輻射誘導(dǎo)送風(fēng)一體化空調(diào)系統(tǒng)控制特性實驗研究

司 強，李 淵，彭佑鋼，沈阿雷

（1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇常州；2.智方設(shè)計股份有限公司，江蘇南京；3.江蘇克力空調(diào)有限公司，江蘇常州）

引言

輻射空調(diào)系統(tǒng)比采用對流末端的傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)具有更高的舒適性、穩(wěn)定性和節(jié)能性[1-2]，但是無法處理室內(nèi)新風(fēng)和潛熱負(fù)荷[3]。為了解決這個問題，充分發(fā)揮輻射空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢，目前主要采用同時安裝輻射和新風(fēng)兩套冷熱源和末端系統(tǒng)的方案，并且通過溫濕度獨立和預(yù)除濕的方法進行控制[4]。然而新風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)末端和與輻射末端的組合難度大，有控制系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備占用空間多、施工與檢修難度大等缺點，并且新風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度較低，需要再熱或氣流組織以防止降低室內(nèi)舒適性，送風(fēng)形式受很大局限。

輻射誘導(dǎo)送風(fēng)一體化空調(diào)系統(tǒng)是一種輻射空調(diào)和送風(fēng)的新型耦合系統(tǒng)，具有大幅度簡化復(fù)合系統(tǒng)，容易控制和更有效防止結(jié)露等優(yōu)勢，并且在啟動特性實驗中顯示了響應(yīng)速度快的特點[5]。本文進一步通過實驗研究輻射誘導(dǎo)送風(fēng)一體化空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)舒適性。通過調(diào)節(jié)送至輻射誘導(dǎo)送風(fēng)一體化末端的一次風(fēng)量和溫度，研究其對室內(nèi)溫度分布、PMV 指標(biāo)等的影響。

1 實驗系統(tǒng)描述和運行原理

本文的實驗系統(tǒng)建于一間辦公室內(nèi)，該辦公室尺寸為6.5 m(d)×6 m(w)×2.6 m(h)。墻面為抹灰表面的蒸壓加氣混凝土砌塊，北墻安裝有采光窗。圖1 為輻射誘導(dǎo)送風(fēng)一體化末端(以下簡稱一體化末端)。實驗室內(nèi)一共安裝有4 臺一體化末端并且均可以獨立控制一次風(fēng)量。一體化末端的箱體上部接靜壓箱，內(nèi)部有混合室、誘導(dǎo)風(fēng)道和底部的開孔輻射板等部件。其運行原理為，一次風(fēng)通過靜壓箱的條形噴嘴以平面射流的形式送入混合室內(nèi)，從而在噴嘴和混合室入口之間形成負(fù)壓，誘導(dǎo)室內(nèi)回風(fēng)進入輻射板兩側(cè)的誘導(dǎo)回風(fēng)口，然后通過誘導(dǎo)風(fēng)道進入混合室內(nèi)和一次風(fēng)混合?；旌峡諝馀c開孔輻射板換熱后通過輻射板上的送風(fēng)孔進入室內(nèi)。

圖1 一體化末端剖面圖

圖2 輻射誘導(dǎo)送風(fēng)一體化空調(diào)系統(tǒng)圖

2.1.1 垂直溫度分布

圖3 給出了夏季不同一次風(fēng)量下的垂直溫度分布?？梢钥闯?，室內(nèi)溫度分布為天花板溫度較高，工作區(qū)內(nèi)隨著高度降低溫度先升高后逐漸穩(wěn)定，高度1.8 m 以下垂直方向溫度差小于0.5 ℃。溫度分層主要出現(xiàn)在一體化末端下方至2 m 高度之間，一次風(fēng)量對溫度分布的影響也主要體現(xiàn)在這個區(qū)域，一次風(fēng)量越大，溫度梯度越小。

圖3 夏季上回風(fēng)口時的垂直溫度分布

實驗系統(tǒng)如圖2 所示，除了安裝于辦公室內(nèi)的一體化末端以外，系統(tǒng)還包括空氣處理機組以及采用非共沸混合制冷劑的雙蒸發(fā)器制冷機組，該機組制冷時可提供6～18 ℃的冷媒水。機組內(nèi)安裝有低溫蒸發(fā)器和高溫蒸發(fā)器，可以將通過高溫套管式蒸發(fā)器和低溫套管式蒸發(fā)器連續(xù)蒸發(fā)換熱所得的低溫冷媒水送至分段式空氣處理機組的表冷段對一次風(fēng)進行達(dá)到冷卻除濕。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)溫度分布

從一體化末端運行原理可以看出，可控制且影響室內(nèi)溫度場分布的因素主要有一次風(fēng)量和一次風(fēng)溫度，本文通過實驗研究一次風(fēng)量、一次風(fēng)溫度和回風(fēng)口位置對室內(nèi)溫度分布的影響規(guī)律。對于結(jié)構(gòu)一定的噴口，其誘導(dǎo)比隨著一次風(fēng)量的增大而增大，當(dāng)一次風(fēng)量增至一定值時，誘導(dǎo)比即不再變化。定義誘導(dǎo)比初次達(dá)到最大值時的一次風(fēng)量為特征一次風(fēng)量，以此為特征參量，將一次風(fēng)量無因次化并定義為一次風(fēng)量系數(shù)φp=Gp/Gsp，其中Gp為一次風(fēng)量，Gsp為特征一次風(fēng)量。實驗過程中啟動室內(nèi)4 臺一體化末端，設(shè)定條形噴口開口尺寸均為6 mm，其對應(yīng)的特征一次風(fēng)量為200 m3/h，選取0.75、1.00、1.25、1.50 和1.75 的5 種一次風(fēng)量系數(shù)φp進行測試。夏季工況時，一次風(fēng)溫度為16 ℃，室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定時室外溫度為32±1 ℃。

2.1.2 水平溫度分布

圖4 給出了夏季一次風(fēng)量對室內(nèi)水平溫度分布的影響。由于辦公室內(nèi)人員大部分時間為坐姿，因此選取坐姿時頭部高度1.1 m 進行研究。可以看出，不同一次風(fēng)量下室內(nèi)水平方向溫度分布規(guī)律基本相同。當(dāng)系統(tǒng)運行至室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定后，鄰接室外環(huán)境的北外墻溫度最高，沿南北方向逐漸降低，一體化末端正下方溫度最低。隨著一次風(fēng)量的增加，一體化末端正下方溫度變化幅度不大，但是以溫度最低點為中心，周邊溫度場逐漸趨于均勻。φp=0.75 時室內(nèi)溫度水平方向最大溫度差為1.73 ℃，φp=1.50 時室內(nèi)溫度水平方向最大溫度差為1.22 ℃，一次風(fēng)量的增大可以改善室內(nèi)水平方向溫度分布的均勻性，但是無法消除一體化末端下方和北外墻附近之間的溫度差。

圖4 夏季一次風(fēng)量對室內(nèi)水平溫度分布的影響

2.2 一次風(fēng)對PMV(預(yù)計平均舒適度,Predicted Mean Vote)指標(biāo)的影響規(guī)律

圖5 給出了冬夏季PMV 指標(biāo)隨著一次風(fēng)量系數(shù)φp的變化規(guī)律。夏季PMV 指標(biāo)隨著φp的增大逐漸減小，且變化幅度越來越大。當(dāng)φp在1.25 以下時，室內(nèi)舒適度隨著φp的增大而提高，但是φp達(dá)到1.5 時，室內(nèi)舒適度降低，并且隨著φp增加至1.75，PMV 低于-0.5，超出了ASHARE 規(guī)定的舒適性標(biāo)準(zhǔn)。冬季PMV指標(biāo)隨著一次風(fēng)量系數(shù)φp的增大逐漸增大，而變化幅度越來越小。室內(nèi)舒適度隨著φp的增大逐漸提高，但是φp達(dá)到1.5 時，提升幅度減小。當(dāng)室內(nèi)處于舒適狀態(tài)時，風(fēng)速對PMV 指標(biāo)的影響不大，但是可以看出，當(dāng)φp達(dá)到1.5 以上時，風(fēng)速對測點所測得的PMV 指標(biāo)產(chǎn)生了明顯的影響。過大的一次風(fēng)量在夏季使室內(nèi)環(huán)境過冷，在冬季則抑制了室內(nèi)環(huán)境隨著一次風(fēng)量增加而變暖的趨勢。

圖5 PMV 指標(biāo)隨著一次風(fēng)量系數(shù)φp 的變化規(guī)律

定義溫差系數(shù)△tnon為室外環(huán)境溫度與一次風(fēng)溫度之差與室內(nèi)溫度與一次風(fēng)溫度之差的比值，即：

將在所有實驗工況中PMV 指標(biāo)在-0.5 至+0.5之間，滿足舒適性標(biāo)準(zhǔn)的一次風(fēng)量系數(shù)和一次風(fēng)溫度以及相應(yīng)的室內(nèi)外溫度和溫差系數(shù)整理后，進一步將一次風(fēng)量系數(shù)φp和溫差系數(shù)△tnon繪制成曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間呈現(xiàn)線性變化的趨勢，如圖6 所示。

圖6 一次風(fēng)量系數(shù)φp 和溫差系數(shù)△tnon 之間的關(guān)系

通過式（2）和式（3），可以根據(jù)冬夏季的室外溫度和室內(nèi)設(shè)計溫度得出滿足舒適性標(biāo)準(zhǔn)的一次風(fēng)量和溫度。

3 結(jié)論

本文通過實驗研究了輻射誘導(dǎo)送風(fēng)一體化空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)舒適性，得出了以下結(jié)論：

（1） 夏季一次風(fēng)量對溫度分布的影響主要體現(xiàn)在一體化末端下方至高度2 m 之間，溫度梯度隨著一次風(fēng)量的增大而減小。夏季工況下地板附近空氣溫度之間的差值小于0.3 ℃。室內(nèi)水平方向溫度分布的均勻性隨著一次風(fēng)量而提高，最大溫差始終在一體化末端下方和北外墻附近之間。

（2） 夏季PMV 指標(biāo)隨著φp的增大逐漸減小，且變化幅度越來越大。冬季PMV 指標(biāo)隨著一次風(fēng)量系數(shù)φp的增大逐漸增大，而變化幅度越來越小。冬夏季均在φp達(dá)到1.50 時PMV 指標(biāo)的變化規(guī)律出現(xiàn)轉(zhuǎn)變。冬夏季PMV 指標(biāo)均隨著一次風(fēng)量溫度的提高而線性增長。根據(jù)滿足舒適性標(biāo)準(zhǔn)的一次風(fēng)量系數(shù)和一次風(fēng)溫度，以及相應(yīng)的室內(nèi)外溫度和溫差系數(shù)發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)量系數(shù)φp和溫差系數(shù)之間呈現(xiàn)線性變化的趨勢。