毛細(xì)管網(wǎng)供冷室內(nèi)環(huán)境對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

梁秋錦，陳金華，段坤林，孫海，韓浩然，宋靜

(1.重慶魯能英大置業(yè)有限公司，重慶 400060;2.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045;3.重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015)

毛細(xì)管網(wǎng)作為一種新型空調(diào)末端形式，具有不占用室內(nèi)空間、能與可再生能源結(jié)合及室內(nèi)舒適度更高等優(yōu)勢(shì)，在能源成本越來越高、環(huán)境污染與溫室效應(yīng)加劇的大背景下，對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)的研究與應(yīng)用越來越多。Hoseggen等[1]對(duì)頂棚供冷節(jié)能與舒適度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并利用ESP-r軟件進(jìn)行模擬論證，結(jié)果表明：模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果吻合。Mikeska等[2]對(duì)輻射供冷室內(nèi)舒適性與供水溫度關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明：當(dāng)室內(nèi)溫度比供水溫度高4 K時(shí)，室內(nèi)溫度舒適性較好。Keblawi等[3]對(duì)頂棚供冷輔助新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遺傳算法控制器，可實(shí)現(xiàn)低能耗下滿足同樣的舒適度。Lee等[4]對(duì)地面輻射與對(duì)流空調(diào)系統(tǒng)通過實(shí)測(cè)對(duì)比分析，結(jié)果表明：輻射空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)垂直溫差較小。Eusebio等[5]對(duì)輻射與對(duì)流空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，結(jié)果表明：輻射空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)舒適度好。Kyu等[6]總結(jié)分析了近50年輻射空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用，得出輻射空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能性、舒適性方面不斷改進(jìn)優(yōu)化的結(jié)論。李炅等[7]對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)行模擬研究，分析了毛細(xì)管網(wǎng)供冷能力影響因素。朱備等[8]對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)輻射供冷表面結(jié)露進(jìn)行研究，提出了結(jié)合過冷度的運(yùn)行策略。謝東、王赟等[9-10]均針對(duì)毛細(xì)管頂棚輻射供冷進(jìn)行模擬研究，分析了頂棚輻射供冷時(shí)的供冷量。張金明[11]對(duì)壁面輻射供冷與對(duì)流空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究，對(duì)比兩種空調(diào)方式下室內(nèi)熱工參數(shù)。劉猛等[12]研究了不同供水溫度與室外天氣下毛細(xì)管網(wǎng)地棚供冷房間溫度、供冷量與結(jié)露情況。李妍等[13]分析了影響毛細(xì)管網(wǎng)的供冷能力相關(guān)曲線圖。陳金華等[14]對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)地面不同供水溫度供暖時(shí)的室內(nèi)參數(shù)進(jìn)行研究，確定了供暖的最佳供水溫度。陳露等[15]對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)頂棚、墻面、地面進(jìn)行模擬研究，分析了這3種敷設(shè)方式的舒適性。

對(duì)頂棚、墻面、地面毛細(xì)管網(wǎng)的研究，大多為理論計(jì)算與軟件模擬，或只針對(duì)一種敷設(shè)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。本文對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。從室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)溫度、濕度、壁面溫度、室內(nèi)垂直與水平溫度、PMV、PPD等熱工參數(shù)，全面分析3種敷設(shè)方式毛細(xì)管網(wǎng)供冷的室內(nèi)舒適性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)房間概況

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為面積相同的兩個(gè)房間[16](圖1)，編號(hào)分別為410和412，面積均為21 m2，尺寸為6 m×3.5 m×2.7 m(長(zhǎng)×寬×高)，門洞尺寸為0.8 m×2.1 m(寬×高)，外窗尺寸為2 700 mm×2 000 mm(寬×高)；建筑外墻為實(shí)心磚墻(未做保溫)，厚度為240 mm，內(nèi)墻也為實(shí)心磚墻，厚度為200 mm。窗戶為單層玻璃窗，厚度為6 mm，內(nèi)設(shè)厚窗簾。

圖1 實(shí)驗(yàn)房間平面圖(單位：mm)Fig.1 Experimental room plan

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2.1 冷熱源 該實(shí)驗(yàn)的冷熱源為空氣源熱泵機(jī)組。冷熱源與毛細(xì)管網(wǎng)末端中間設(shè)置換熱水箱，通過換熱水箱控制供水溫度為18 ℃。原理圖如圖2所示。

圖2 冷熱源原理圖Fig.2 Schematic diagram of cold and heat

1.2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)┒?實(shí)驗(yàn)的末端為頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式，410房間頂棚、墻面敷設(shè)同側(cè)供回S型毛細(xì)管網(wǎng)，412房間地面敷設(shè)同側(cè)供回S型毛細(xì)管網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)，為滿足室內(nèi)冷負(fù)荷需求，設(shè)置毛細(xì)管網(wǎng)參數(shù)，見表1。

表1 毛細(xì)管網(wǎng)基本參數(shù)Table 1 The situation of capillary radiation

毛細(xì)管網(wǎng)頂棚、墻面、地面敷設(shè)位置圖與構(gòu)造示意圖，如圖3～圖4所示。

圖3 毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)位置圖

圖4 毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造示意圖Fig.4 The structure drawing of

1.2.3 新風(fēng)系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)新風(fēng)溫度為24 ℃，相對(duì)濕度為60%，新風(fēng)量為60 m3/h，新風(fēng)送風(fēng)方式為上送風(fēng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 測(cè)試方案 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行工況見表2，根據(jù)《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》(JGJ 142—2012)的規(guī)定：毛細(xì)管網(wǎng)供水溫度應(yīng)保證供冷表面溫度高于露點(diǎn)溫度1～2 ℃。故實(shí)驗(yàn)在18 ℃供水溫度下，測(cè)試毛細(xì)管網(wǎng)頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式的室內(nèi)熱工參數(shù)。

1.3.2 測(cè)點(diǎn)布置 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)[17]的布置原則參照《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)的規(guī)定，詳見圖5～圖6。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄間隔為10 min/次。

實(shí)驗(yàn)房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度測(cè)點(diǎn)布置：頂棚布置5個(gè)，地面布置5個(gè)，左墻布置9個(gè)，右墻布置9個(gè)，外墻布置2個(gè)，內(nèi)墻布置2個(gè)，共計(jì)32個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5、圖6。

表2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行工況Table 2 The running state of experiment system

圖5 頂棚、地面壁面溫度測(cè)點(diǎn)Fig.5 Arrangement of temperature measuring points on the ceiling and

圖6 左、右墻壁面溫度測(cè)點(diǎn)Fig.6 Arrangement of temperature measuring points on the left and right

實(shí)驗(yàn)房間空間溫度測(cè)點(diǎn)布置在圖5中a、b、c、d、e位置上距地0.1 m(腳踝)、0.6 m(膝蓋)、1.1 m(坐姿頭部)、1.7 m(站姿頭部)、2.5 m(房間上空)處，共計(jì)25個(gè)。空間濕度測(cè)點(diǎn)布置在a、c、e位置，距地1.1 m高度處，共計(jì)3個(gè)。

1.3.3 測(cè)試儀器 實(shí)驗(yàn)主要儀器見表3。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 室外空氣溫度

實(shí)驗(yàn)期間室外逐時(shí)溫度如圖7所示。頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式室外平均溫度依次為29.97、31.26、29.97 ℃。

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器表Table 3 Test apparatus

圖7 3種工況室外溫度分布Fig.7 The outdoor temperature of 3

2.2 室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)平均溫度

人員活動(dòng)區(qū)平均溫度為a、b、c、d、e 5個(gè)水平位置分別距地0.1、0.6、1.1、1.7 m4個(gè)垂直高度的20個(gè)測(cè)點(diǎn)平均值。3種敷設(shè)方式實(shí)驗(yàn)期間人員活動(dòng)區(qū)逐時(shí)溫度如圖8所示，由圖8可知：

1)毛細(xì)管網(wǎng)地面輻射供冷時(shí)，人員活動(dòng)區(qū)溫度達(dá)到28 ℃，響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)。頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式響應(yīng)時(shí)間依次為：20、50、60 min。

2)3種敷設(shè)方式人員活動(dòng)區(qū)平均溫度均滿足≤28 ℃要求，頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式供冷穩(wěn)定時(shí)，人員活動(dòng)區(qū)的平均溫度依次為：26.27、27.22、26.57 ℃。

3)人員活動(dòng)區(qū)溫度的影響因素主要包括以下兩個(gè)方面：輻射壁面溫度與距輻射壁面距離。頂棚敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，由于其敷設(shè)構(gòu)造較薄，輻射壁面溫度低，因此，供冷穩(wěn)定時(shí)，室內(nèi)溫度低于另外兩種敷設(shè)方式；墻面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，由于其敷設(shè)單面，冷空氣橫向傳播速度慢，因此，供冷穩(wěn)定時(shí)，室內(nèi)溫度高于另外兩種敷設(shè)方式；地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，雖然其輻射壁面溫度較另外兩種敷設(shè)方式高，但是距離人員活動(dòng)區(qū)最近，因此，供冷穩(wěn)定時(shí)，室內(nèi)溫度與頂棚敷設(shè)時(shí)溫度接近。

圖8 3種工況人員活動(dòng)區(qū)的平均溫度Fig.8 The average temperature of working area of 3

2.3 室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)平均相對(duì)濕度

人員活動(dòng)區(qū)平均相對(duì)濕度為a、c、e點(diǎn)距地1.1 m高度的相對(duì)濕度平均值，3種敷設(shè)方式人員活動(dòng)區(qū)逐時(shí)平均相對(duì)濕度如圖9所示：頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式人員活動(dòng)區(qū)穩(wěn)定時(shí)，平均相對(duì)濕度均能滿足室內(nèi)舒適要求；墻面敷設(shè)人員活動(dòng)區(qū)平均相對(duì)濕度略小于頂棚、地面；平均相對(duì)濕度依次為68.58%、64.13%、70.05%。

圖9 3種工況人員活動(dòng)區(qū)的平均相對(duì)濕度Fig.9 The average relative humidity of working

2.4 露點(diǎn)溫度分析

3種敷設(shè)方式露點(diǎn)溫度如圖10所示，頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式的輻射壁面溫度、附近空氣溫度均高于輻射壁面露點(diǎn)溫度，因此，實(shí)驗(yàn)過程中均未出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。但重慶地區(qū)濕度較大，為防止輻射供冷時(shí)出現(xiàn)結(jié)露，應(yīng)設(shè)置通風(fēng)除濕系統(tǒng)。

2.5 輻射壁面平均溫度

輻射壁面平均溫度與毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)構(gòu)造密切相關(guān)。3種敷設(shè)方式輻射壁面逐時(shí)溫度如圖11所示，由圖11可知：

圖10 3種工況露點(diǎn)溫度Fig.10 The temperature dew point temperature of 3

1)毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)構(gòu)造越薄，輻射壁面熱響應(yīng)時(shí)間越快，輻射壁面溫度也越低。頂棚、墻面、地面敷設(shè)構(gòu)造厚度依次遞增，熱響應(yīng)時(shí)間依次遞增，輻射壁面平均溫度也依次遞增，分別為20.96、21.14、22.76 ℃。

2)頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式輻射壁面平均溫度均滿足《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》(JGJ 142—2012)中的規(guī)定。具體要求值見表4。

3)常規(guī)地盤管地面上部敷設(shè)構(gòu)造厚度較厚，不宜用于毛細(xì)管網(wǎng)地面，為縮短地面輻射熱響應(yīng)時(shí)間，降低輻射壁面溫度，可降低毛細(xì)管網(wǎng)地面敷設(shè)構(gòu)造厚度。

圖11 3種工況輻射壁面溫度Fig.11 Radiation surface temperature in 3

敷設(shè)位置平均溫度下限值/℃人員經(jīng)常停留地面19人員短期停留地面19墻面17頂棚17

3種敷設(shè)方式輻射壁面熱成像儀圖如圖12所示，由圖12可見：

1)3種敷設(shè)方式輻射壁面溫度分布均勻，僅在毛細(xì)管網(wǎng)拼接處出現(xiàn)較小溫升。

2)3種敷設(shè)方式輻射壁面溫度熱成像儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與熱電偶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差較小，頂棚、墻面、地面輻射壁面溫度依次遞增。

圖12 3種工況輻射壁面熱成像圖片F(xiàn)ig.12 The radiation surface thermal imaging of 3

2.6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度

3種敷設(shè)方式圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度分布如圖13所示，由圖13可知：

1)3種敷設(shè)方式外墻溫度高于其他壁面溫度，由于外墻未做保溫，故受室外溫度影響較大。

2)墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供冷時(shí)，頂棚壁面溫度較高。主要原因是熱空氣在房間上部堆積，減弱頂棚壁面降溫。

3)3種敷設(shè)方式輻射角系數(shù)對(duì)壁面溫度的影響較小。

圖13 3種工況圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度Fig.13 The surface temperature of building envelope

2.7 空間垂直溫度分析

3種敷設(shè)方式垂直溫度分布如圖14所示，站姿高差為0.1～1.7 m，坐姿高差為0.1～1.1 m。由圖14可知：

1)3種敷設(shè)方式供冷時(shí)，頂棚敷設(shè)垂直溫差最小，且有“頭涼腳暖”的感覺，舒適度最好。

2)3種敷設(shè)方式供冷時(shí)，坐姿或站姿縱向溫差均小于1 ℃，滿足ISO 7730[18]推薦的小于2 ℃(A級(jí))的溫差。

圖14 3種工況垂直溫度分布Fig.14 Vertical temperature distribution of 3

根據(jù)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730[18]推薦的公式(1)計(jì)算3種工況站姿垂直不滿意率，計(jì)算結(jié)果見表5。頂棚敷設(shè)供冷時(shí)垂直不滿意率最小。

(1)

式中，Δta,y為頭部與腳踝之間的溫差。

表5 3種工況室內(nèi)垂直不滿意率Table 5 The indoor vertical disapproval rating of 3 conditions

2.8 空間水平溫度分析

室內(nèi)空間水平溫度分析分別選取a、b、c、d、e距地1.1 m處溫度。3種敷設(shè)方式水平溫度分布如圖15所示，可知：

1)墻面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供冷時(shí)，水平溫度分布最不均勻。為減弱單面墻供冷造成的水平溫度分布不均勻，可對(duì)兩面墻同時(shí)敷設(shè)。

2)頂棚、墻面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供冷時(shí)，d點(diǎn)的溫度出現(xiàn)溫升的主要原因是該點(diǎn)位于門口，實(shí)驗(yàn)記錄人員進(jìn)出房間時(shí)將內(nèi)走廊熱量帶入房間造成。

圖15 3種工況水平溫度分布Fig.15 Horizontal temperature distribution of 3

2.9 PMV、PPD分析

熱舒適預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用Fanger教授提出的預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)PMV與預(yù)計(jì)不滿意者百分?jǐn)?shù)PPD[19]。 PMV和PPD的表達(dá)式見式(2)和式(3)。

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.027 5]

{M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-pa]-

0.42(M-W-58.2)-0.017 3M(5.86-pa)-

0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(tr+273)4]-fclhc(tcl-ta)}=

f(M,W,Icl,ta,pa,va,tr)

(2)

PPD=100-95exp[-(0.033 53 PMV4+

(3)

式中：W為機(jī)械效率，夏季人員機(jī)械效率較低，該實(shí)驗(yàn)機(jī)械效率取0；M為能量代謝，met，實(shí)驗(yàn)期間實(shí)驗(yàn)狀況記錄人員處于靜坐狀態(tài)，相應(yīng)新陳代謝≤1.2 met，實(shí)驗(yàn)中能量代謝取值M=1.0 met=58.2 W/m2；pa為水蒸氣分壓力，Pa，根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)室內(nèi)相對(duì)濕度計(jì)算得出；Icl為服裝熱阻，clo，實(shí)驗(yàn)記錄人員身著短袖連衣裙，服裝熱阻取值0.35 clo；va為風(fēng)速，m/s，實(shí)驗(yàn)期間室內(nèi)風(fēng)速微弱，因此風(fēng)速取值0.1 m/s；Ta為空氣溫度，℃，取實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值；Tr為平均輻射溫度，℃。

式中：T1，T2，…，TN為圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度，℃；A1，A2，…，AN為圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面面積，m2；

輻射供冷時(shí)，室內(nèi)空氣溫濕度、平均輻射溫度為影響熱舒適的主要參數(shù)，即PMV=f(ta,Pa,tr)。

3種敷設(shè)方式時(shí)，室內(nèi)PMV、PPD分布如圖16～圖17所示，由圖16、圖17可知：

圖16 3種工況室內(nèi)PMVFig.16 The indoor PMV of 3

圖17 3種工況室內(nèi)PPDFig.17 The indoor PPD of 3

1)頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式供冷穩(wěn)定時(shí)，PMV依次為-0.27、0.32、-0.2， PPD依次為7.06%、7.47%、6.34%。

2)3種敷設(shè)方式供冷穩(wěn)定階段時(shí)，室內(nèi)PMV、PPD均滿足《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)Ⅰ級(jí)熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%。

3)3種敷設(shè)方式墻面輻射供冷時(shí)，室內(nèi)舒適度最差。單面墻輻射供冷時(shí)，被降溫的冷空氣沿墻面下沉，在右墻下側(cè)積聚，冷空氣橫向傳遞效果較差。因此，墻面輻射供冷若想達(dá)到頂棚，可通過增大毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)面積、降低供水溫度或增大管內(nèi)流速等途徑實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

通過對(duì)比分析夏季毛細(xì)管網(wǎng)供冷室內(nèi)環(huán)境，得出以下結(jié)論：

1)毛細(xì)管網(wǎng)供水溫度設(shè)定為18 ℃時(shí)，3種敷設(shè)方式輻射供冷室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)平均溫度均滿足≤28 ℃的要求。供冷穩(wěn)定階段，頂棚、墻面、地面人員活動(dòng)區(qū)平均溫度依次為26.27、27.22、26.57 ℃。

2)毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)構(gòu)造越薄，輻射壁面熱響應(yīng)時(shí)間越短，輻射壁溫度也越低。頂棚、墻面、地面敷設(shè)構(gòu)造厚度依次遞增，熱響應(yīng)時(shí)間依次遞增，輻射壁面平均溫度也依次遞增，依次為20.96、21.14、22.76 ℃。

3)頂棚敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供冷時(shí)，縱向溫差明顯低于墻面、地面，舒適度更高。3種敷設(shè)方式縱向均小于1 ℃，滿足ISO 7730推薦的小于2 ℃(A級(jí))溫差。

4)頂棚、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供冷時(shí)，室內(nèi)水平效果接近，優(yōu)于墻面。墻面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供冷時(shí)，水平溫度分布最不均勻。為減弱單面墻供冷造成水平溫度分布不均勻，可對(duì)兩面墻同時(shí)敷設(shè)。

5)3種敷設(shè)方式室內(nèi)預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)PMV，預(yù)計(jì)不滿意者百分?jǐn)?shù)PPD均滿足《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785 —2012)Ⅰ級(jí)熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)-0.5≤PMV≤0.5、PPD≤10%，供冷穩(wěn)定階段，頂棚、墻面、地面PMV依次為-0.27、0.32、-0.2，PPD依次為7.06%、7.47%、6.34%。