空氣載能輻射空調(diào)混合通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行研究

龔光彩 劉佳

摘? ?要：基于空氣載能輻射空調(diào)房間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)關(guān)閉門窗、非穩(wěn)態(tài)開門及非穩(wěn)態(tài)開窗3種工況的試驗(yàn)測(cè)量，分別建立3種工況的CFD（Computational Fluid Dynamics） 模型，研究穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工況下空氣載能輻射空調(diào)的熱舒適性和結(jié)露特性. 基于對(duì)非穩(wěn)態(tài)開門窗工況的熱力學(xué)分析，提出由溫度協(xié)同方程、含濕量協(xié)同方程、PMV （Predicted Mean Vote）協(xié)同方程和空調(diào)能耗協(xié)同方程表示的混合通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行模型. 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的CFD模型模擬結(jié)果顯示，空氣載能輻射空調(diào)在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工況下室內(nèi)人體頭部與腳踝平面的垂直溫差小于0.6 ℃，人體活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的空氣速度約為0.1 m/s，穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工況中輻射孔板下表面分別存在厚度約為12 cm和6～8 cm的具有良好防結(jié)露效果的低溫近壁邊界區(qū). 將空氣載能輻射空調(diào)開門窗工況試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于混合通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行模型，分析了空調(diào)送風(fēng)量和門窗開度對(duì)PMV和空調(diào)能耗的協(xié)同影響，提出了混合通風(fēng)協(xié)同評(píng)價(jià)系數(shù)，得到不同門窗開度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)空調(diào)送風(fēng)檔位設(shè)置建議.

關(guān)鍵詞：空氣載能;輻射空調(diào);CFD模擬;熱力學(xué)分析;混合通風(fēng);協(xié)同運(yùn)行模型

中圖分類號(hào)：TU831.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Experiments of three cases， such as steady operation， unsteady operation with opened door， and unsteady operation with opened window， were carried out in a residential room having air carrying energy radiant air-conditioning system. Three Computational Fluid Dynamics （CFD） models were established based on the experimental results to study the indoor thermal environment and condensation risk of these three cases. The synergistic operation model described by the temperature synergistic formula， relative humidity synergistic formula， PMV synergistic formula， and energy consumption synergistic formula was proposed based on the thermodynamic analysis. The verified CFD model shows that the vertical temperature gradient between the human head and ankle height is less than 0.6 ℃ and the air velocity in the occupied zone is about 0.1 m/s. There is a boundary zone with low condensation risk under the radiant orifice plate of both steady and unsteady cases for about 12 cm and 6～8 cm， respectively. The synergistic influence analysis of air supply and opening degree on PMV and energy consumption was conducted based on the unsteady experimental results. The synergistic evaluation index of mixing ventilation was presented， offering optimal advice on air supplying settings for different opening degrees of outside door and window.

Key words： air carrying energy;radiant air conditioning;CFD simulation;thermodynamic analysis;mixing ventilation;synergistic operation model

輻射空調(diào)因其優(yōu)越的熱舒適性和節(jié)能性而受到重視. 依據(jù)不同的冷（熱）媒載體，輻射空調(diào)可分為3類：液體載能輻射空調(diào)、空氣載能輻射空調(diào)和非流體載能輻射空調(diào)[1].空氣載能輻射空調(diào)是近年出現(xiàn)的新型輻射空調(diào)末端，已被示范應(yīng)用于湖南地區(qū)的居住建筑和辦公建筑. 龔光彩等[2-3]基于試驗(yàn)和

CFD模擬方法提出了針對(duì)空氣載能輻射空調(diào)系統(tǒng)的修正系數(shù)負(fù)荷計(jì)算方法，并分析了空氣載能輻射空調(diào)末端的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，提出了計(jì)算孔板輻射傳熱量的簡(jiǎn)化公式. 吳凡昊[4]通過(guò)在居住建筑和辦公建筑中的空氣載能輻射空調(diào)試驗(yàn)分析了該輻射末端的熱舒適性，指出相比對(duì)流型空調(diào)末端，空氣載能輻射空調(diào)在夏季和冬季的節(jié)能率分別為24.0%和26.4%. 徐春雯等[5]基于數(shù)值分析方法研究了空氣載能輻射板結(jié)露特性的影響因子，指出空氣載能輻射空調(diào)的防結(jié)露特性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)輻射空調(diào)末端. 前期關(guān)于空氣載能輻射空調(diào)的研究大部分是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的參數(shù)研究，而在沒(méi)有設(shè)置機(jī)械新風(fēng)的建筑中，居民經(jīng)常打開外門窗以滿足個(gè)體的新風(fēng)需求，因此需進(jìn)一步研究空氣載能輻射空調(diào)房間非穩(wěn)態(tài)開門窗的運(yùn)行性能.

有學(xué)者使用不同的研究方法分析建筑開門窗時(shí)空調(diào)室內(nèi)運(yùn)行性能，例如Sorgato等[6]利用EnergyPlus軟件模擬分析了空調(diào)房間開窗工況的能耗. Wang 等[7]提出了預(yù)測(cè)建筑單開口自然通風(fēng)量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? Caciolo等[8]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量研究了單開口自然通風(fēng)的室內(nèi)流場(chǎng)分布和換氣次數(shù). 但是很少有學(xué)者從熱力學(xué)的角度分析建筑受到空調(diào)機(jī)械通風(fēng)和開門窗自然通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行影響時(shí)室內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù)變化.

本文在空氣載能輻射空調(diào)房間內(nèi)開展穩(wěn)態(tài)關(guān)閉門窗和非穩(wěn)態(tài)開門窗的試驗(yàn)，以試驗(yàn)結(jié)果為計(jì)算邊界和驗(yàn)證條件進(jìn)行CFD模擬，研究在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工況下室內(nèi)的熱舒適性和結(jié)露特性. 基于對(duì)空氣載能輻射空調(diào)房間非穩(wěn)態(tài)開門窗工況的熱力學(xué)分析，提出由溫度協(xié)同方程、含濕量協(xié)同方程、PMV協(xié)同方程和空調(diào)能耗協(xié)同方程表示的混合通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行模型. 將非穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于協(xié)同運(yùn)行模型，提出不同門窗開度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)空調(diào)送風(fēng)檔位設(shè)置建議. 本文提出的混合通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行模型為建筑混合通風(fēng)的研究提供了新思路.

1? ?研究對(duì)象

空氣載能輻射空調(diào)末端的原理如圖1所示. 房間被孔隙率約為6.38%的孔板分為上部緩沖蓄能區(qū)和下部空調(diào)區(qū). 來(lái)自空調(diào)機(jī)的載能空氣通過(guò)緩沖蓄能區(qū)的送風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)，大部分載能空氣在緩沖蓄能區(qū)內(nèi)循環(huán)對(duì)流將能量傳遞給輻射孔板后回到緩沖蓄能區(qū)的回風(fēng)口，輻射孔板將能量輻射傳遞至空調(diào)區(qū);小部分載能空氣通過(guò)孔板微孔進(jìn)入空調(diào)區(qū)，與空調(diào)區(qū)空氣混合后回到空調(diào)區(qū)的回風(fēng)口. 夏季在空氣載能輻射空調(diào)房間，通過(guò)孔口進(jìn)入空調(diào)區(qū)的冷空氣在孔板下表面形成低溫低濕的邊界區(qū)，隔絕室內(nèi)高溫高濕空氣與冷輻射孔板的直接接觸，達(dá)到防止結(jié)露的目的. 本文在3.1.2節(jié)通過(guò)CFD模擬研究了該具有防結(jié)露效果的低溫近壁邊界區(qū)的厚度.

2? ?研究方法

2.1? ?試驗(yàn)

2.1.1? ?試驗(yàn)方案

試驗(yàn)于2016年7—8月在湖南大學(xué)校內(nèi)某公寓開展，試驗(yàn)房間尺寸為4.6 m×3.4 m×2.5 m（長(zhǎng)×寬× 高）. 房間北側(cè)有一尺寸為0.8 m×2 m（長(zhǎng)×寬）的內(nèi)門，房間南側(cè)有一玻璃外門和一玻璃外窗，尺寸分別為0.8 m×2.2 m和0.5 m×1.3 m. 緩沖蓄能區(qū)厚度為0.3 m，四周和上部安裝有0.02 m厚的聚苯乙烯板. 送風(fēng)管上有10個(gè)直徑為0.09 m的風(fēng)口，緩沖蓄能區(qū)和空調(diào)區(qū)的回風(fēng)口直徑均為0.28 m，試驗(yàn)房間北側(cè)和東側(cè)鄰室為空調(diào)房間. 試驗(yàn)分為3組進(jìn)行，分別測(cè)量空調(diào)設(shè)定溫度為22 ℃時(shí)穩(wěn)態(tài)關(guān)閉門窗、非穩(wěn)態(tài)開門、非穩(wěn)態(tài)開窗3種工況實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)在8：00—20：00的逐時(shí)變化. 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)均勻布置4條測(cè)量線，在測(cè)量線上0.1 m、0.8 m、1.5 m、2.0 m、2.4 m及2.5 m的高度上布置PT100熱電偶溫度探頭（精度為±0.15 ℃），在墻壁、玻璃外門和玻璃外窗上也分別布置熱電偶. 熱電偶在試驗(yàn)前用冰水混合物進(jìn)行校正并在試驗(yàn)時(shí)使用凡士林貼上錫箔紙進(jìn)行輻射隔離，通過(guò)連接EN880無(wú)紙記錄儀實(shí)時(shí)記錄熱電偶溫度. 使用ZDR.20型溫濕度自記儀（溫度精度為±0.2 ℃，相對(duì)濕度精度為±3%）記錄送回風(fēng)口和室內(nèi)外1.5 m高度的溫濕度. 使用TES-1340型熱線風(fēng)速儀（精度為±1%）測(cè)量送回風(fēng)口和室內(nèi)外空氣流速. 當(dāng)進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)開門試驗(yàn)時(shí)，在開口截面0 m、0.5 m、1.1 m、1.5 m、1.8 m及2.2 m的高度測(cè)量溫濕度和風(fēng)速，門開度為45°;當(dāng)進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)開窗試驗(yàn)時(shí)，在開口截面0 m、0.3 m、0.6 m、1.0 m及1.3 m的高度測(cè)量溫濕度和風(fēng)速，窗開度為45°. 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)沒(méi)有放置熱濕源，試驗(yàn)過(guò)程中室內(nèi)幾乎沒(méi)有人員出入以避免由于人員活動(dòng)引起的試驗(yàn)誤差.

2.1.2? ?試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為CFD模擬提供計(jì)算邊界和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，也是熱力學(xué)分析的條件. 通過(guò)負(fù)荷計(jì)算知，3種試驗(yàn)工況的最大負(fù)荷時(shí)刻均為16：00，表1所示為該時(shí)刻的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果.

2.2? ?CFD模擬

圖2所示為簡(jiǎn)化的物理模型，X軸正方向指向北向. 采用Gambit軟件建立CFD模型劃分網(wǎng)格，建模時(shí)空氣載能輻射孔板的孔徑被簡(jiǎn)化為0.02 m，圓形風(fēng)口簡(jiǎn)化為具有相同面積的矩形風(fēng)口. 網(wǎng)格劃分時(shí)將高度為2.2 m的平面設(shè)置為interface邊界，在interface上有孔板和高度在2.2 m至頂板之間的空間2個(gè)實(shí)體用Hex/Wedge進(jìn)行網(wǎng)格劃分，另一個(gè)從地面至2.2 m之間的實(shí)體用Hex進(jìn)行網(wǎng)格劃分. 通過(guò)比較網(wǎng)格數(shù)量分別為1 158 032、3 084 880和

5 209 068三種疏密程度不同的模型計(jì)算結(jié)果后，發(fā)現(xiàn)數(shù)量為3 084 880的網(wǎng)格劃分方案最優(yōu). 空調(diào)送風(fēng)口設(shè)置為速度入口，回風(fēng)口設(shè)置為自由出流，外圍

護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為溫度邊界，鄰室為空調(diào)房間的內(nèi)墻和內(nèi)門設(shè)置為絕熱條件. 采用RNG k-ε模型[9]，輻射模型采用DO輻射模型[10]，豎向加速度設(shè)置為-9.8 m/s2. 穩(wěn)態(tài)CFD模型采用SIMPLE壓力速度耦合算法，非穩(wěn)態(tài)CFD模型中采用PISO數(shù)值算法. 為了加快計(jì)算收斂速度，計(jì)算非穩(wěn)態(tài)工況時(shí)首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，收斂后再設(shè)置開門窗邊界繼續(xù)非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.02 s. 殘差設(shè)置為u、v、w、k、ε、H2O小于10-3，energy和do-intensity小于10-6.

2.3? ?混合通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行模型

混合通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行是指空調(diào)機(jī)械通風(fēng)和開門窗自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的綜合作用. 假設(shè)房間開孔（門窗）前室內(nèi)的溫度為t0，含濕量為d0，焓為h0，經(jīng)過(guò)時(shí)間τ的開孔和開空調(diào)后變?yōu)閠1、d1、h1;室外參數(shù)為t2、d2、h2;空調(diào)送風(fēng)參數(shù)為送風(fēng)量G、ts、hs;開孔通風(fēng)量Ven. 假定τ時(shí)間段內(nèi)開孔開度不變，室內(nèi)不發(fā)生結(jié)露[11]，空調(diào)送風(fēng)溫度變化不大[12].

2.3.1? ?溫度協(xié)同方程

根據(jù)房間開口系統(tǒng)界面的能量守恒有：

2.3.3? ?PMV協(xié)同方程

基于Fanger教授提出的PMV計(jì)算式，設(shè)定人體代謝率為1 met，人體機(jī)械功為0 W/m2，服裝熱阻為0.5 clo，服裝表面積系數(shù)為1.15，平均輻射溫度視為與室內(nèi)空氣溫度相同[14]，對(duì)流換熱系數(shù)為2.62 W/（m2·K），衣服外表面溫度擬合為室內(nèi)空氣溫度的表達(dá)式tcl = 0.378t1+21.122，人體表面輻射換熱擬合為室內(nèi)空氣溫度的表達(dá)式R= -2.897 5t1+100.05. 則PMV表示為：

式中室內(nèi)空氣溫度對(duì)PMV的偏相關(guān)系數(shù)為0.314 3，與文獻(xiàn)[15]結(jié)論相近.

2.3.4? ?空調(diào)能耗協(xié)同方程

實(shí)驗(yàn)室的家用空調(diào)沒(méi)有機(jī)械新風(fēng)系統(tǒng)，空調(diào)能耗可表示為進(jìn)出空調(diào)的空氣焓差：

通過(guò)上述熱力學(xué)分析知室內(nèi)溫度、含濕量、PMV和空調(diào)能耗可表示為混合通風(fēng)操作參數(shù)和研究對(duì)象參數(shù)的動(dòng)態(tài)協(xié)同方程.

3? ?研究結(jié)果

3.1? ?CFD模擬結(jié)果

3.1.1? ?空氣載能輻射空調(diào)室內(nèi)熱舒適

CFD模擬計(jì)算了穩(wěn)態(tài)關(guān)閉門窗、非穩(wěn)態(tài)開門及非穩(wěn)態(tài)開窗3種工況，非穩(wěn)態(tài)開門窗的計(jì)算是從穩(wěn)態(tài)到非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，在此分析開門過(guò)程室內(nèi)的熱舒適性. 圖3所示為開門過(guò)程中6個(gè)典型時(shí)刻的橫截面平均溫度分布. 夏季室外高溫空氣從外門上部進(jìn)入房間，室內(nèi)上部空氣溫度變化相比下部空氣更快. 開門后1 min時(shí)室內(nèi)溫度變化十分劇烈，之后每分鐘的室內(nèi)溫度變化逐漸減小. 開門過(guò)程中室內(nèi)人體頭部高度1.1 m與腳踝高度0.1 m平面的垂直溫差均小于0.6 ℃，小于ISO7730標(biāo)準(zhǔn)中溫度限值3 ℃[16].

圖4表示開門過(guò)程外門截面的溫度變化過(guò)程. 開門前室內(nèi)人體活動(dòng)區(qū)的空氣垂直溫差較小，人體頭部與腳踝高度平面的垂直溫差約為0.15 ℃. 開門10 s后室外熱空氣從門上部進(jìn)入室內(nèi)使上部空氣溫度升高，人體頭部與腳踝平面的溫差約為0.21 ℃. 開門1 min后室內(nèi)溫度變化較劇烈，在豎直方向上呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，人體頭部與腳踝平面的溫差約為0.29 ℃. 開門2 min后室內(nèi)溫度繼續(xù)升高，人體頭部與腳踝平面的溫差約為0.37 ℃. 開門3 min后室內(nèi)空氣溫度持續(xù)升高，人體頭部與腳踝平面的垂直溫差約為0.45 ℃. 開門5 min后室內(nèi)空氣溫度分布基本穩(wěn)定，人體頭部與腳踝平面的垂直溫差約為0.54 ℃.

開門過(guò)程室內(nèi)風(fēng)速分布相似，圖5所示為開門5 min的速度云圖. 室外高溫空氣通過(guò)外門上部進(jìn)入室內(nèi)，室內(nèi)低溫空氣通過(guò)外門下部流出房間，靠近孔板的高溫氣流和靠近地面的低溫氣流速度較高約為0.3 m/s. 人體活動(dòng)區(qū)域的空氣速度較小約為0.1 m/s，小于規(guī)范規(guī)定的速度限值0.3 m/s[16].

3.1.2? ?空氣載能輻射空調(diào)結(jié)露分析

穩(wěn)態(tài)關(guān)閉門窗時(shí)孔板下各橫截面的最低溫度分布如圖6所示. 當(dāng)靠近孔板下表面的空氣露點(diǎn)溫度接近于孔板最低溫度時(shí)，孔板將產(chǎn)生結(jié)露，距孔板下表面0.005 m平面的最低溫度和最大相對(duì)濕度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度與孔板下表面最低溫度的差值為6.03 ℃，說(shuō)明穩(wěn)態(tài)工況輻射孔板沒(méi)有結(jié)露風(fēng)險(xiǎn).

孔板下表面最低溫度為16.51 ℃，高度2.38～2.5 m之間的橫截面最低溫度均小于16.51 ℃，橫截面2.38 m最低溫度為16.51 ℃，由此推論在孔板下表面存在厚度約為12 cm的具有良好防結(jié)露效果的低溫近壁邊界區(qū)，以隔絕室內(nèi)高溫高濕空氣與冷輻射孔板的直接接觸.

非穩(wěn)態(tài)開門過(guò)程室內(nèi)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定后孔板的最低溫度為16.538 ℃，最大相對(duì)濕度為75%，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象. 距孔板0.005 m平面的最低溫度和最大相對(duì)濕度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度為10.383 ℃，與孔板最低溫度的溫差為6.155 ℃，孔板下表面存在厚度約為6～8 cm的具有良好防結(jié)露效果的低溫近壁邊界區(qū). 同理分析非穩(wěn)態(tài)開窗工況，得到孔板下表面的低溫近壁邊界區(qū)厚度約為6～8 cm.

3.1.3? ?CFD模型驗(yàn)證

圖7比較了穩(wěn)態(tài)關(guān)閉門窗工況下由試驗(yàn)測(cè)量和CFD模擬得到的室內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度，均顯示空氣載能

輻射空調(diào)室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域的垂直溫度梯度很小，室內(nèi)4條測(cè)量線的溫度模擬值與試驗(yàn)值變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明CFD模型具有較好的準(zhǔn)確性[17]. 模擬值與試驗(yàn)值之間的最大誤差為1.78 ℃，與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差約為7.7%. 由于空氣載能輻射空調(diào)是近年提出的新型輻射空調(diào)末端，具有相對(duì)復(fù)雜的孔板結(jié)構(gòu)，考慮目前計(jì)算機(jī)的性能限制，在進(jìn)行CFD模擬時(shí)需對(duì)輻射孔板進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，這是導(dǎo)致模擬值與試驗(yàn)值存在誤差的主要原因，如圖7所示的誤差是可以接受的[2，18].

3.2? ?混合通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行模型應(yīng)用

3.2.1? ?混合通風(fēng)協(xié)同影響分析

將空氣載能輻射空調(diào)非穩(wěn)態(tài)開門窗工況應(yīng)用于混合通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行模型，分析機(jī)械通風(fēng)操作參數(shù)空調(diào)送風(fēng)量和自然通風(fēng)操作參數(shù)開孔開度對(duì)PMV和空調(diào)能耗的協(xié)同影響. 設(shè)定室外參數(shù)為t2=35 ℃，φ2=60%，d2=0.021 53 kg/kg;室內(nèi)開孔前的參數(shù)為t0=26 ℃，φ0=65%，d0=0.013 77 kg/kg;空調(diào)送風(fēng)參數(shù)為ts=12 ℃，φs=90%，ds=0.007 878 kg/kg. 代入?yún)f(xié)同方程得到開孔5 min后室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)計(jì)算式為：

計(jì)算設(shè)定條件下的阿基米德數(shù)為0.59，開門自然通風(fēng)量使用風(fēng)壓和熱壓共同作用下的自然通風(fēng)量計(jì)算公式[19-20]，代入試驗(yàn)參數(shù)得開門通風(fēng)量在門開度為10°～90°之間時(shí)可擬合為門開度的線性表達(dá)式：Ven - door = 0.007 8θ + 0.036 3. 開窗通風(fēng)量在窗開度為10°～90°時(shí)可擬合為窗開度的線性表達(dá)式為：Ven - Win = 0.002 8θ + 0.010 8.

圖8表示空調(diào)送風(fēng)量和門開度對(duì)PMV的協(xié)同影響. 當(dāng)空調(diào)設(shè)置低檔送風(fēng)，門開度大于10°時(shí)，PMV>0.5;當(dāng)空調(diào)設(shè)置中檔送風(fēng)，門開度為10°～20°時(shí)，PMV滿足熱舒適范圍[-0.5，0.5];當(dāng)設(shè)置高檔送風(fēng)，門開度小于20°時(shí)，空調(diào)可能停機(jī)，當(dāng)門開度在20°～30°之間，熱舒適指標(biāo)在推薦范圍內(nèi)，當(dāng)門開度大于30°時(shí)，空調(diào)難以承擔(dān)所有室內(nèi)負(fù)荷，室內(nèi)將產(chǎn)生明顯的熱不舒適感. 對(duì)于開窗工況，當(dāng)空調(diào)設(shè)置低檔送風(fēng)，窗開度在20°～40°之間時(shí)，PMV在舒適范圍內(nèi);當(dāng)空調(diào)設(shè)置中檔送風(fēng)，窗開度在40～60°之間時(shí)，PMV在舒適范圍內(nèi);當(dāng)空調(diào)設(shè)置高檔送風(fēng)，窗開度在60°～90°之間時(shí)，PMV在舒適范圍內(nèi).圖9所示為空調(diào)送風(fēng)量和門開度對(duì)空調(diào)能耗的協(xié)同影響. 當(dāng)門開度為10°時(shí)，送風(fēng)檔位的變換對(duì)空調(diào)能耗的影響較小，由低檔位變換為高檔位時(shí)，空調(diào)能耗約增加0.88 kJ. 隨著門開度的增加，檔位變換對(duì)能耗影響逐漸顯著，當(dāng)門開度為90°時(shí)，由低檔位變換為高檔位時(shí)，空調(diào)能耗約增加5.9 kJ.

3.2.2? ?混合通風(fēng)協(xié)同評(píng)價(jià)系數(shù)

對(duì)于開門窗的空調(diào)房間，當(dāng)開度增加時(shí)，PMV增加，空調(diào)能耗增加;當(dāng)空調(diào)送風(fēng)檔位調(diào)高時(shí)，PMV降低，空調(diào)能耗增加. 本文提出協(xié)同評(píng)價(jià)系數(shù)η，基于室內(nèi)PMV和空調(diào)能耗評(píng)價(jià)不同空調(diào)送風(fēng)量和門開度組合的最優(yōu)化.當(dāng)PVM越小，空調(diào)能耗Ec越小時(shí)，協(xié)同評(píng)價(jià)系數(shù)η越小，即室內(nèi)獲得同等熱舒適性時(shí)所需的空調(diào)能耗越低，對(duì)應(yīng)的混合通風(fēng)操作參數(shù)組合越優(yōu). 圖10所示為不同空調(diào)送風(fēng)量和門開度的協(xié)同評(píng)價(jià)系數(shù)分布. 當(dāng)門開度為10°～20°時(shí)，空調(diào)以中檔送風(fēng)量運(yùn)行時(shí)的協(xié)同評(píng)價(jià)系數(shù)最小，滿足室內(nèi)熱舒適性的情況下空調(diào)能耗最低;當(dāng)門開度為20°～60°時(shí)，空調(diào)以高檔送風(fēng)量運(yùn)行時(shí)的協(xié)同評(píng)價(jià)系數(shù)最小，結(jié)合室內(nèi)熱舒適指標(biāo)范圍，空調(diào)以高檔送風(fēng)時(shí)，門開度應(yīng)在20°～30°之間;而當(dāng)門開度大于30°時(shí)，空調(diào)難以承擔(dān)所有的負(fù)荷，室內(nèi)將產(chǎn)生明顯的熱不舒適感.圖11顯示，當(dāng)空氣載能輻射空調(diào)室內(nèi)窗開度為10°～40°時(shí)，空調(diào)應(yīng)設(shè)置低檔送風(fēng);當(dāng)窗開度為40°～60°時(shí)，空調(diào)應(yīng)設(shè)置中檔送風(fēng);當(dāng)窗開度為60°～90°時(shí)，空調(diào)應(yīng)設(shè)置高檔送風(fēng).本文針對(duì)門窗開度和空調(diào)送風(fēng)檔位設(shè)置的建議適用于設(shè)定計(jì)算條件，以此為例說(shuō)明混合通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行模型可為建筑空調(diào)和門窗控制管理提供指導(dǎo).

4? ?結(jié)? ?論

本文基于試驗(yàn)和CFD模擬研究了空氣載能輻射空調(diào)房間在穩(wěn)態(tài)關(guān)閉門窗和非穩(wěn)態(tài)開門窗工況下運(yùn)行的熱舒適性和結(jié)露特性，基于熱力學(xué)方法提出了混合通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行模型，得出以下結(jié)論：

1）空氣載能輻射空調(diào)在穩(wěn)態(tài)關(guān)閉門窗和非穩(wěn)態(tài)開門窗工況下室內(nèi)人體頭部高度1.1 m與腳踝高度0.1 m平面的垂直溫差小于0.6 ℃，小于標(biāo)準(zhǔn)限值3 ℃. 人體活動(dòng)區(qū)域的空氣速度很小約為0.1 m/s，小于標(biāo)準(zhǔn)限值0.3 m/s.

2）穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工況下，空氣載能輻射空調(diào)孔板下表面分別存在厚度約為12 cm和6～8 cm的具有良好防結(jié)露效果的低溫近壁邊界區(qū). 空氣載能輻射空調(diào)在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工況下的熱舒適性和防結(jié)露特性均很好，可以應(yīng)用于夏熱冬冷地區(qū).

3）當(dāng)空調(diào)運(yùn)行與開門窗習(xí)慣結(jié)合控制管理時(shí)，獲得同等舒適的熱環(huán)境時(shí)空調(diào)能耗降低. 在空氣載能輻射空調(diào)設(shè)定計(jì)算條件下，當(dāng)外窗開度為10°～40°時(shí)，空調(diào)應(yīng)設(shè)置低檔位送風(fēng);當(dāng)外窗開度為40°～60°或外門開度為10°～20°時(shí)，空調(diào)應(yīng)設(shè)置中檔位送風(fēng);當(dāng)外窗開度為60°～90°或外門開度為20°～30°時(shí)，空調(diào)應(yīng)設(shè)置高檔位送風(fēng);當(dāng)門開度常大于30°時(shí)，室內(nèi)將產(chǎn)生明顯的熱不舒適感.

4）本文提出的由溫度協(xié)同方程、含濕量協(xié)同方程、PMV協(xié)同方程、空調(diào)能耗協(xié)同方程表示的混合通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行模型，以及混合通風(fēng)協(xié)同評(píng)價(jià)系數(shù)，為空調(diào)機(jī)械通風(fēng)和開門窗自然通風(fēng)協(xié)同運(yùn)行的建筑研究提供了新思路和方法.

參考文獻(xiàn)

[1]? ?王晨光，馬小飛，言樹清，等.輻射空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展研究現(xiàn)狀綜述[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2014，33（5）：47—50.

WANG C G，MA X F，YAN S Q，et al. Overview on development and research on radiant air conditioning system [J]. Building Energy and Environment，2014，33（5）：47—50. （In Chinese）

[2]? ?GONG G C，LIU J，MEI X. Investigation of heat load calculation for air carrying energy radiant air-conditioning system [J]. Energy and Buildings，2017，138：193—205.

[3]? ?龔光彩，楊厚偉，蘇歡，等.空氣載能輻射空調(diào)末端系統(tǒng)輻射傳熱簡(jiǎn)化算法研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，40（12）：31—38.

GONG G C，YANG H W，SU H，et al. The research on simplified algorithm of radiative heat transfer for air carry energy radiant air conditioning terminal system [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2013，40（12）：31—38. （In Chinese）

[4]? ?吳凡昊.空氣載能輻射末端應(yīng)用試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，2015：15—27.

WU F H. Experimental research for application based on radiation terminal of air carrying and storing energy [D]. Changsha： College of Civil Engineering，Hunan University，2015： 15—27. （In Chinese）

[5]? ?徐春雯，龔光彩，楊厚偉，等.空氣載能輻射空調(diào)系統(tǒng)孔板結(jié)露特性數(shù)值研究[J].建筑科學(xué)，2014，30（8）：79—84.

XU C W，GONG G C，YANG H W，et al. Numerical study of moisture condensation on pore panels of air-carrying energy radiation air-conditioning system [J]. Building Science，2014;30（8）：79—84. （In Chinese）

[6]? ?SORGATO M，MELO A，LAMBERTS R. The effect of window opening ventilation control on residential building energy consumption [J]. Energy and Buildings，2016，133：1—13.

[7]? ?WANG H J，CHEN Q Y. A new empirical model for predicting single-sided，wind-driven natural ventilation in buildings [J]. Energy and Buildings，2012，54：386—394.

[8]? ?CACIOLO M，STABAT P，MARCHIO D. Full scale experimental study of single-sided ventilation：analysis of stack and wind effects [J]. Energy and Buildings，2011，43（7）：1765—1773.

[9]? ?ZHANG C，KRISTENSEN M，JENSEN J，et al. Parametrical analysis on the diffuse ceiling ventilation by experimental and numerical studies [J]. Energy and Buildings，2016，111：87—97.

[10]? 于勇.FLUENT入門與進(jìn)階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：123.

YU Y. Tutorial of FLUENT introduction and improvement [M]. Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2008：123.（In Chinese）

[11]? 劉皓.重慶地區(qū)住宅建筑混合通風(fēng)調(diào)控策略研究[D].重慶：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，2014：36—37.

LIU H. Research on control strategy of hybrid ventilation for residential building in Chongqing [D]. Chongqing：School of Urban Construction and Environmental Engineering，Chongqing University，2014：36—37. （In Chinese）

[12]? 李林，金梧鳳，李惠.空調(diào)制熱運(yùn)行時(shí)送風(fēng)溫度的優(yōu)化分析[J].山西建筑，2014，40（8）：129—131.

LI L，JIN W F，LI H. Research on optimization of air-conditioned room supply air temperature [J]. Shanxi Architecture，2014，40（8）：129—131. （In Chinese）

[13]? 彥啟森，石文星，田長(zhǎng)青.空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)[M]. 4版. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：17.

YAN Q S，SHI W X，TIAN C Q. Refrigeration technology for air conditioning [M]. 4th ed. Beijing：China Architecture and Building Press，2010：17. （In Chinese）

[14]? 楊昌智，文潔，蔣新波.熱濕環(huán)境參數(shù)對(duì)PMV及空調(diào)能耗的影響研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，42（1）：104—108.

YANG C Z，WEN J，JIANG X B. Study on the influence of thermal environmental parameters on PMV and energy consumption [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2015，42（1）：104—108. （In Chinese）

[15]? 羅婷.基于PMV指標(biāo)的室內(nèi)熱舒適控制方法的應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，2009：14—21.

LUO T. Applied research of comfort control methods for indoor comfort based on PMV index [D]. Jinan： College of Information and Electrical Engineering，Shandong Jianzhu University，2009：14—21. （In Chinese）

[16]? ISO 7730—2005 Ergonomics of the thermal environment—analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria [S]. Geneva：International Organisation for Standardisation，2006：13—17.

[17]? JIN W F，JIA L Z，GAO P，et al. The moisture content distribution of a room with radiant ceiling cooling and wall-attached jet system [J]. Building Simulation，2017，10（1）：41—50.

[18]? 張泉，王科，鄭娟，等. 丘陵地形特征與傳統(tǒng)民居形式對(duì)自然通風(fēng)的影響[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，36（7）：17—23.

ZHANG Q，WANG K，ZHENG J，et al. Influence of hilly topographic feature and the forms of traditional folk house on natural ventilation [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2009，36（7）：17—23. （In Chinese）

[19]? 阮芳.單開口自然通風(fēng)特性的試驗(yàn)與模擬研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，2016：16—22.

RUAN F. Experimental and simulation research on characteristics of natural ventilation through a single opening [D]. Changsha：College of Civil Engineering，Hunan University，2016：16—22. （In Chinese）

[20]? 石卉，高鵬，楊旭東.門窗不同開度下自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)及能耗的影響[C]//全國(guó)暖通空調(diào)制冷2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.重慶：重慶大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部，2008：45—52.

SHI H，GAO P，YANG X D. Effect of natural ventilation on indoor air quality and energy consumption under different opening degree of door and window[C]// Proceedings of National HVAC & R 2008 Annual Conference. Chongqing：Editorial Department of Journal of Chongqing University，2008：45—52. （In Chinese）

收稿日期：2018-05-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51378186），National Natural Science Foundation of China（51378186）;國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAJ03B00），National Key Technology Support Program （2015BAJ03B00）

作者簡(jiǎn)介：龔光彩（1965—），男，湖南澧縣人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

通訊聯(lián)系人，E-mail：gcgong@hnu.edu.cn