不同末端形式下雙冷源輻射空調系統(tǒng)模擬研究

劉建峰 梁珍

東華大學環(huán)境科學與工程學院

0 引言

近年來，因輻射空調系統(tǒng)末端具備運行噪聲低，節(jié)能環(huán)保及節(jié)省空間等優(yōu)點[1]，相關研究人員進行了大量研究。Chiang W[2]等人應用CFD 軟件對冷頂板輻射系統(tǒng)在亞熱帶地區(qū)辦公室的應用進行了熱舒適性研究。黃立志[3]等對不同輻射面組合情況下毛細管輻射系統(tǒng)的熱舒適和能耗進行了分析。宣永梅[4]則運用EnergyPlus 能耗模擬軟件建立了地板輻射加置換通風系統(tǒng)模型，研究了不同送風參數(shù)和供水參數(shù)下的室內熱環(huán)境。

目前研究內容的空調主機大多局限于單冷源系統(tǒng)，毛細管輻射末端僅研究單個輻射面或僅對輻射面的組合進行分析，對雙冷源輻射空調不同末端形式的熱舒適和能耗綜合分析的研究很少。

本文使用EnergyPlus 能耗分析軟件，建立了頂板/墻面輻射+置換通風+雙冷源熱泵機組模型，對兩種不同的毛細管鋪設方式下的熱舒適和能耗特性進行了模擬研究，模擬結果與VRV 空調系統(tǒng)進行熱舒適性與全年能耗對比，得出系統(tǒng)最佳的末端形式。

1 別墅建筑模型

以上海地區(qū)某別墅為研究對象，該別墅為兩層，建筑總面積為264 m2，其中一層層高3.5 m，二層3.2 m，空調面積為154 m2。主要包括臥室、客廳、娛樂室、餐廳、廚房等房間[5]，簡化后的別墅建筑平面圖如圖1所示。

圖1 別墅建筑平面圖

圍護結構的基本信息如下：外墻構造：75 mm 聚氨酯擠塑板（外側）+150 mm 鋼筋混凝土。內墻構造：200 mm 加氣混凝土砌塊。樓板構造：200 mm 鋼筋混凝土。屋頂構造：100 mm 聚氨酯擠塑板（外側）+200 mm 鋼筋混凝土。地板構造：30mm 聚氨酯擠塑板（外側）+150 mm 鋼筋混凝土。外窗構造：6 mm Low-e 玻璃（外側）+12 mm 空氣層+6 mm 普通玻璃。

2 空調系統(tǒng)模型

本文的雙冷源輻射空調系統(tǒng)，是新一代節(jié)能空調系統(tǒng)技術，其原理如圖2 所示。通過在空調末端中采用溫濕分控技術，同時在冷源中最大限度地使用高溫冷水機組或各種自然冷源，可以使空調系統(tǒng)的夏季綜合能效得到顯著提高，室內空氣品質和環(huán)境舒適度得到顯著改善。

圖2 雙冷源輻射空調系統(tǒng)原理圖

一般與別墅配套的空調系統(tǒng)，不但要求能夠提供高舒適的居住空氣品質，還要滿足在檔次、個性、靜音、節(jié)能等方面的要求[6]。故本文建立如表1 三種空調系統(tǒng)，以多聯(lián)機系統(tǒng)為模擬參照，對比不同末端形式下熱舒適和能耗情況。

表1 空調系統(tǒng)模型表

2.1 頂板輻射+置換通風雙冷源空調模型

本模型系統(tǒng)采用兩臺地源熱泵組成雙冷源系統(tǒng)，一臺熱泵機組出水溫度18 ℃，承擔室內顯熱負荷及新風負荷。另一臺熱泵機組出水溫度7 ℃，供新風機組深度除濕，承擔室內濕負荷。氣流組織的形式采用置換通風。毛細管輻射空調系統(tǒng)是一種可代替常規(guī)中央空調的新型節(jié)能舒適空調。系統(tǒng)以水作為冷媒載體，通過均勻緊密的毛細管席輻射傳熱。由于該系統(tǒng)所需的夏季冷凍源供水溫度只需16 ℃-19 ℃供回水溫度，冬季只需32 ℃-30 ℃供回水溫度，熱泵COP 較高，大大低于常規(guī)水空調夏季7 ℃-12 ℃和冬季45 ℃-40 ℃供回水所需的能耗，因而系統(tǒng)更的節(jié)能。本系統(tǒng)模型使用EnergyPlus 中的WaterHeater:HeatPump 模塊及Zone HVAC:Low Temperature Radiant:Variable Flow模塊[7]。

2.2 墻面輻射+置換通風雙冷源空調模型

系統(tǒng)所用模塊與2.1 節(jié)相同，毛細管敷設在室內墻面上，外表面敷設抹灰材料，同樣使用雙冷源空調機組，通過調節(jié)供回水流量控制室內熱舒適性。

2.3 多聯(lián)機空調系統(tǒng)（VRV）模型

多聯(lián)機空調系統(tǒng)由制冷劑管路連接的室外機和室內機組成，室外機由室外側換熱器，壓縮機和其它制冷附件組成。室內機由風機和直接蒸發(fā)器等組成。一臺室外機通過管路能夠向若干個室內機輸送制冷劑液體。該空調形式是當前家用中央空調領域，尤其是高檔住宅中使用較多的空調方式之一，此模型選擇了EnergyPlus 中的HVAC Template:System:VRF 模塊，作為本次模擬的參照項進行熱舒適及能耗相關模擬。

2.4 空調設計參數(shù)

模擬別墅室外設計氣象數(shù)據(jù)采用EnergyPlus 官網美國ASHRAE 標準上海典型氣象設計日數(shù)據(jù)，夏季室外最大干球溫度34.9 ℃，冬季室外最大干球溫度是-1.9 ℃。系統(tǒng)運行時間設定為全年8760 h[8]，在每年1月1 日至3 月15 日、11 月1 日至12 月31 日空調系統(tǒng)向建筑供暖，4 月15 日至9 月31 日空調系統(tǒng)向建筑供冷，其他時間段空調系統(tǒng)關閉。

3 模擬結果分析

3.1 熱舒適性評價指標

熱舒適問題是建筑室內環(huán)境研究的重點。影響人體熱舒適的因素很多，其中空氣溫度，平均輻射溫度，相對濕度，氣流速度等四個環(huán)境變量與人體活動量，衣著兩個人體變量是主要因素。PMV-PPD 指標是Fanger 教授在熱舒適方程式的基礎上建立起來的，在以對流為主的熱環(huán)境中以實驗測定的方法獲得。其中PMV 表示人群對熱環(huán)境的預測平均評價，它代表了同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺。PPD 表示人群對熱環(huán)境預測不滿意的百分數(shù)。

根據(jù)建筑季節(jié)劃分的時間，熱舒適性分析數(shù)據(jù)取自供熱季和供冷季的典型代表日：1 月21 日和7 月21日，并且選用日常生活中使用較多的典型房間：臥室及客廳。

由于臥室使用時段有限,人員一般為晚上使用，因此臥室空調系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析為20:00～8:00 時間段，《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》中熱舒適度規(guī)定如表2：

表2 熱舒適性等級劃分

3.2 熱舒適性結果分析

從圖3 可以看出，在典型供熱設計日空調開啟后，模型2 和模型3 于22:00 點同時達到Ⅱ級熱舒適標準，PMV 值達到-1 以上，22:00 點之后，模型3 的PMV 曲線在模型2 上方，相對于模型2 舒適度更高，而模型1 達到相同的標準則到了將近0:00 點，多耗用了將近2 h。在整個20:00～8:00 空調運行時間段內，模型1 和模型2 均未達到Ⅰ級熱舒適標準，模型3 在6:00 達到了規(guī)范要求的Ⅰ級標準。達到相同的熱舒適度所用時間：模型1＞模型2＞模型3。整體上模型3擁有更好的熱舒適性。

圖3 臥室PMV-PPD 值（1 月21 日）

圖4 臥室PMV-PPD 值（7 月21 日）

圖4 中顯示的是供冷設計日的熱舒適度指標情況，模型1 在整個空調運行時間段內均未達到Ⅱ級規(guī)范要求，從22:00 開始PMV 值無限接近于1，達到相對穩(wěn)定的熱舒適狀態(tài)用了2 h。模型2 在22:00 點左右達到了Ⅱ級規(guī)范要求，之后的PMV 一直維持在0.6～0.8 之間，PPD 值介于15%和25%之間。模型3 開機1 h 后PMV 便處于1 以下，PPD 小于26%，運行到凌晨5:00 點時，PMV 和PPD 值均降至Ⅰ級熱舒適范圍內。三個模型各自的PMV 值和PPD 值變化趨勢相近，按整體熱舒適好壞程度排序：模型3＞模型2＞模型1。綜上，在臥室典型日運行時間段內，模型3 墻面輻射系統(tǒng)形式熱舒適性最佳。

由圖5，在供暖設計日內，模型3 熱舒適性最佳，其PMV 值為-0.5～-0.9，PPD≤25%，系統(tǒng)運行1 h 便可達到Ⅱ級熱舒適標準，但是在運行時間段內沒有達到Ⅰ級標準，PMV 值最大時為-0.52。模型2 的PMV在-0.7～-1 之間變化，PMV 最小時為19%，符合Ⅱ級標準。模型1 在上午運行時段的PMV 在12:00 才接近于-1，下午則是在19 點PMV≥-1，PPD≤25%，在三個模型中屬于最晚達到Ⅱ級熱舒適標準的。

圖5 客廳PMV-PPD 值（1 月21 日）

圖6 客廳PMV-PPD 值（7 月21 日）

圖6 顯示供冷設計日，開機運行1 個小時后，模型2 和模型3 的PMV 都小于1，PDD＜25%，滿足了規(guī)范要求的Ⅱ級熱舒適要求，模型1 則用了2 h。上午運行時段三個模型都沒有滿足Ⅰ級熱舒適要求，模型3 的PMV 值最小，所以熱舒適性最好。下午運行時段的PMV 和PPD 值變化趨勢和上午相似，同樣所有模型均未滿足Ⅰ級的標準，模型3 擁有三者中最好的熱舒適性。

3.3 能耗模擬結果分析

系統(tǒng)模擬分析運行時間為全年8760 個小時，各模型系統(tǒng)運行時段內的各設備耗電量如圖7 所示。

圖7 各模型分項能耗比較圖

從分項能耗比較圖中可以看出，在供冷主機能耗方面，輻射系統(tǒng)供冷主機能耗較多聯(lián)機低，是由于頂板及墻面輻射系統(tǒng)采用18 ℃供水溫度，提高了機組的COP。墻面輻射系統(tǒng)供冷主機較頂板輻射節(jié)能，主要原因是在同等溫度條件下，墻面輻射系統(tǒng)加快了垂直方向上的熱傳遞，所以達到相同的溫度所耗電量更少。在供熱主機能耗方面，頂板輻射系統(tǒng)的供熱能耗較高，主要原因是一方面熱空氣密度大，房間頂部的熱量往下傳遞需要時間，另一方面供熱時需要先加熱墻體再與周圍空氣對流傳熱。水泵能耗方面，多聯(lián)機不需要水系統(tǒng)所以沒有能耗。風機能耗方面，由于輻射空調系統(tǒng)風機盤管承擔的負荷減少，故相比多聯(lián)機系統(tǒng)風機能耗也降低。

三種空調系統(tǒng)模型的全年運行能耗匯總具體如表3 所示：

表3 全年運行能耗匯總（單位：kW·h）

模擬結果表明，與多聯(lián)機系統(tǒng)相比：

1）關于全年能耗方面，墻面輻射雙冷源系統(tǒng)可降低約1100 kW·h，頂板輻射雙冷源系統(tǒng)可降低約208 kW·h。

2）分項能耗方面，墻面輻射雙冷源系統(tǒng)全年供冷主機能耗可節(jié)約50%，供熱主機能耗可節(jié)約23%。頂板輻射雙冷源系統(tǒng)供冷主機能耗可節(jié)約42%，供熱主機能耗大，不節(jié)能。

3）單位建筑面積能耗方面，墻面輻射系統(tǒng)耗電量為54.1 kW·h/m2，單位建筑面積節(jié)約4.1 kW·h。頂板輻射系統(tǒng)為57.4 kW·h/m2，單位建筑面積節(jié)約0.8 kW·h。

4 結論

本文建立了不同末端形式的雙冷源輻射空調系統(tǒng)模型，基于EnergyPlus 軟件進行熱舒適性與能耗模擬，與多聯(lián)機系統(tǒng)進行對比分析后得出：

1）從熱舒適性上看，雙冷源輻射空調系統(tǒng)兩種末端形式都具有更高的熱舒適性，達到相同的熱舒適度所用時間：墻面輻射系統(tǒng)＜頂板輻射系統(tǒng)＜多聯(lián)機系統(tǒng)，墻面輻射系統(tǒng)可節(jié)約1～2 h。

2）從能耗方面看，墻面輻射系統(tǒng)全年能耗最低，可節(jié)約1100 kW·h，單位建筑面積節(jié)約4.1 kW·h，全年供冷主機能耗可節(jié)省50%，供熱主機能耗可節(jié)省23%。

3）綜合比較，雙冷源輻射空調系統(tǒng)能更好的解決高熱舒適和低能耗不可同時滿足的問題，其中墻面輻射系統(tǒng)又因其熱響應速度快,擁有良好的應用前景。結論為雙冷源輻射空調系統(tǒng)末端形式的設計提供了一個參考方案。