嚴(yán)寒地區(qū)被動(dòng)房輻射樓板換熱性能實(shí)驗(yàn)研究

吉玉辰， 王昭俊， 蘇小文

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院,黑龍江哈爾濱150006；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱150006)

1 概述

我國(guó)近年來相繼建成了一些被動(dòng)式超低能耗綠色建筑(以下簡(jiǎn)稱被動(dòng)房)，其中哈爾濱某住宅樓引進(jìn)德國(guó)被動(dòng)式超低能耗建筑技術(shù)，該被動(dòng)房于2014年獲得德國(guó)被動(dòng)房認(rèn)證。其外墻采用厚度為200 mm的陶粒混凝土砌塊，外加厚度為300 mm的聚苯乙烯保溫板，墻體的傳熱系數(shù)為0.13 W/(m2·K)。外窗采用單框三玻雙Low-E鋁包木窗，傳熱系數(shù)為0.8 W/(m2·K)。上述指標(biāo)均滿足德國(guó)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)。冬季供暖和夏季供冷均采用頂棚輻射和置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)。冬季熱源由市政熱網(wǎng)提供，入戶前設(shè)置混水裝置，夏季冷源由地源熱泵提供。通過置換通風(fēng)方式送入室外新風(fēng)，同時(shí)對(duì)室內(nèi)空氣冬季加濕、夏季除濕，以滿足人們的熱舒適要求和生理衛(wèi)生需求。

該建筑共有3個(gè)單元、66戶住戶。王昭俊教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組(以下簡(jiǎn)稱課題組)于2015—2016年冬季供暖期間對(duì)該被動(dòng)房的室內(nèi)熱環(huán)境、室內(nèi)空氣品質(zhì)、噪聲等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，其平均室溫為25.5 ℃，高于GB/T 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 50736—2012)第3.0.1條規(guī)定的上限值(24 ℃)，建議適當(dāng)降低室溫[1]。

由于目前相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的供暖室內(nèi)計(jì)算溫度范圍較寬，以及運(yùn)行調(diào)節(jié)等問題，導(dǎo)致人們片面追求高溫供暖的控制目標(biāo)而忽視了人體對(duì)熱環(huán)境的適應(yīng)性，部分建筑供暖房間溫度甚至超過24 ℃[2]。既浪費(fèi)能源，又不舒適。尤其在目前應(yīng)用越來越多的節(jié)能建筑中，其建筑保溫隔熱性能普遍提高了，室溫過高帶來的熱不舒適更加明顯。因此，有必要研究冬季室溫的調(diào)節(jié)策略。

目前對(duì)頂棚或地面輻射供暖、供冷系統(tǒng)的換熱性能研究較多，例如，丁艷蕊等針對(duì)重慶地區(qū)開展了雙面輻射供暖樓板換熱性能的實(shí)驗(yàn)研究[3]，劉海[4]實(shí)驗(yàn)研究了雙面輻射供冷系統(tǒng)的換熱性能，計(jì)算了室內(nèi)的輻射換熱量、平均輻射溫度、輻射換熱系數(shù)等參數(shù)。李嚴(yán)[5]對(duì)頂棚輻射換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。哈爾濱地處嚴(yán)寒地區(qū)，冬季的室外溫度和濕度比重慶更低，而目前對(duì)該地區(qū)的被動(dòng)房常采用的頂棚輻射和置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)營(yíng)造的室內(nèi)熱環(huán)境與熱舒適性的研究甚少。課題組近期對(duì)上述哈爾濱地區(qū)的被動(dòng)房的調(diào)研結(jié)果表明：冬季室溫較高，不同住戶室溫不均。如何進(jìn)行復(fù)合系統(tǒng)的供回水參數(shù)調(diào)節(jié)才能夠滿足舒適的室溫要求？因此，尚需深入系統(tǒng)地研究該復(fù)合系統(tǒng)中人體與環(huán)境輻射換熱以及系統(tǒng)的優(yōu)化控制問題。本文通過實(shí)驗(yàn)研究該被動(dòng)房樓板的傳熱性能，為后續(xù)樓板傳熱模型提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)概況

2.1 研究對(duì)象

實(shí)驗(yàn)選取該被動(dòng)房中某樣板間作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該被動(dòng)房共有11層，實(shí)驗(yàn)選取的樣板間位于第3層。該樣板間采用頂棚輻射供暖。樣板間平面圖見圖1，實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置在起居室。起居室的使用面積為27.8 m2，凈高為2.78 m，南墻為外墻，其余均為內(nèi)墻。

頂棚輻射供暖的供、回水設(shè)計(jì)溫度分別為30、28 ℃。每戶入口設(shè)置獨(dú)立調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。加熱管采用PB管，采用回形敷設(shè)，管道外直徑為20 mm，內(nèi)直徑為16 mm，管道中心間距為250 mm，加熱管長(zhǎng)度為72 m。管道中心距頂棚表面的距離為70 mm。整個(gè)樓板自上而下的各層結(jié)構(gòu)及其厚度分別為：木地板10 mm，泡沫塑料襯墊3 mm，細(xì)木工板12 mm，木龍骨90 mm(木龍骨內(nèi)敷設(shè)外直徑為75 mm的新風(fēng)管)，找平層15 mm，鋼筋混凝土樓板160 mm，內(nèi)抹面20 mm。樓板構(gòu)造見圖2。

圖1 樣板間平面圖

圖2 樓板構(gòu)造

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次實(shí)驗(yàn)的目的是通過測(cè)試供回水溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度、室內(nèi)空氣溫度，計(jì)算輻射換熱系數(shù)和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、輻射和對(duì)流熱流密度以及總熱流密度。研究輻射和對(duì)流換熱占比，以及總熱流密度與頂棚表面溫度之間的關(guān)系。

2.3 測(cè)試參數(shù)及測(cè)試方法

① 室外空氣溫度：采用溫濕度自動(dòng)記錄儀記錄室外空氣溫度，每5 min記錄1次數(shù)據(jù)。

② 供回水溫度：采用溫濕度自動(dòng)記錄儀測(cè)試供回水溫度，測(cè)點(diǎn)布置在實(shí)驗(yàn)樣板間熱力入口的管壁上。由于管壁很薄，假定管壁溫度與水溫相等。

③ 房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度、室內(nèi)空氣溫度：測(cè)試儀器為銅—康銅熱電偶，數(shù)據(jù)采集儀型號(hào)為Agilent34970系列。樣板間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度測(cè)點(diǎn)布置方式為：在頂棚和地面的對(duì)角線四等分點(diǎn)上布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，在內(nèi)墻表面、外墻及外窗內(nèi)表面中心水平線上均勻布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)?？諝鉁囟葴y(cè)點(diǎn)布置方式：在房間中心不同高度處布置熱電偶，高度分別為0.6 m、1.1 m、1.7 m、2.2 m。

2.4 實(shí)驗(yàn)工況

測(cè)試時(shí)間為2018年1月1日至18日。本次實(shí)驗(yàn)共分為4個(gè)工況，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

受實(shí)驗(yàn)條件所限，本次實(shí)驗(yàn)沒有測(cè)量供水流量。按照輻射供暖設(shè)計(jì)流速0.2 m/s計(jì)算，供水流量為0.145 m3/h。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 供回水溫度

工況2～4供回水溫度見圖3。工況1為未供暖工況，該工況下，樣板間供暖調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉，而其余戶均正常供暖。因此，工況1中，無供回水溫度。工況2～4，供暖運(yùn)行，供水溫度日平均值分別為30.0 ℃、30.7 ℃、31.6 ℃，回水溫度日平均值分別為25.3 ℃、27.7 ℃、28.5 ℃。在每個(gè)工況3天前，就已調(diào)節(jié)供水溫度，每個(gè)工況均已穩(wěn)定。

圖3 工況2～4供回水溫度

3.2 頂棚、地面表面溫度

圖4和圖5分別給出了樣板間頂棚和地面的表面溫度。

圖4 頂棚表面溫度

圖5 地面表面溫度

本文中頂棚表面溫度是指頂棚表面5個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。其他各圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度定義與之類似。由圖4、5可知，頂棚和地面的表面溫度均相對(duì)穩(wěn)定，工況1～4的頂棚表面溫度日平均值分別為21.8 ℃、25.5 ℃、27.7 ℃、28.5 ℃，工況1～4的地面表面溫度日平均值分別為21.6 ℃、23.0 ℃、23.9 ℃、24.7 ℃。對(duì)于供暖工況1～4，頂棚表面溫度均高于地面表面溫度，且隨著供水溫度的升高，頂棚與地面表面溫度之差越來越大，這就意味著地面表面溫度上升幅度小于頂棚表面溫度上升幅度。

3.3 室內(nèi)空氣溫度

工況1～4的室內(nèi)空氣溫度見圖6。

圖6 室內(nèi)空氣溫度

由圖6可知，工況1～4的室內(nèi)空氣溫度基本穩(wěn)定，日平均值分別為20.8 ℃、21.9 ℃、22.9 ℃、24.0 ℃。對(duì)于工況1，依靠戶間傳熱，就能保證室內(nèi)空氣溫度達(dá)到21 ℃左右。對(duì)于供暖工況2～4，室內(nèi)空氣溫度逐漸上升，并且供水溫度在30.0～31.6 ℃范圍內(nèi)每上升1 ℃，室內(nèi)空氣溫度上升1.3 ℃。

3.4 操作溫度

對(duì)于輻射供暖環(huán)境，用操作溫度來描述人體實(shí)際感受到的溫度更加適宜。因此，本文給出4個(gè)工況下的操作溫度，見圖7。

圖7 操作溫度

樣板間操作溫度計(jì)算公式如下[6]：

to=0.5ta+0.5tr

(1)

式中to——操作溫度，℃

ta——室內(nèi)空氣溫度，℃

tr——平均輻射溫度，℃

Ai——樣板間第i個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的面積，m2

ts,i——樣板間第i個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的溫度，℃

公式(2)中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括頂棚、地面、南外墻、南外窗、東墻、西墻、北墻。

由圖7可知，工況1～4的操作溫度日平均值分別為21.1 ℃、22.6 ℃、23.8 ℃、24.7 ℃。對(duì)于供暖工況2～4，操作溫度比室內(nèi)空氣溫度高約0.7 ℃。而對(duì)于工況1，操作溫度僅比空氣溫度高0.3 ℃。因此，對(duì)于輻射供暖環(huán)境中，宜采用操作溫度或修正的空氣溫度作為供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，例如，應(yīng)保證室內(nèi)操作溫度不低于18 ℃。JGJ 142—2012《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》第3.3.2條規(guī)定：全面輻射供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度比GB/T 50736—2012中規(guī)定值可降低2 ℃。對(duì)于頂棚輻射供暖來說，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)值(2 ℃)可能偏大。

4 頂棚和地面換熱性能分析

4.1 輻射換熱

頂棚的輻射換熱系數(shù)計(jì)算公式如下[7]：

式中hr——輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)

ε——頂棚的表面發(fā)射率，取0.9

σ——斯忒藩-玻爾茲曼常量，W/(m2·K4)，取5.67×10-8W/(m2·K4)

Ts,1——頂棚表面溫度，K

Tfj——室內(nèi)非加熱表面的面積加權(quán)平均溫度，K

Ts,i——樣板間第i個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度，K

公式(4)中的非加熱表面(即圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面)包括地面、南外墻、南外窗、東墻、西墻、北墻的內(nèi)表面。

由公式(3)、(4)可以計(jì)算出頂棚的輻射換熱系數(shù)，頂棚輻射換熱系數(shù)見圖8。由圖8可知，隨著供水溫度(或頂棚溫度)的升高，頂棚輻射換熱系數(shù)也相應(yīng)升高。

圖8 頂棚輻射換熱系數(shù)

輻射熱流密度計(jì)算公式如下：

qr=hr(Ts,1-Tfj)

(5)

式中qr——輻射熱流密度，W/m2

圖9給出了不同工況下的頂棚輻射熱流密度。

圖9 頂棚輻射熱流密度

工況1～4的平均輻射熱流密度日平均值分別為2.62 W/m2、15.38 W/m2、20.59 W/m2、22.68 W/m2。未供暖工況下，盡管熱流密度很小，但由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能很好，室內(nèi)空氣溫度仍可以保證在21 ℃左右(見圖6)。

4.2 對(duì)流換熱

在本次測(cè)試中，各工況環(huán)境參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定(見圖4～6)，因此，逐時(shí)計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)基于自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式計(jì)算[7]：

Nu=C(Gr·Pr)n

(6)

式中Nu——努塞爾數(shù)

C——實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，頂棚對(duì)流換熱時(shí)，C為0.58；地面對(duì)流換熱時(shí)，C為0.54

Gr——格拉曉夫數(shù)

Pr——普朗特?cái)?shù)

n——實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，頂棚對(duì)流換熱時(shí)，n為0.2；地面對(duì)流換熱時(shí)，n為0.25

根據(jù)公式(6)可計(jì)算得出Nu，根據(jù)Nu可計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

式中hc——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

λ——空氣熱導(dǎo)率，W/(m·K)

l——定型尺寸，取圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面長(zhǎng)和寬的平均值，m

頂棚表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)見圖10。

圖10 頂棚表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

由圖10可知，頂棚表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著供水溫度的升高而升高，與輻射換熱系數(shù)的變化趨勢(shì)一致。對(duì)比圖8和圖10可知，輻射換熱系數(shù)比表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

根據(jù)公式(8)可計(jì)算頂棚對(duì)流熱流密度。

qc=hc(Ts，1-Ta)

(8)

式中qc——對(duì)流熱流密度，W/m2

Ta——室內(nèi)空氣溫度，K

頂棚對(duì)流熱流密度見圖11。

圖11 頂棚對(duì)流熱流密度

由圖11可知，工況1～4的平均對(duì)流熱流密度日平均值分別為0.3 W/m2、1.42 W/m2、1.89 W/m2、2.13 W/m2。

4.3 地面熱流密度

類似于頂棚傳熱計(jì)算，可以得到地面輻射與對(duì)流熱流密度，結(jié)果見表2。

表2 地面輻射與對(duì)流熱流密度

由表2可知，工況2～4地面輻射熱流密度日平均值均為負(fù)值，對(duì)流熱流密度日平均值為正值，這是由于此時(shí)地面表面溫度低于平均輻射溫度，但高于室內(nèi)空氣溫度?？傮w來說，總熱流密度為負(fù)值，即室內(nèi)向地面?zhèn)鬟f少許熱量。這說明在此樓板構(gòu)造中，熱量通過頂棚向下傳遞。

4.4 總熱流密度與頂棚表面溫度的關(guān)系

總熱流密度包括輻射熱流密度和對(duì)流熱流密度。

通過第4.1節(jié)和4.2節(jié)的計(jì)算，可以得到4個(gè)工況下的頂棚輻射、對(duì)流以及總熱流密度，結(jié)果見圖12。

圖12 輻射、對(duì)流熱流密度及總熱流密度與頂棚表面溫度之間的關(guān)系

由圖12可知，工況1～4的輻射換熱占比分別為89.7%、91.5%、91.6%、91.4%。對(duì)于供暖工況2～4，輻射換熱占比約為91.5%，與文獻(xiàn)[5]結(jié)論一致。

總熱流密度隨著頂棚表面溫度(或供水溫度)的升高而升高。對(duì)總熱流密度與頂棚表面溫度的關(guān)系進(jìn)行線性回歸，得到這兩者的關(guān)系，見公式(9)、(10)。

qt=3.26ts,1-67.62

(9)

R2=0.988

(10)

式中qt——總熱流密度，W/m2

ts,1——頂棚表面溫度，℃

R——相關(guān)系數(shù)，其表明變量之間線性相關(guān)程度

R2——決定系數(shù)，其值越接近于1，表明自變量對(duì)因變量的解釋程度越高

由圖12可知，總熱流密度和頂棚表面溫度之間的線性關(guān)系強(qiáng)。因此，通過測(cè)試頂棚表面溫度，即可預(yù)估通過頂棚傳遞的總熱流密度。

5 結(jié)論

本文對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)某被動(dòng)房樣板間的樓板傳熱性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)，實(shí)驗(yàn)樣板間位于第3層，僅南墻為外墻，室外空氣溫度在-8.9～-2.1 ℃范圍，供水溫度在30.0～31.6 ℃范圍，得到以下結(jié)論：

① 當(dāng)室外溫度為-2.1 ℃，鄰戶正常供暖，但該樣板間未供暖時(shí)，其室內(nèi)空氣溫度也能達(dá)到21 ℃左右。供暖開啟后，供水溫度在30.0～31.6 ℃范圍內(nèi)每上升1 ℃，室內(nèi)空氣溫度上升1.3 ℃。

② 該被動(dòng)房為頂棚輻射供暖，輻射換熱占比約為91.5%。在頂棚輻射換熱量計(jì)算中，可以根據(jù)輻射熱流密度估計(jì)總熱流密度。輻射換熱系數(shù)和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨供水溫度的升高而升高，且輻射換熱系數(shù)比表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

③ 頂棚輻射供暖中，總熱流密度隨頂棚表面溫度(或供水溫度)的升高而升高?？偀崃髅芏群晚斉锉砻鏈囟戎g存在很強(qiáng)的線性關(guān)系。