地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)夏季供冷實(shí)驗(yàn)及模擬分析

李兆函， 田琦， 郭衛(wèi)強(qiáng)

(1. 太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024； 2. 山西恒星瑞邦供熱有限公司， 山西 太原 030024)

制冷劑直接地板輻射供冷暖系統(tǒng)是近年來新興的一種無水地板輻射供冷暖系統(tǒng)[1]，常與空氣源熱泵[2]、太陽能熱泵[3]、太陽能-空氣源熱泵[4]等相結(jié)合.它主要利用制冷劑作為換熱介質(zhì)，直接進(jìn)入盤管內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)吸熱或冷凝放熱，來達(dá)到夏季制冷或冬季制熱的效果.相比低溫水地板輻射供冷暖系統(tǒng)，制冷劑直接地板輻射供冷暖系統(tǒng)省略了制冷劑與水的二次傳熱，能夠有效地提高傳熱效率，而且不會(huì)存在管道漏水和凍裂的隱患，有著較高的安全性和節(jié)能性.

在熱舒適性方面，賀興旺等[5]認(rèn)為地板輻射供冷用于太原市居住建筑夏季降溫理論上可行.周致田等[6]以藝術(shù)廳為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)地板表面溫度在21.56 ℃以下，空氣濕度為55%～65%時(shí)，室內(nèi)的人體舒適性較好.王園園等[7]通過模擬采用制冷劑輻射式供冷系統(tǒng)的辦公室，發(fā)現(xiàn)僅距離地板0.36 m以上范圍內(nèi)能滿足人體熱舒適性要求.在地板輻射供冷如何防止地板結(jié)露方面，主要是通過降低室內(nèi)空氣相對(duì)濕度，常用的方法有與置換通風(fēng)、風(fēng)機(jī)盤管等形式相結(jié)合[8-12].在多聯(lián)輻射供暖系統(tǒng)方面，馬小丹[13]提出了多聯(lián)干式毛細(xì)管輻射熱泵系統(tǒng)，對(duì)比分析了風(fēng)管機(jī)制熱和毛細(xì)管輻射制熱時(shí)供暖末端的熱舒適性，發(fā)現(xiàn)毛細(xì)管輻射制熱時(shí)各指標(biāo)均優(yōu)于風(fēng)管機(jī).

以上所提到的地板輻射供冷暖系統(tǒng)末端大都只匹配一個(gè)盤管末端，最多3個(gè)，無法滿足面積大，多個(gè)房間供冷暖的需求.此類系統(tǒng)通常只能單一供熱或供冷，需要與其他系統(tǒng)聯(lián)合，才能實(shí)現(xiàn)冬季供熱夏季供冷，管路復(fù)雜，系統(tǒng)整體成本較高，造成資源浪費(fèi).因此本文提出將空氣源熱泵與以制冷劑為冷熱媒的多聯(lián)式地板輻射供冷暖相結(jié)合，形成地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)[14].

1 地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)

文中所提出地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)，是由室外的空氣源熱泵、制冷劑管道、冷媒控制箱、分集器及多個(gè)室內(nèi)的盤管所組成的.夏季工況下，室內(nèi)的盤管代替蒸發(fā)器，而冬季工況下則代替冷凝器.室外空氣源熱泵連接一組配管，作為主管道，后通過管道分歧管連接各分管道；各分管道再通過分集器連接各室內(nèi)盤管末端，從而實(shí)現(xiàn)多聯(lián)供冷暖.系統(tǒng)的制冷劑選擇R410A[15].相比于其他制冷劑，它具有較好的環(huán)保性及更低的流動(dòng)阻力，熱力性能也良好，無毒不易燃，安全性較好.另外，設(shè)有獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)，保證室內(nèi)新風(fēng)供給，降低室內(nèi)空氣濕度，降低地板結(jié)露可能.

文中采用實(shí)驗(yàn)加模擬的方法，探究地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)夏季供冷時(shí)，管程較長的房間與管程較短的房間地板表面平均溫度差別大小、房間供冷效果差異及房間舒適性、地板表面結(jié)露情況.在山西省太原市使用該系統(tǒng)供冷的建筑二層內(nèi)，以水平管程相差約35 m的兩個(gè)房間為研究對(duì)象，對(duì)夏季供冷時(shí)的房間內(nèi)地板表面平均溫度進(jìn)行了測(cè)量，并查看是否有結(jié)露現(xiàn)象；然后，用Airpak 3.0軟件建立房間模型，通過實(shí)驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性；最后，模擬出兩個(gè)房間典型截面的水平溫度場(chǎng)、豎直溫度場(chǎng)及PMV (predicted mean vote)-PPD (predicted percent dissatisfied)分布云圖，并進(jìn)行對(duì)比分析.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 Fig.1 Schematic diagram of experimental system

目前，國內(nèi)外普遍采用的熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)為PMV-PPD.國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730:2005規(guī)定，-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%時(shí)的熱環(huán)境為滿意的熱舒適環(huán)境. 但是，由于國情和生理情況的不同，我國的熱舒適性PMV和PPD推薦值為-1.5≤PMV≤1.2，PPD≤20%[16].文中將選取國內(nèi)的推薦值作為模擬的熱舒適評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖.實(shí)驗(yàn)在7:30開啟系統(tǒng)，待地板表面中心處溫度下降且不再超過0.5 ℃，系統(tǒng)穩(wěn)定后開始進(jìn)行測(cè)量.實(shí)驗(yàn)時(shí)間為9:00-18:00，每隔30 min測(cè)量一次下列相關(guān)數(shù)據(jù).

1) 地板表面溫度.使用紅外測(cè)溫槍，對(duì)地板表面均勻布置的16個(gè)測(cè)點(diǎn)和中心位置處的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量記錄.

2) 非輻射壁面溫度.使用紅外測(cè)溫槍，對(duì)四周墻壁中心及天花板中心的各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量記錄.

3) 室內(nèi)溫度縱向梯度溫度.在室內(nèi)中心豎直處，根據(jù)梅花狀分布確定5個(gè)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50785-2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，在分別在0.1，0.6，1.1，1.7 m的高度處布置測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)著人體腳踝處，坐姿時(shí)人體膝蓋位置處、呼吸位置處及站姿時(shí)人體呼吸位置處；采用水銀溫度計(jì)，固定在相應(yīng)位置處；水銀球采用錫箔紙進(jìn)行遮光處理，避免光照輻射影響.實(shí)驗(yàn)開始前一天，將實(shí)驗(yàn)裝置放置在房間內(nèi)，使其穩(wěn)定.

4) 風(fēng)速.實(shí)驗(yàn)房間送風(fēng)均采用上送上回形式，條形風(fēng)口，送風(fēng)溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為55%，送風(fēng)風(fēng)速為2 m·s-1，回風(fēng)溫度為23 ℃，相對(duì)濕度為62%，回風(fēng)速度為1 m·s-1.使用熱線風(fēng)速儀，在送風(fēng)口下豎直距地面1.7，0.6 m處，房間中心豎直線上0.1，0.6 m處的各測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行測(cè)量記錄.

5) 室內(nèi)外溫濕度.將兩個(gè)溫濕度計(jì)分別固定在室外背光處及房子中心位置處，水銀球遮光處理.

6) 太陽輻射強(qiáng)度.使用太陽輻射照度儀，調(diào)整好儀器角度，固定放置在房間窗前.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

各房間的典型時(shí)間實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，如表1所示.表1中：tF為溫度；RH為濕度.

表1 各房間的典型時(shí)間實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental measurement data of typical time in each room

圖2 地板表面平均溫度對(duì)比圖 Fig.2 Comparison of average temperature of floorsurface

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖2可知：兩個(gè)房間地板表面平均溫度變化趨勢(shì)大致相同，但達(dá)到峰值的時(shí)間有所不同.這是由于兩個(gè)房間位置不同，地板表面受照時(shí)間不同.房間1在13:00的太陽輻射強(qiáng)度最大，房間2在14:30的太陽輻射強(qiáng)度最大，因此峰值出現(xiàn)在這兩個(gè)時(shí)刻.房間2位于西方向，存在西曬問題，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)間末尾地板表面溫度比初始時(shí)稍高，但不超過1 ℃.管程相差35 m的兩個(gè)房間地板表面的日平均溫度分別為20.28和21.36 ℃，水平管程較長的房間2的地板表面平均溫度略高，各時(shí)間管程較長的房間2的地板表面平均溫度與管長較小的房間1僅相差1 ℃左右，最大不超過2 ℃.

2.3.2 房間中心豎直溫度分布 各房間典型時(shí)間中心處豎直溫度分布，如表2所示.由表2可知：房間內(nèi)豎直方向的溫度都隨著高度的增加而逐漸增大，每個(gè)房間相鄰測(cè)點(diǎn)之間的溫差小于0.5 ℃·m-1，最低點(diǎn)與最高點(diǎn)溫差小于1 ℃，溫度梯度為正值.

表2 各房間的典型時(shí)間中心處豎直溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental measurement data of vertical temperature at typical time center in each room

各時(shí)刻兩個(gè)房間內(nèi)距地面不同位置處的溫度(t)對(duì)比，如圖3所示.由圖3可知：各時(shí)刻各房間內(nèi)距地面0.1，0.6 m處的溫度相差均小于1 ℃，距地面0.1，1.1 m處的溫度差均小于3 ℃，距地面0.1 m腳踝處溫度高于20 ℃，滿足相關(guān)要求.此外，房間1和房間2在各時(shí)刻同等高度的溫度差均小于2 ℃，豎直溫度分布情況差距較小.

(a) 距地面0.1，0.6 m處 (b) 距地面0.1，1.1 m處圖3 各房間內(nèi)距地面不同位置處的溫度對(duì)比圖 Fig.3 Comparison of temperature at different positions in each room from ground

2.3.3 房間風(fēng)速情況 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：送風(fēng)口下的風(fēng)速略大于房間中心處的風(fēng)速，但小于2 m·s-1，房間中心處的風(fēng)速小于0.25 m·s-1，滿足風(fēng)速方面的舒適度要求.

圖4 各時(shí)刻房間室內(nèi)溫度變化 Fig.4 Room temperature change at each time

2.3.4 室內(nèi)溫度和溫濕度 各時(shí)刻房間內(nèi)的室內(nèi)溫度(t)變化，如圖4所示.從圖4可知：房間1的室內(nèi)平均溫度在21～24 ℃之間，濕度在63%～69%之間；而房間2的室內(nèi)平均溫度在22～26 ℃之間，濕度在51%～63%之間.表明，兩個(gè)房間的平均溫度均在舒適范圍內(nèi).

2.4.6 結(jié)露情況 實(shí)驗(yàn)過程中，兩個(gè)房間距地面0.1 m處的溫度均在空氣的露點(diǎn)溫度以上，最低高出1 ℃，且房間濕度較低，沒有達(dá)到結(jié)露條件.即兩個(gè)房間地板均沒有結(jié)露情況出現(xiàn).

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用地板直噴式多聯(lián)熱泵供冷暖系統(tǒng)夏季供冷時(shí)，管程差約為35 m的兩個(gè)房間，各房間內(nèi)地面表面溫度分布均勻，豎直溫度場(chǎng)溫度梯度均為正值，同等高度溫度相差較小，室內(nèi)平均溫度相差不超過3 ℃，房間內(nèi)風(fēng)速較為舒適.管程較長的房間2地板表面平均溫度高于管程較短的房間11 ℃左右，最大差值不超過2 ℃，無結(jié)露情況.這說明對(duì)于面積較大、多房間的場(chǎng)所，地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)對(duì)管程較大的末端房間仍能提供較好的末端溫度，與其他供冷房間地板表面平均溫度相差較小，不會(huì)出現(xiàn)管程大的房間末端效果不好的現(xiàn)象.

(a) 房間1 (b) 房間2圖5 房間物理模型圖 Fig.5 Room physical model

3 數(shù)值模擬分析

3.1 物理模型

本次模擬研究的對(duì)象是實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)房間，其物理模型如圖5所示.

房間1的尺寸為4.2 m×6.2 m×3.5 m(長×寬×高)，東外墻上有個(gè)尺寸為3.5 m×1.1 m的雙層中空玻璃塑鋼窗，窗臺(tái)高1.4 m，除屋頂外其余三面墻均為內(nèi)墻，西內(nèi)門的尺寸為0.9 m×2.6 m.房間2的尺寸為6.2 m×8 m×3.5 m(長×寬×高)，西外墻上有個(gè)尺寸為7 m×2.8 m的雙層中空玻璃塑鋼窗，窗臺(tái)高0.2 m.除屋頂和北外墻外其余兩面墻均為內(nèi)墻.東內(nèi)門的尺寸為0.9 m×2.6 m.

兩個(gè)房間地面上均鋪設(shè)有同種類型的大理石地板磚.房間內(nèi)均有一人，一盞熒光燈.為簡(jiǎn)化模型，將熒光燈簡(jiǎn)化為0.4 m×0.2 m×0.05 m(長×寬×高)的長方體模型，功率為35 W，人體站立發(fā)熱量按75 W計(jì)算.兩個(gè)房間內(nèi)物品均簡(jiǎn)化為立方體，各物品尺寸如下：桌子為2.8 m×0.95 m×0.75 m(長×寬×高)；沙發(fā)為2 m×1 m×0.8 m(長×寬×高)；柜子為3.2 m×0.5 m×2.2 m(長×寬×高).

送風(fēng)方式采用上送上回方式，送風(fēng)口、回風(fēng)口均布置在天花板上.

3.2 數(shù)學(xué)模型

該系統(tǒng)室內(nèi)的送風(fēng)速度較小，可以視室內(nèi)空氣為不可壓縮流體且符合Boussinesq假設(shè)，房間內(nèi)的空氣流動(dòng)均屬于穩(wěn)態(tài)湍流，送風(fēng)口送風(fēng)均勻.室內(nèi)空氣的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性參數(shù)均設(shè)置為定值.假定盤管內(nèi)制冷劑溫度不變，在計(jì)算中選取k-ε兩方程模型和離散坐標(biāo)(DO)輻射換熱模型.對(duì)房間離散采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；X，Y，Z方向上網(wǎng)格的最大單元尺寸為0.15 m，對(duì)外窗等溫度梯度較大的地方局部加密后表面的網(wǎng)格數(shù)為5，細(xì)化后網(wǎng)格信息的網(wǎng)格數(shù)為233 444，節(jié)點(diǎn)數(shù)為246 821.

3.3 邊界條件及相關(guān)的參數(shù)設(shè)置

設(shè)置房間1的地板表面溫度為20 ℃，房間2的地板表面溫度為21 ℃；外墻、外窗均為常熱流邊界，除地板、外窗、外墻外，其余圍護(hù)結(jié)構(gòu)皆為絕熱邊界.人員穿著短袖短褲，站立狀態(tài)，輕微活動(dòng)量.非輻射壁面溫度設(shè)為22 ℃.送風(fēng)溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為55%，送風(fēng)風(fēng)速為2 m·s-1，回風(fēng)溫度為23 ℃，相對(duì)濕度為62%，回風(fēng)速度為1 m·s-1.風(fēng)口邊界條件為默認(rèn)條件.

3.4 模擬結(jié)果及分析

3.4.1 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照 兩個(gè)房間各測(cè)點(diǎn)的溫度均高于模擬值，最大差值為1.8 ℃，最小差值為0.5 ℃，偏差值在5%以內(nèi)，在可接受范圍內(nèi).總體而言，Airpak 3.0軟件的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明文中所建立的數(shù)學(xué)模型和選取的邊界條件是較合理的，模擬結(jié)果也是可靠的.因此，文中利用Airpak 3.0軟件，對(duì)上述工況和邊界條件下房間內(nèi)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、濕度場(chǎng)及PMV-PPD云圖進(jìn)行模擬和分析；驗(yàn)證采用地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵供冷暖系統(tǒng)夏季供冷時(shí)，管程差為35m的兩個(gè)房間是否都滿足舒適性要求，且比較差異大小.

3.4.2 水平溫度場(chǎng) 各房間內(nèi)距地面0.1 m截面處的溫度場(chǎng)變化，如圖6所示.由圖6可知：兩個(gè)房間溫度場(chǎng)都較均勻，房間1 截面溫度小于房間2 ，但不超過2 ℃，且均大于20 ℃，滿足腳踝處溫度大于20 ℃要求.

(a) 房間1 (b) 房間2圖6 各房間內(nèi)距地面0.1 m截面處的溫度場(chǎng)變化 Fig.6 Change of temperature field in each room at 0.1 m section from ground

3.4.3 房間中心處豎直方向溫度場(chǎng) 各房間中心處豎直方向的溫度場(chǎng)變化，如圖7所示.圖7中：Z為截面位置.由圖7可知：豎直方向上溫度的分層現(xiàn)象較為明顯，兩個(gè)工作區(qū)域內(nèi)溫度均保持在21～23 ℃之間，距地面0.1和1.7 m處的垂直溫差均不超過3 ℃，滿足舒適度要求.

(a) 房間1(Z=3.125 m) (b) 房間2(Z=4 m)圖7 各房間不同截面的溫度場(chǎng)變化 Fig.7 Temperature field changes of different cross-sections in each room

3.4.4 流速場(chǎng) 在Y=0.6 m，不同空氣流速(v)下各房間的截面空氣流速矢量圖，如圖8所示.由圖8可知：兩個(gè)房間內(nèi)的室內(nèi)空氣最大流速都不超過0.5 m·s-1，在工作區(qū)域內(nèi)空氣流速約為0.05 m·s-1.達(dá)到舒適性空調(diào)供冷工況下，人員長期滯留區(qū)域空調(diào)室內(nèi)風(fēng)速應(yīng)不超過0.25 m·s-1的要求，工作區(qū)域內(nèi)人員無吹風(fēng)感，舒適性較好.

(a) 房間1 (b) 房間2圖8 各房間的截面空氣流速矢量圖(Y=0.6 m) Fig.8 Vector cross-sectional air velocity of each room (Y=0.6 m)

3.4.2 舒適性 各房間不同截面的PMV圖，如圖9所示.由圖9(a),(b)可知：地板輻射制冷時(shí)，地面附近人員稍有不滿意，PMV值在-1.5以上，感覺稍涼；但隨著高度的升高，PMV值逐漸增大.風(fēng)口下，PMV值稍有降低，但仍滿足要求.從圖9(c),(d)可知：在工作區(qū)域內(nèi)，PMV值均在0以上，風(fēng)口下的PMV值稍有降低，但-1.5≤PMV≤1.2，舒適度良好.

各房間不同截面的PPD圖，如10所示.由圖10可知：在豎直方向上，PPD值隨著高度的增加而逐

(a) 房間1(Z=3.125 m) (b) 房間2(Z=4 m)

(c) 房間1(Y=0.6 m) (d) 房間2(Y=0.6 m)圖9 各房間不同截面的PMV圖 Fig.9 PMV diagram of different cross-sections in each room

(a) 房間1(Z=3.125 m) (b) 房間2(Z=4 m)

(c) 房間1(Y=0.6 m) (d) 房間2(Y=0.6 m)圖10 各房間不同截面的PPD圖 Fig.10 PMV diagram of different cross-sections in each room

漸降低，但波動(dòng)幅度不大；而在平面內(nèi)風(fēng)口下，PPD值稍高，但PPD≤20%，滿足舒適性要求.

模擬結(jié)果顯示，采用地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)夏季供冷時(shí)，管程差約為35 m的兩個(gè)房間內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，都滿足舒適性要求.說明采用地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)時(shí)，管程較大的房間也能有著較好的舒適性，且與管程較小的房間舒適性差別不大.

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了太原市采用地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)夏季供冷的建筑內(nèi)，水平管程相差約35 m的兩個(gè)房間中的地板表面溫度、豎直溫度分布、室內(nèi)溫濕度，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)物理模型的正確性.采用Airpak 3.0模擬了兩個(gè)房間的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、PMV值和PPD值的分布，得出以下3點(diǎn)主要結(jié)論.

1) 采用地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)夏季供冷時(shí)，管程較長的房間地板表面平均溫度略高，兩個(gè)房間平均相差1 ℃左右，最大不超過2 ℃.這說明采用地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)，雖然房間較遠(yuǎn)，管程較長，也可以有較好的末端溫度，可適用于面積大、有多房間供冷需求的場(chǎng)所.

2) 采用地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)夏季供冷的兩個(gè)房間，距地面0.1 m處溫度都高于20 ℃，豎直溫度梯度都為正值；而距地面0.1與1.7 m處的溫差均小于3 ℃，室內(nèi)風(fēng)速均小于0.5 m·s-1.各房間同等高度溫差也小于2 ℃.說明，管程較長與管程較短的房間舒適性均滿足相關(guān)要求.

3) 兩個(gè)房間平均溫度維持在21～25 ℃左右，夏季較為舒適.近地面處，風(fēng)口下人員稍有不滿意，但工作區(qū)域內(nèi)溫度場(chǎng)均勻，PMV值和PPD值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，舒適性良好.

因此，地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)在夏季供冷時(shí)，即使最遠(yuǎn)端的房間管程較長，也可以保證房間舒適性，且有著良好的供冷效果，與其他供冷房間差異較小.地板直噴式多聯(lián)機(jī)熱泵系統(tǒng)對(duì)面積大、有多房間供冷需求的場(chǎng)所更加適用.