不同冷輻射表面位置對內(nèi)嵌管式圍護結(jié)構(gòu)供冷房間負(fù)荷的影響

陳尚斐 隋學(xué)敏

不同冷輻射表面位置對內(nèi)嵌管式圍護結(jié)構(gòu)供冷房間負(fù)荷的影響

陳尚斐 隋學(xué)敏

（長安大學(xué)建工學(xué)院 西安 710061）

采用Energyplus軟件搭建了西安地區(qū)典型住宅建筑的內(nèi)嵌管式地板、頂板、墻面輻射供冷模型，對比研究了在相同的埋管參數(shù)與室內(nèi)操作溫度條件下，輻射系統(tǒng)連續(xù)運行時冷輻射板位于三種不同位置的房間冷負(fù)荷差異。模擬結(jié)果表明，地板供冷的表面峰值冷負(fù)荷高出墻面供冷16.01%，墻面供冷的水側(cè)峰值冷負(fù)荷高出地板供冷7.92%。

內(nèi)嵌管式圍護結(jié)構(gòu)；冷輻射表面位置；冷負(fù)荷；仿真模擬；影響規(guī)律

0 引言

內(nèi)嵌管式圍護結(jié)構(gòu)輻射供冷系統(tǒng)是在地板、頂板或墻體等建筑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部嵌入通有冷凍水的水管，從而在混凝土建筑構(gòu)件內(nèi)部形成冷量的存儲與傳遞，使得圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面降溫，通過圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與室內(nèi)環(huán)境的輻射與對流換熱，實現(xiàn)對建筑室內(nèi)熱環(huán)境的控制。該系統(tǒng)由于舒適性高、節(jié)能性好的優(yōu)點，近年來受到廣泛關(guān)注[1]。

空調(diào)負(fù)荷計算是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備選型的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性對系統(tǒng)的初投資及節(jié)能性影響較大?？照{(diào)系統(tǒng)按照去除室內(nèi)熱量的方式不同，可分為輻射式空調(diào)系統(tǒng)和對流式空調(diào)系統(tǒng)，兩種不同空調(diào)末端的房間冷負(fù)荷形成機理存在差異[2]。對流式空調(diào)中，系統(tǒng)通過對流換熱的方式來消除房間內(nèi)的得熱，輻射得熱部分進入室內(nèi)后并不能直接進入空氣中，而是通過輻射換熱的方式傳遞到各圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和家具的內(nèi)表面，提高這些表面的溫度后，再通過對流換熱方式逐步釋放到空氣中，形成冷負(fù)荷；而在輻射空調(diào)系統(tǒng)中，對流換熱和輻射換熱都存在，由于冷輻射表面可將一部分輻射得熱直接轉(zhuǎn)化為冷負(fù)荷，有別于對流式空調(diào)房間輻射得熱到冷負(fù)荷的轉(zhuǎn)化過程，從根本上改變了輻射空調(diào)房間冷負(fù)荷形成過程，導(dǎo)致這兩種系統(tǒng)下的空調(diào)房間冷負(fù)荷形成機理存在差異，從而針對這兩種不同空調(diào)房間的冷負(fù)荷計算方法也有所不同。

輻射空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)輻射表面位置的不同分為地板供冷、頂板供冷和墻面供冷三種輻射供冷系統(tǒng)，冷輻射板位于不同的位置會影響房間熱過程，從而進一步地影響房間負(fù)荷特性。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究多是關(guān)于這三種不同冷輻射方式下的室內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適情況的對比研究[3-5]，有關(guān)三者在冷負(fù)荷方面的對比研究尚未見相關(guān)報道。本文采用建筑能耗模擬軟件Energyplus搭建了內(nèi)嵌管式輻射供冷系統(tǒng)模型，基于熱平衡法模擬計算，分析不同冷輻射表面位置對內(nèi)嵌管式輻射供冷房間冷負(fù)荷的影響，為內(nèi)嵌管式輻射供冷系統(tǒng)的負(fù)荷計算及優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 建筑模型

1.1 模型建立

圖1 建筑模型示意圖

本文選取西安市某典型住宅建筑的主臥室作為建筑模型，房間長3.4m，寬3.9m，高2.75m，南面和北面墻體為外墻，南墻上有一尺寸為1.5m×1.8m的外窗，窗墻比為0.28，東面、西面墻體均為內(nèi)墻，其相鄰房間均為空調(diào)房間，室內(nèi)熱環(huán)境與本房間相同，建筑模型如圖1所示。

Energyplus設(shè)定建筑圍護結(jié)構(gòu)由一層層材料組成，首先建立建筑材料（Material），再通過引用材料來構(gòu)建圍護結(jié)構(gòu)（Construction)，建筑圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式及熱工參數(shù)依據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（JGJ 26-2010）》[6]要求設(shè)置，圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表1所示，窗戶的熱工性能參數(shù)如表2所示。

表1 圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

表2 窗戶熱工性能參數(shù)

1.2 氣象參數(shù)設(shè)定

模擬采用Energyplus官方網(wǎng)站提供的中國標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)（CSWD）作為室外氣象輸入，西安地區(qū)夏季空調(diào)室外計算干球溫度35.1℃，濕球溫度25.8℃；冬季空調(diào)室外計算溫度-5.6℃。選取夏季典型設(shè)計日（Summer Design Day）作為分析對象，通過從軟件自帶的氣象數(shù)據(jù)庫里選用“Xian Ann Clg .4% Condns DB=>MWB”作為夏季典型設(shè)計日進行夏季冷負(fù)荷計算。夏季典型設(shè)計日室外干球溫度如圖2所示，太陽輻射強度如圖3所示。

圖3 夏季典型設(shè)計日室外太陽輻射強度變化規(guī)律

1.3 室內(nèi)內(nèi)擾及埋管參數(shù)設(shè)定

室內(nèi)熱源主要包括人員、燈光及設(shè)備，本文模擬設(shè)定臥室人員為2人，燈光負(fù)荷為5W/m2，設(shè)備負(fù)荷為8W/m2。人員在臥室內(nèi)的時間為晚上10點至次日上午7點，燈具和電器設(shè)備的開啟時間均為晚上10點至11點。

混凝土結(jié)構(gòu)里的埋管參數(shù)影響內(nèi)嵌管式圍護結(jié)構(gòu)輻射供冷系統(tǒng)的供冷能力，在Energyplus中通過Construction:InternalSource來設(shè)置盤管間距和盤管位置。具體的埋管參數(shù)如表3所示。參數(shù)設(shè)置中由于住宅建筑主臥室的北外墻面積小于地板和頂板的面積，為了在不同的供冷面積條件下達到相同操作溫度范圍進一步對比冷負(fù)荷，墻面供冷系統(tǒng)的供水溫度取15℃，地板和頂板供冷系統(tǒng)的供水溫度取18℃。

表3 混凝土結(jié)構(gòu)層埋管參數(shù)

2 輻射供冷系統(tǒng)模型

EnergyPlus采用導(dǎo)熱傳遞函數(shù)法（Conduction Transfer Functions）計算墻體傳熱，用熱平衡法（Heat Balance Algorith）計算房間負(fù)荷[7]。低溫輻射供冷模塊有變流量和定流量兩種方式，變流量系統(tǒng)是保持供水溫度恒定，通過系統(tǒng)中水流量的變化來滿足負(fù)荷要求，而定流量變供水溫度系統(tǒng)則是通過循環(huán)水泵將供、回水混合后來調(diào)節(jié)高溫冷水的進口水溫和保持流量恒定，出口水溫隨室內(nèi)負(fù)荷變化，本模擬中選擇EnergyPlus中ZoneHVAC：LowTemperatureRadiant：ConstantFlow定流量模塊。

內(nèi)嵌管式圍護結(jié)構(gòu)輻射供冷系統(tǒng)，輻射板提供的冷量只能去除室內(nèi)的顯熱負(fù)荷，所以通常輔助通風(fēng)系統(tǒng)來去除室內(nèi)的潛熱負(fù)荷。本文為簡化模型，對濕負(fù)荷和通風(fēng)系統(tǒng)不進行分析，并假設(shè)所研究空調(diào)室內(nèi)保持正壓狀態(tài)，不考慮由空氣滲透作用所引起的室內(nèi)得熱得濕。

3 表面冷負(fù)荷和水側(cè)冷負(fù)荷定義

對流式空調(diào)中，冷負(fù)荷是為了維持建筑物室內(nèi)空氣的熱濕參數(shù)在某一范圍內(nèi)，在單位時間內(nèi)需從室內(nèi)除去的熱量。若忽略傳熱損失，水側(cè)去除的熱量與空調(diào)末端側(cè)去除的熱量相同，即空調(diào)末端側(cè)冷負(fù)荷與水側(cè)冷負(fù)荷相同。但這不適用于內(nèi)嵌管式圍護結(jié)構(gòu)輻射供冷系統(tǒng)[8]，由于內(nèi)嵌管式輻射供冷系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)相耦合，圍護結(jié)構(gòu)的較大蓄冷性能使得系統(tǒng)從冷輻射表面移除的熱量與通過水側(cè)循環(huán)回路移除的熱量不同，因此需要對輻射表面的傳熱過程和水側(cè)的傳熱過程分別分析。

3.1 輻射供冷表面的傳熱過程

輻射系統(tǒng)通過供冷表面移除房間顯熱，定義該冷卻速率作為表面供冷速率，冷表面移除的熱量包括對流和輻射兩部分，由下式計算：

式中，"、q分別為供冷表面的導(dǎo)熱量和對流傳熱量，W/m2；"、q分別為室內(nèi)各表面與供冷表面之間的長波輻射傳熱量和內(nèi)部負(fù)荷的長波輻射換熱量，W/m2；"sw-sol為表面吸收的太陽輻射量，W/m2；"為內(nèi)部負(fù)荷的輻射短波換熱量，W/m2。

3.2 水側(cè)的傳熱過程

輻射冷板與水側(cè)的熱交換，主要傳熱機制是導(dǎo)熱傳遞，水側(cè)供冷量是基于水環(huán)路能量平衡的除熱量，根據(jù)水側(cè)傳熱平衡，水側(cè)供冷量由下式計算：

式中，為水的質(zhì)量流量，kg/s；c為水的比熱容，J/kg·K；T、T分別為供水溫度和回水溫度，℃。

由于EnergyPlus負(fù)荷計算模塊會自動默認(rèn)為理想的空氣系統(tǒng)的冷負(fù)荷的定義，因此針對輻射供冷系統(tǒng)需要重新定義負(fù)荷：表面冷負(fù)荷=表面供冷量=表面除熱量；水側(cè)冷負(fù)荷=水側(cè)供冷量=水側(cè)除熱量，以此對輻射系統(tǒng)冷負(fù)荷進行分析。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 操作溫度

圖4 三種不同冷輻射表面位置的操作溫度一日變化規(guī)律

內(nèi)嵌管式輻射供冷系統(tǒng)的傳熱形式主要是輻射換熱，本文選用操作溫度作為控制溫度以更準(zhǔn)確地評價室內(nèi)人體熱舒適，其中操作溫度大小等于平均輻射溫度和室內(nèi)空氣溫度的平均值[9]。典型設(shè)計日三種不同冷輻射表面位置下的室內(nèi)操作溫度一日變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，在連續(xù)供冷條件下，三種不同位置下的操作溫度變化趨勢相同，均在舒適區(qū)23～26℃范圍內(nèi)波動，三者之間的操作溫度差異較小，認(rèn)為近似相同，從而進一步對比研究不同冷輻射表面位置下供冷房間的表面冷負(fù)荷和水側(cè)冷負(fù)荷差異。

4.2 表面冷負(fù)荷差異分析

圖5 三種不同冷輻射表面位置表面冷負(fù)荷一日變化規(guī)律

連續(xù)供冷條件下三種不同冷輻射表面位置下的表面冷負(fù)荷關(guān)系見圖5，由圖可見，三種冷輻射位置下的表面冷負(fù)荷變化規(guī)律基本一致，都隨著室內(nèi)得熱的變化而變化，在下午14:00左右達到峰值。在7:00之后，地板供冷的表面冷負(fù)荷迅速增長，并于下午14:00達到最大的表面峰值冷負(fù)荷，高出墻面供冷表面峰值冷負(fù)荷16.01%。這是因為當(dāng)太陽輻射通過窗戶進入到室內(nèi)地板表面時，輻射地板可以直接吸收部分短波輻射，通過盤管內(nèi)循環(huán)的冷卻水將這部分熱量消除，極大地增強了地板供冷能力，導(dǎo)致地板供冷的表面峰值冷負(fù)荷最大。

4.3 水側(cè)冷負(fù)荷差異分析

連續(xù)供冷條件下三種不同冷輻射表面位置下的水側(cè)冷負(fù)荷關(guān)系見圖6，由圖可見，三種冷輻射位置下的水側(cè)冷負(fù)荷與表面冷負(fù)荷變化趨勢基本一致。對于水側(cè)傳熱過程，冷水在盤管內(nèi)中循環(huán)以去除冷輻射表面吸收的熱量，發(fā)現(xiàn)墻面供冷的水側(cè)峰值冷負(fù)荷最大，高出地板供冷的水側(cè)峰值冷負(fù)荷7.92%。通常地板供冷的表面峰值冷負(fù)荷最大，反饋到水側(cè)向供冷構(gòu)件傳遞的冷量同樣是最大的，而本文研究的墻面供冷是將冷卻水管內(nèi)嵌在外墻體中，通入的循環(huán)冷凍水不僅可以除去冷輻射表面的熱量，還會除去通過外圍護結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱進來的部分熱量，因此墻面供冷工況下水側(cè)所需的冷量增大，達到最大的水側(cè)峰值冷負(fù)荷。

圖6 三種不同冷輻射表面位置的水側(cè)冷負(fù)荷一日變化規(guī)律

5 結(jié)論

本文搭建了內(nèi)嵌管式地板、頂板、墻面輻射供冷模型，通過模擬計算后，發(fā)現(xiàn)三種不同冷輻射表面位置輻射供冷系統(tǒng)中，地板供冷下的表面峰值冷負(fù)荷高于墻面供冷的16.01%，水側(cè)峰值冷負(fù)荷是墻面供冷略高于地板供冷，因為水管內(nèi)嵌在外墻體中，循環(huán)的冷卻水帶走室內(nèi)熱量的同時還除去了通過外圍護結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱進來的熱量，使得水側(cè)所需的冷量增大。

為方便研究，在模擬過程中對住宅建筑模型及內(nèi)擾參數(shù)的設(shè)定進行了簡化，這與實際工程存在誤差。輻射供冷系統(tǒng)的冷負(fù)荷不僅與冷輻射表面位置有關(guān)，還受運行方式、控制方式等的影響，在進一步的研究中有待完善，以更全面的對比分析位于三種不同冷輻射表面位置下的冷負(fù)荷差異。

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Influence of Different Radiant Surface Positions on Room Cooling Load with the Tubes-embedded Building Envelope

Chen Shangfei Sui Xuemin

( School of Civil Engineering, Chang'an University, Xi'an, 710061 )

For typical residential buildings, the models of the tubes-embedded radiant floor, radiant ceiling and radiant wall were established by using Energyplus software. At the same conditions of tubes-embedded parameters and indoor operative temperature, the difference of room cooling load in three different radiant surface locations during continuous operation was studied. The simulation results show that surface side peak cooling load of radiant floor is 16.01% higher than radiant wall, the hydronic side peak cooling load of radiant wall is 7.92% higher than radiant floor.

tubes-embedded building envelope; radiant surface position; cooling load; simulation; influence rule

TU83

A

1671-6612（2020）01-086-05

陜西省自然科學(xué)基金研究計劃－面上項目（2019JM-453）；2015年陜西省住房城鄉(xiāng)建設(shè)科技計劃項目（2015-K72）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助（300102288202）

陳尚斐（1994.4-），女，碩士研究生，E-mail：1830926196@163.com

隋學(xué)敏（1981.3-），女，博士，副教授，E-mail：suixuemin@163.com

2019-05-30