi)溫度在20℃以上，且室內(nèi)垂直溫差較?。籄.Hesaraki和S.Holmberg[6]通過現(xiàn)場實測和CFD模擬技術(shù)，對瑞典的五個房間采用低溫散熱器系統(tǒng)進行舒適度分析，得出基于PMV的PPD為12%，供暖房間平均溫度在20～25℃之間變化。Jonn Are Myhren[7]等通過模擬分析了高溫散熱器供暖、中低溫散熱器供暖、地板輻射供暖、墻體輻射供暖方式下房間的舒適性，得出采用中低溫散熱器供暖在房間氣密性較差時舒適性最好。吳輝敏[8]等對散熱器低溫供暖的優(yōu)勢、應用技術(shù)和實施進行了分析，提出了散熱器低溫供暖系統(tǒng)應進行連續(xù)供熱以達到供暖效果。李慶娜[9]等測試了現(xiàn)有居住性節(jié)能住宅采用供回水溫60℃/45℃散熱器采暖系統(tǒng)，在連續(xù)供熱時可滿足熱用戶用熱需求[3]。曹宇婷和楊強[10]通過實測農(nóng)村地區(qū)采用空氣源熱泵散熱器系統(tǒng)供暖，可使測試供暖房間平均溫度維持在16.91～18.65℃。楊茜[11]等采用Airpak軟件，模擬了北京地區(qū)農(nóng)村住宅低溫散熱器供暖系統(tǒng)房間，得出了該供暖系統(tǒng)可滿足熱舒適性要求的結(jié)論。

多數(shù)研究者所設(shè)計的實驗和數(shù)值模擬計算，是以嚴寒或寒冷地區(qū)冬季室外環(huán)境為設(shè)計環(huán)境，而對于低溫散熱器系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)冬季特定的濕冷環(huán)境下應用研究不多。基于前人對低溫散熱器系統(tǒng)的研究，本文通過設(shè)計對比實驗，實測合肥地區(qū)冬季采用供回水溫45℃/40℃的低溫熱水散熱器供暖系統(tǒng)與常用熱泵空調(diào)供暖系統(tǒng)房間溫度場分布，分析兩種不同供暖系統(tǒng)室內(nèi)溫度分布特征差異，對于夏熱冬冷地區(qū)供暖系統(tǒng)方案設(shè)計及改善室內(nèi)熱環(huán)境具有現(xiàn)實意義。

1 實驗及方法

1.1 實驗條件

本實驗在位于合肥市某研究院三樓的室內(nèi)宜居環(huán)境技術(shù)研究實驗室中進行。該實驗室內(nèi)部凈尺寸為 8 m×6 m×3 m(長×寬×高)，東南西三面為外墻，北面為內(nèi)墻并含一扇1.6 m×2 m的雙開玻璃門，連通毗鄰的內(nèi)走廊，無窗。實驗室內(nèi)西墻上部布置一臺側(cè)送風熱泵空調(diào)室內(nèi)機，送風方式為上送上回，送風口為雙層百葉風口，尺寸為1 m×0.2 m，回風口在機組底面，距離地面2.7 m。實驗室中設(shè)置7組散熱器，東墻下設(shè)置一組，其它三面墻各設(shè)兩組。采用空氣源熱泵提供供回水溫度為45℃/40℃的低溫熱水。散熱器的材質(zhì)為鑄鐵，每組散熱器含有散熱片18個，散熱器的尺寸均為1.3 m×0.1m×7m(L×W×H)，下端距離地面 0.15 m。

圖1 房間物理模型圖(左：低溫散熱器供暖；右：空調(diào)供暖)

1.2 實驗方法

為了反映房間溫度場的實際分布，在室內(nèi)宜居環(huán)境技術(shù)研究室內(nèi)均勻布置8個同樣規(guī)格的測桿。由于人體的腳踝、膝蓋和頭等部位對溫度的感受要求不同，不適宜的垂直溫度梯度不僅會增加室內(nèi)氣流組織運動，而且會導致人員不舒適感[12]，故在每個測桿的0.1 m、0.7 m、1.5 m和2 m高度處設(shè)置溫度測點，總共32個測點。圖2為側(cè)桿在整個房間的水平位置分布和垂直測點編號。對于某一測桿x(x 為 a、b、c、d、e、f)，x1～x4 分別為 0.1 m、0.7 m、1.5m和2m高度的測點。

圖2 房間內(nèi)側(cè)桿的平面位置和垂直測點編號

房間內(nèi)空氣溫度的監(jiān)測采用2×0.5 mmK型熱電偶(可測溫度范圍0～600℃)，由JTDL-80型多通道熱電偶采集模塊(測量精度為±0.5℃)實現(xiàn)測點數(shù)據(jù)自動采集和儲存。圖3為實驗室房間內(nèi)實驗儀器和部分測桿、測點的現(xiàn)場布置。

本實驗的測試時間為2017年1月18日與2017年1月20日。房間采用空調(diào)供暖方式實驗從18日10：00開啟到17：00停機，室內(nèi)設(shè)計溫度24℃；低溫散熱器供暖實驗在20日的10：00開啟至17：00停機，熱水供回水溫度為45℃/40℃，兩天的室外溫度均為-2℃。測試數(shù)據(jù)采取各個工況穩(wěn)定時段進行分析，即13：00～17：00采集的逐時溫度。室內(nèi)平均溫度是供暖房間的重要參數(shù)，其計算公式[13]如下：

式中，trm是檢測持續(xù)時間內(nèi)受檢房間的室內(nèi)平均溫度(℃)；trm，i是檢測持續(xù)時間內(nèi)受檢房間第i個室內(nèi)逐時溫度(℃)；n是檢測持續(xù)時間內(nèi)受檢房間的室內(nèi)逐時溫度的個數(shù)；ti，j是檢測持續(xù)時間內(nèi)受檢房間第j個測點的第i個溫度逐時值(℃)；p是檢測持續(xù)時間內(nèi)受檢房間內(nèi)布置的溫度測點的個數(shù)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 兩種系統(tǒng)供暖效果測試分析

2.1.1 低溫散熱器系統(tǒng)供暖效果測試分析

圖4反映了低溫散熱器系統(tǒng)房間中部c測桿各點溫度隨時間的變化，當系統(tǒng)運行保持基本穩(wěn)定的狀態(tài)時，供暖房間0.1 m、0.7 m、1.5 m和2.0 m高度上的溫度呈現(xiàn)周期性變化，約30分鐘一個周期，這是由于空氣源熱泵機組的啟停導致溫度隨時間的波動。圖5為低溫散熱器房間在13：00～17：00各測點的平均溫度分布，由于a測桿靠近房間玻璃門，受冷風滲透的影響，a測桿0.1 m處測點平均溫度略低。0.1 m高處水平溫度分布不均勻性較大，這是空氣與地面的對流換熱以及各點距散熱器遠近受熱壓影響不同導致的。0.7 m、1.5 m和2.0 m高處水平溫度穩(wěn)定，基本保持在21.5～23℃之間，其中0.7 m與1.5 m的垂直溫差在1℃左右，1.5 m與2.0 m的垂直溫差在0.5℃以下，這說明低溫散熱器系統(tǒng)供暖房間內(nèi)人員在保持坐姿或站立時呼吸區(qū)的溫度較均勻。而且房間內(nèi)各點的平均溫度在18.9～23.4℃之間，滿足國家標準對于舒適性空調(diào)人員長期逗留區(qū)域室內(nèi)溫度要求[14]。

圖3 實驗儀器和測點的現(xiàn)場布置

圖4 低溫散熱器系統(tǒng)C測桿各點溫度變化

圖5 低溫散熱器房間各測點平均溫度分布

2.1.2 空調(diào)系統(tǒng)供暖效果測試分析

圖6為空調(diào)系統(tǒng)房間中部C測桿各點溫度變化，可以看出0.7 m、1.5 m和2.0 m高處的溫度隨時間呈明顯周期性波動，約10分鐘一個周期，波峰波谷明顯，而在0.1 m高處的溫度變化較平穩(wěn)。分析圖7空調(diào)系統(tǒng)供暖房間溫度出現(xiàn)明顯垂直分層現(xiàn)象，其中高度0.1 m與0.7 m間垂直溫差均超過3.5℃，不能達到ⅠSO7730標準對于工作區(qū)內(nèi)距離地面上方1.1 m和0.1 m間溫差不應大于3℃的溫度梯度要求[15]。而且1.5 m和2.0 m高處水平溫度分布不均勻性大，但0.1 m和0.7 m高處水平溫度分布較均勻，故總體呈現(xiàn)上部波動、下部穩(wěn)定的現(xiàn)象。造成這種分布特征的原因，是因為空調(diào)系統(tǒng)供暖采用上送上回的送風方式，從送風口送出的熱風與房間內(nèi)空氣存在一定的溫差，由于熱風上浮，在頂板形成貼附射流；本測試為了減小熱量聚集在頂板面而產(chǎn)生的熱損失，將送風百葉向下進行了傾斜，此時熱風的射流范圍擴大，房間上部空氣受到的擾動較大，由于墻壁的阻擋和回風口的負壓作用下形成回流，房間下部處于熱風回流區(qū)，該區(qū)域溫度較射流區(qū)溫度平穩(wěn)。

圖6 熱泵空調(diào)系統(tǒng)C測桿各點溫度變化

圖7 熱泵空調(diào)房間各測點平均溫度分布

2.2 兩種供暖系統(tǒng)對比分析

當房間溫度達到基本穩(wěn)定的狀態(tài)時，采用低溫散熱器系統(tǒng)供暖的房間溫度波動平緩，各測點溫差波動小于1℃；而空調(diào)系統(tǒng)供暖房間溫度波動幅度較大，最大波動溫差可達3.2℃，見圖5、圖7。造成如此明顯的差異主要是由于不同供暖方式對室內(nèi)氣流組織造成的影響不同。散熱器低溫運行，與室內(nèi)空氣進行對流換熱，室內(nèi)空氣被加熱形成自然對流；熱泵空調(diào)送風口送出一定速度的熱風與室內(nèi)空氣混合進行熱交換，對室內(nèi)氣流產(chǎn)生較大的擾動。

分析對比圖5和圖7：①由于a測桿靠近房間玻璃門，受冷風滲入影響，在兩種不同供暖方式下，該測桿0.1m高度測點溫度均比同一高度下其他測點的溫度低2～3℃。②水平方向上：空調(diào)供暖房間(圖7)在距離風口最遠的a測桿各點相對溫度最高，而與a測桿相對稱的b測桿由于房間上部有隔斷板的阻擋，溫度略低于a測桿，其他工作區(qū)的水平溫度穩(wěn)定，但相較于低溫散熱器供暖房間(圖5)，其水平溫度梯度較大；低溫散熱器供暖房間溫度在f4點處相對溫度最高，這與各測點與散熱器距離不同熱壓影響不同造成的，特別的由于熱壓加上維護結(jié)構(gòu)的邊界效應，低溫散熱器房間靠近地面處的水平溫度波動略大。③垂直方向上：相比空調(diào)供暖房間，低溫散熱器供暖房間內(nèi)垂直溫度梯度明顯變小，0.7 m與1.5 m高度間的溫差縮小最為顯著；而且低溫散熱器房間內(nèi)各點的平均溫度在18.9～23.4℃之間，空調(diào)供暖房間內(nèi)各點平均溫度在15.6～23.4℃之間，所以采用低溫散熱器供暖方式，房間溫度區(qū)間縮小，0.1 m高度溫度平均提高達19℃，提高了3℃，處于人體腳踝處的溫度增高，對于人體的舒適感起到提升作用。

3 結(jié)論

筆者利用室內(nèi)宜居環(huán)境技術(shù)研究室為測試平臺，通過對夏熱冬冷地區(qū)冬季使用低溫散熱器供暖與空調(diào)供暖方式室內(nèi)溫度場進行實測，對比分析兩種不同供暖方式下室內(nèi)溫度分布特征，得出以下結(jié)論：

(1)對于氣密性較好的房間，采用低溫散熱器連續(xù)供暖，房間各點平均溫度保持在18.9～23.4℃之間；而空調(diào)供暖房間內(nèi)各點平均溫度在15.6～23.4℃之間。故低溫散熱器供暖(供回水溫度45℃/40℃)可滿足夏熱冬冷地區(qū)熱用戶的熱需求，且減少室內(nèi)低溫區(qū)，縮小室內(nèi)溫度區(qū)間，整體提升室內(nèi)溫度。

(2)從室內(nèi)溫度隨時間的變化上來看，當房間溫度達到一定的穩(wěn)定性時，低溫散熱器供暖房間逐時溫度波動平緩，波幅小于1℃；而空調(diào)供暖房間逐時溫度波動較大，波幅可達3.2℃。所以采用低溫散熱器供暖可以使房間舒適度得到提升。

(3)房間溫度場沿水平方向，低溫散熱器供暖房間水平溫度分布穩(wěn)定性優(yōu)于空調(diào)供暖房間，特別的由于熱壓和維護結(jié)構(gòu)的邊界效應，低溫散熱器房間靠近地面處的水平溫度波動略大。

4)房間溫度場沿垂直方向，空調(diào)供暖房間溫度分層顯著，垂直溫度梯度大，高度0.1 m與0.7 m間垂直溫差均超過3.5℃；而低溫散熱器房間垂直溫度梯度小，溫度分布更均勻。