住宅天棚輻射空調(diào)系統(tǒng)工程的應(yīng)用研究

周靜娜，謝立輝，劉圣武，周文武，廟詩祥

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230032；2.中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230071）

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對生活環(huán)境有了越來越高的要求，因此集中空調(diào)系統(tǒng)在住宅中的應(yīng)用也越來越廣泛[1]。為了進(jìn)一步提升室內(nèi)空氣質(zhì)量，天棚輻射、置換通風(fēng)等技術(shù)也逐漸被應(yīng)用于高端住宅中，大大增強(qiáng)了建筑環(huán)境的安全性、健康性和舒適性[2]。

本文以合肥市“當(dāng)代花園”住宅小區(qū)項(xiàng)目為研究對象，利用PHOENICS軟件，針對天棚輻射、置換通風(fēng)等技術(shù)在住宅中的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，得出室內(nèi)溫度、風(fēng)速的分布情況，進(jìn)一步了解天棚輻射和置換通風(fēng)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于住宅項(xiàng)目的特點(diǎn)，有助于為今后工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，起到一定的指導(dǎo)作用[3]。

1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

合肥市“當(dāng)代花園”住宅小區(qū)項(xiàng)目采用天棚輻射采暖及制冷，夏季輻射制冷水溫為18℃～21℃，冬季輻射供暖水溫為31℃～28℃。新風(fēng)由熱回收空調(diào)機(jī)組供給。室內(nèi)采用地板送風(fēng)，起居室、客廳和臥室通過墊層內(nèi)風(fēng)管獲得較為新鮮的空氣，回風(fēng)口位于廚房和衛(wèi)生間內(nèi)，具體位置如圖1和圖2所示，送回風(fēng)口形式如圖3和圖4所示。

圖1 1#住宅標(biāo)準(zhǔn)層通風(fēng)平面圖

圖2 1#住宅標(biāo)準(zhǔn)層天棚管平面圖

圖3 地板送風(fēng)口

圖4 回風(fēng)口

2 模型建立

2.1 物理模型

本文利用PHOENICS軟件對合肥市“當(dāng)代花園”住宅小區(qū)項(xiàng)目1#住宅的標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行模擬計(jì)算。由于標(biāo)準(zhǔn)層兩個(gè)戶型布局基本一致，故選取西側(cè)的戶型為代表進(jìn)行建模分析。模型依據(jù)暖通施工圖進(jìn)行建模，建筑層高3m，新風(fēng)口位于地面，尺寸為310mm×160mm，回風(fēng)口尺寸為φ75mm。

為簡化計(jì)算，模型假設(shè)條件為：房間為密閉空間，除新風(fēng)管和天棚管外，不考慮其它內(nèi)部熱源的影響[4]。建筑模型如圖5所示。

圖5 建筑模型圖

2.2 邊界條件（表1）

為使模擬結(jié)果更接近于實(shí)際運(yùn)行情況，模型邊界條件的輸入值均以現(xiàn)場實(shí)測值為準(zhǔn)。

①建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的邊界條件：考慮到室外氣象條件對建筑室內(nèi)環(huán)境的影響，采用紅外測溫儀對所有外墻、外窗的內(nèi)表面溫度進(jìn)行多次多點(diǎn)測量，發(fā)現(xiàn)外墻內(nèi)表面溫度與室內(nèi)溫度基本一致，而外窗受太陽輻射影響，與室內(nèi)的溫度差距較大，且不同朝向的外窗溫度也有差距，說明外窗是影響室內(nèi)環(huán)境的主要影響因素，因此模型中也主要考慮外窗的影響，取多次測量的內(nèi)表面溫度平均值作為邊界條件輸入到軟件中。內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)視為絕熱。

②采用風(fēng)速儀和溫度計(jì)，對送風(fēng)口的風(fēng)速、溫度進(jìn)行測量，將測量結(jié)果作為邊界條件輸入到軟件中。

③采用紅外測溫儀對頂棚的內(nèi)表面溫度進(jìn)行多次多點(diǎn)測量，取測量的平均值作為邊界條件輸入到軟件中。

3 模擬結(jié)果分析

考慮到本項(xiàng)目熱源主要為外窗，因此分析整個(gè)戶型的中間區(qū)域最為穩(wěn)定。PHOENICS軟件模擬結(jié)果如圖6所示，以客廳餐廳的豎向截面為例，室內(nèi)溫度場在垂直方向上有一個(gè)明顯的分層特性，上部區(qū)域溫度高，下部區(qū)域溫度低，整個(gè)立面上（0.1m～2.9m）垂直溫差有4℃左右，人員活動區(qū)（0.1m～1.8m）垂直溫差只有1.5℃左右。依據(jù)美國ASHRA55-92[5]標(biāo)準(zhǔn)建議0.1m和1.8m之間的溫差應(yīng)不大于3℃，說明本項(xiàng)目人員活動區(qū)的溫度較為舒適，沒有明顯的“頭熱腳涼”的感覺。

靠近外窗區(qū)域的溫度較高，由于地板送風(fēng)口靠近外窗，因此外窗附近的熱空氣會快速向上移動，減小對室內(nèi)人員活動區(qū)的影響。頂棚溫度較低，會冷卻頂棚附近區(qū)域的空氣溫度，從而減輕了置換通風(fēng)導(dǎo)致的垂直溫差問題，提高室內(nèi)的人員舒適度。

圖6 溫度場截面圖

由圖7～圖11可知，0.1m～1.1m之間，室內(nèi)每個(gè)房間的溫度變化較小，基本均在24.0℃～25.5℃之間，較為舒適。1.1m～2.0m之間，室內(nèi)每個(gè)房間的溫度出現(xiàn)了較為明顯的差異。南向外窗由于太陽輻射得熱較多，溫度較高，導(dǎo)致南向房間的溫度明顯高于其它朝向的房間，西向次之，北向最低。同時(shí)由于客廳有南向陽臺，起到了較好的隔熱作用，所以客廳溫度明顯低于南向臥室的溫度。

圖7 0.1m高度處溫度場

圖8 0.6m高度處溫度場

4 模擬值與實(shí)測值的對比分析

邊界參數(shù) 表1

為了對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，采用溫度巡檢儀對每個(gè)房間的室內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)測，每個(gè)房間測點(diǎn)布置方式為：在水平方向上設(shè)1個(gè)測點(diǎn)，位于房間正中央；在垂直方向上設(shè)5個(gè)測點(diǎn)，分別距地面0.1m（腳踝處），0.6m（膝部），1.1m（坐姿時(shí)的呼吸區(qū)），1.7m（站立時(shí)的呼吸區(qū)），2.0m（活動區(qū)上部）[3]。

圖9 1.1m高度處溫度場

圖10 1.7m高度處溫度場

圖11 2.0m高度處溫度場

圖12 測點(diǎn)布置圖

將測量值與模擬值進(jìn)行對比，由圖13～圖17可知，主臥、客臥豎向溫差最大，其次是書房，再次是客廳餐廳，儲藏室豎向溫差最小，充分體現(xiàn)了朝向差異。由于本項(xiàng)目主要考慮外窗的傳熱，因此0.1m～1.1m溫度變化較小，1.1m以上溫度升高明顯。同時(shí)由于0.1m～1.1m溫度場較為穩(wěn)定，實(shí)測值與模擬值較為接近，而1.1m以上紊流明顯，溫度場不穩(wěn)定，導(dǎo)致實(shí)測值與模擬值的差距變大。但是絕對誤差仍控制在3%以內(nèi)，說明模擬值和實(shí)測值較為吻合，模擬值可基本反映室內(nèi)溫度場情況，模型可靠。

5 不同運(yùn)行工況下的模擬分析

通過模擬值和實(shí)測值的對比分析可知，建筑模型已較為完善，模擬結(jié)果基本可反映實(shí)際運(yùn)行情況。因此可針對不同運(yùn)行工況進(jìn)行模擬分析，進(jìn)一步優(yōu)化天棚輻射、置換通風(fēng)等技術(shù)在住宅中的應(yīng)用效果。

圖13 客廳餐廳溫度實(shí)測值和模擬值的分析

圖14 主臥溫度實(shí)測值和模擬值的分析

圖15 客臥溫度實(shí)測值和模擬值的分析

圖16 書房溫度實(shí)測值和模擬值的分析

圖17 儲藏室溫度實(shí)測值和模擬值的分析

5.1 改變天棚管溫度

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)供回水水溫為18℃～21℃，頂棚溫度為21℃，設(shè)計(jì)工況詳見圖19。

由圖18可知，當(dāng)頂棚溫度下降1℃時(shí)，雖然頂部溫度有所下降，但是人員活動區(qū)溫度不及設(shè)計(jì)工況下穩(wěn)定，且溫度太低，易結(jié)露，也不節(jié)能。

圖18 頂棚溫度為20℃時(shí)溫度場

圖19 頂棚溫度為21℃時(shí)溫度場（設(shè)計(jì)工況）

圖20 頂棚溫度為22℃時(shí)溫度場

圖21 頂棚溫度為23℃時(shí)溫度場

由圖20和圖21可知，當(dāng)頂棚溫度上升1℃時(shí)，溫度分層現(xiàn)象明顯加重，人員活動區(qū)溫度雖不及設(shè)計(jì)工況下舒適，但也在可接受范圍內(nèi)。當(dāng)頂棚溫度上升2℃時(shí)，會有明顯的“頭熱腳涼”感覺，室內(nèi)舒適度較差。

5.2 改變送風(fēng)風(fēng)速

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)送風(fēng)風(fēng)速為0.22m/s，設(shè)計(jì)工況詳見圖22。置換通風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速一般為0.2m/s～0.5 m/s，因此本文分別對0.3 m/s和0.4m/s的工況進(jìn)行分析。

圖22 送風(fēng)風(fēng)速為0.22m/s時(shí)溫度場（設(shè)計(jì)工況）

圖23 送風(fēng)風(fēng)速為0.3m/s時(shí)溫度場

圖24 送風(fēng)風(fēng)速為0.4m/s時(shí)溫度場

由圖22～圖24可知，由于本項(xiàng)目送風(fēng)口位置靠近外窗，風(fēng)速越大，外窗處的熱空氣越快向上移動，對室內(nèi)的溫度影響越小，室內(nèi)溫度越低。同時(shí)整體溫度分層的界限也會越高，則下部區(qū)域舒適度更高。但風(fēng)速越大，靠近送風(fēng)口位置的吹風(fēng)感越強(qiáng)，噪聲也越大，舒適度降低。

5.3 室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化

本項(xiàng)目天棚管溫度和送風(fēng)風(fēng)速均設(shè)計(jì)合理，室內(nèi)溫度滿足舒適度要求，但是每個(gè)房間的舒適度略有差異，南向臥室人員活動區(qū)域的垂直溫差在2℃～3℃左右，其它房間的垂直溫差均在1.5℃左右，因此南向臥室的室內(nèi)溫度場可優(yōu)化。

圖25 1.7m高度處溫度場（設(shè)計(jì)工況）

考慮到增大送風(fēng)風(fēng)速，可減弱外窗的傳熱影響，同時(shí)升高溫度分層界限，因此將南向主臥送風(fēng)風(fēng)速調(diào)整為0.3m/s，其它房間風(fēng)速不變，如圖25和圖26所示，1.7m高度處南向主臥的溫度明顯降低，人員活動區(qū)垂直溫差也降至1.5℃左右，室內(nèi)舒適度改善明顯。

6 結(jié)論

通過對合肥市“當(dāng)代花園”住宅小區(qū)項(xiàng)目天棚輻射+置換通風(fēng)系統(tǒng)的室內(nèi)應(yīng)用效果進(jìn)行實(shí)測和模擬分析后，得出以下結(jié)論：

①天棚輻射+置換通風(fēng)系統(tǒng)在住宅項(xiàng)目中應(yīng)用效果良好，整個(gè)立面上（0.1m～2.9m）垂直溫差有4℃左右，人員活動區(qū)（0.1m～1.8m）垂直溫差只有1.5℃左右，沒有明顯的“頭熱腳涼”的感覺；

②天棚管供回水水溫為18/21℃時(shí)，較為合理，若考慮節(jié)能因素，供回水水溫最多只能再提升1℃，超過1℃，室內(nèi)舒適度將大幅度降低；

圖26 1.7m高度處溫度場（優(yōu)化后）

③設(shè)計(jì)送風(fēng)風(fēng)速在0.2m/s～0.3m/s時(shí)，較為合理，若風(fēng)速再增大，吹風(fēng)感明顯；

④考慮到住宅戶型朝向的差異，南向有陽臺的客廳、西向和北向的房間舒適度較好，南向有外窗的臥室舒適度相對較差，建議適當(dāng)增加南向臥室的送風(fēng)風(fēng)速，以提高室內(nèi)舒適度。