徐正宏

（南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇南京 210000）

1 引言

輻射盤管是一類基于輻射傳熱原理的空調(diào)末端設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種建筑領(lǐng)域，相關(guān)的研究成果也很多，基于空氣特性，常見夏季用于吊頂方式供冷，冬季用作地板采暖。毛細(xì)管輻射盤管是近年來出現(xiàn)的一種新型輻射盤管方式，其仿造人體及葉脈毛細(xì)管構(gòu)造，采用壁厚約0.9mm，直徑約3.5～5mm的PP－R（無規(guī)共聚聚丙烯）材料制成。與傳統(tǒng)輻射盤管相比，毛細(xì)管輻射盤管具有換熱面積大，換熱均勻，供水溫度要求低（采暖時(shí)溫度可以較低，供冷時(shí)溫度可以相應(yīng)提高）的優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)毛細(xì)管熱工特性，德國國家標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)（DNI）組織制定了DN47標(biāo)準(zhǔn)，一些生產(chǎn)研究毛細(xì)管的工廠、設(shè)計(jì)制造安裝公司組織制定了FGK標(biāo)準(zhǔn)，為毛細(xì)管設(shè)計(jì)研發(fā)提供了參考。Tacycon Kim［1］總結(jié)前人的研究得到毛細(xì)管輻射盤管系統(tǒng)應(yīng)用有很大的節(jié)能潛力。輻射盤管在高濕度的氣候條件下使用時(shí)，出現(xiàn)了結(jié)露和不能除濕等問題。針對(duì)這一現(xiàn)狀，學(xué)者沿著熱濕負(fù)荷獨(dú)立處理的思路進(jìn)行研究。F.Alamdari［2］、S.G.Hodder［3］通過研究置換通風(fēng)和輻射末端的結(jié)合，解決了結(jié)露的問題;LZ.Zhang、J.L.Liu［4］和丁云飛［5］提出用轉(zhuǎn)輪的方法除濕。毛細(xì)管輻射盤管作為空調(diào)系統(tǒng)的末端，夏季供冷時(shí)同樣存在以上的問題。馬玉奇、劉學(xué)來等［6］建立了毛細(xì)管平面輻射盤管空調(diào)系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)模型，試驗(yàn)研究毛細(xì)管輻射盤管/置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)露過程，認(rèn)為結(jié)露是很緩慢形成的且有方法控制，不應(yīng)該成為毛細(xì)管輻射盤管空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用和推廣的障礙。高志宏，劉曉華［7］對(duì)毛細(xì)管輻射盤管吊頂空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了不同供水狀況和不同敷設(shè)形式下，毛細(xì)管輻射盤管空調(diào)的供冷能力和熱舒適性。從目前的現(xiàn)狀來看，結(jié)合風(fēng)機(jī)盤管的毛細(xì)管輻射盤管空調(diào)系統(tǒng)還是最成熟的方案，實(shí)際工程當(dāng)中也有應(yīng)用。

根據(jù)我國的氣候條件，許多的地方不僅夏季需要制冷空調(diào)，冬季也需要供暖。目前研究毛細(xì)管輻射盤管系統(tǒng)用于冬季采暖的很少，傅允準(zhǔn)、蔡穎玲、陳帥［8］等將毛細(xì)管應(yīng)用于地板采暖系統(tǒng)中，但毛細(xì)管頂板/風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)冬季供熱時(shí)的狀況鮮有提及。歐洲及美國在使用毛細(xì)管頂板空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，通常在冬季增加另一套末端來解決供熱問題。就我國的目前經(jīng)濟(jì)水平和實(shí)際資源的情況來看，參照歐洲和美國的做法無疑是不合適的。同時(shí)，單獨(dú)使用輻射盤管供暖時(shí)存在供暖速度慢的問題。基于以上的考慮，本文對(duì)毛細(xì)管輻射盤管頂板/風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)冬季供熱的工況條件、房間舒適性以及系統(tǒng)能耗狀況進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，為實(shí)際工程中的應(yīng)用打下一定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)環(huán)境及測(cè)試內(nèi)容

本文搭建了毛細(xì)管頂板/風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)利用南京市建筑設(shè)計(jì)研究院與某地產(chǎn)公司共建的試驗(yàn)房間作為研究對(duì)象，周圍房間沒有供暖，尺寸為8.4m×3.75m×2.8m。試驗(yàn)通過加熱器向毛細(xì)管及風(fēng)機(jī)盤管提供熱量，房間頂部設(shè)有金屬板毛細(xì)管吊頂，下部設(shè)有送風(fēng)口，頂部設(shè)有回風(fēng)口。房間平面面積為31.5m2，金屬板毛細(xì)管每塊面積為0.36m2，總共分三部分敷設(shè)，每部分敷設(shè)17塊，供暖板總面積為3×17×0.36m2=18.36 m2，見圖 1。

本試驗(yàn)中測(cè)試內(nèi)容:

（1）水溫測(cè)試:

測(cè)試金屬板毛細(xì)管進(jìn)出口水溫，風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)出口水溫。采用四線制鉑電阻，精度為±0.1℃。

圖1 試驗(yàn)室示意及測(cè)點(diǎn)布置

（2）水流量測(cè)試:

測(cè)試供水流量，采用TOSHIBA電磁流量計(jì)LDTH型精度為0.2%Q。

（3）房間及室外空氣溫度測(cè)試:

1）測(cè)試房間幾何中心位置處的空氣溫度和室外空氣溫度，采用VAISALA HMT333型溫濕度測(cè)試儀，精度為±0.2℃

2）如圖2中右側(cè)示意的測(cè)點(diǎn)平面，三組測(cè)點(diǎn)投影位置在房間南北三分和東西兩分處，每組測(cè)點(diǎn)在垂直方向上從0.1m至2.1m，每隔0.5m布置一個(gè)，共5個(gè)，采用K型熱電偶，精度為±0.0075|t|℃。

本試驗(yàn)采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀采集及記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)房間為西面墻體有保溫（聚苯保溫材料），其余為正常墻體。因此，室外氣溫及天氣條件是對(duì)試驗(yàn)存在干擾，根據(jù)實(shí)測(cè) （實(shí)測(cè)從某日19∶00至次日19∶00，房間沒有供暖、人員和設(shè)備散熱，也沒有人員進(jìn)出，門窗保持關(guān)閉）房間溫度，見圖2。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，晚上至凌晨的時(shí)段房間溫度變化較小，白天時(shí)存在太陽輻射的影響，房間氣溫變化較快。因此，選取試驗(yàn)的時(shí)間為晚上10∶00至次日凌晨8∶00，可以最小程度的減小外界環(huán)境對(duì)試驗(yàn)的影響。試驗(yàn)分成兩部分，第一部分為變供水工況試驗(yàn)，以測(cè)試變供水工況下的性能;第二部分為24h連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，以測(cè)試長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的性能。另外，還運(yùn)用TRNSYS軟件模擬了該系統(tǒng)冬季不同工況 （流量、供水溫度）下系統(tǒng)及房間特性 （具體模擬過程略）。

（1）變工況試驗(yàn)方法及步驟:

1）試驗(yàn)前利用閥門調(diào)節(jié)水路流量，待流量穩(wěn)定后再進(jìn)行試驗(yàn)操作。

圖2 房間溫度隨時(shí)間變化

2）試驗(yàn)室利用加熱器加熱水溫，以開啟加熱器為試驗(yàn)的時(shí)間起點(diǎn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3）試驗(yàn)時(shí)改變供水工況，溫度變化為39℃、41℃、43℃和 45℃，流量變化為 0.6m3/h、0.8 m3/h和1.0 m3/h。

4）試驗(yàn):每組工況進(jìn)行4小時(shí)，試驗(yàn)室開始時(shí)，采用另一套空調(diào)設(shè)備將房間溫度 （房間幾何中心處）調(diào)整為8℃，管路中水溫調(diào)整為12℃，一組試驗(yàn)結(jié)束后，待試驗(yàn)室條件恢復(fù)初始值再進(jìn)行下一組。

（2）長時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn)方法及步驟:

長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，兩末端設(shè)備同時(shí)開啟三小時(shí)后關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤管，

3 結(jié)果分析與討論

本文對(duì)房間的負(fù)荷情況進(jìn)行了分析計(jì)算，計(jì)算時(shí)依據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè) （第二版）》中的相關(guān)計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)［8］，室內(nèi)計(jì)算溫度20℃，室外計(jì)算溫度3℃，得出了試驗(yàn)房間冬季供熱負(fù)荷，人體散熱標(biāo)準(zhǔn)采用ISO7730［9］中關(guān)于人員散熱的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見表1。

表1 房間負(fù)荷及內(nèi)熱源情況

3.1 房間穩(wěn)定溫度分析

實(shí)際進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，選在2月的晚間至凌晨進(jìn)行，模擬也采用相應(yīng)的天氣參數(shù)，各種變供水溫度和流量工況下，室外氣溫比較接近，實(shí)際試驗(yàn)中測(cè)得的平均值最高組和最低組見圖3，室外氣溫在試驗(yàn)的四個(gè)小時(shí)內(nèi)的變化在1.5℃之內(nèi)，平均值最大組為4.26℃。最小組為2.36℃，試驗(yàn)室氣密性良好，室內(nèi)沒有人員走動(dòng)，因此，外界環(huán)境條件對(duì)試驗(yàn)的影響很小。

圖4為模擬和試驗(yàn)時(shí)房間溫度穩(wěn)定后的情況，圖中房間溫度由位于房間幾何中心的溫濕度變送器測(cè)得 （以下的文章中除討論舒適性的章節(jié)外，所提及的房間溫度均是指此溫度）。從圖4的試驗(yàn)及模擬結(jié)果可以看出，室外氣溫維持在1.5℃至5.5℃范圍時(shí)，隨著供水溫度和供水水量的上升，房間穩(wěn)定的溫度均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，房間最終溫度都可以維持在20℃以上，滿足規(guī)范中18℃至22℃的冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度范圍，達(dá)到舒適性的要求。

圖3 室外氣溫逐時(shí)變化

3.2 房間溫度響應(yīng)時(shí)間分析

圖4 變工況房間穩(wěn)定時(shí)溫度

圖5 變供水溫度、水流量情況下房間溫度響應(yīng)時(shí)間

試驗(yàn)和模擬時(shí)，初始條件為:供水水溫為12℃，房間溫度為8℃。本文定義從初始條件到房間溫度20℃時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間為房間響應(yīng)時(shí)間。圖5為變供水水溫和變供水流量情況下，房間溫度響應(yīng)時(shí)間變化情況。

圖5反映出，試驗(yàn)及模擬條件下，隨著供水溫度和流量的提高，房間響應(yīng)時(shí)間逐漸減小，試驗(yàn)值和模擬值非常接近，從圖中可以看出:

1）系統(tǒng)運(yùn)行在較大流量 （0.8m3/h和1.0m3/h）區(qū)間時(shí)，增大流量對(duì)于系統(tǒng)快速達(dá)到溫度要求相對(duì)于提高水溫其效果更加明顯。

2）系統(tǒng)在小流量 （0.6m3/h）狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，改變系統(tǒng)的供水溫度，對(duì)房間響應(yīng)時(shí)間的影響也是比較明顯的。

3）當(dāng)供水溫度在43℃以上時(shí)，提高供水溫度對(duì)于房間快速達(dá)到溫度要求，已經(jīng)沒有太大的作用，因此，不建議采用提高水溫的方法減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

3.3 系統(tǒng)舒適性分析

根據(jù)ISO7730的標(biāo)準(zhǔn)，房間的參數(shù)可以擬合為PMV－PPD，從而判定房間的舒適性。Fanger教授根據(jù)人員活動(dòng)量和衣著情況以及四個(gè)環(huán)境變量，即空氣流速、空氣溫度、空氣濕度和平均輻射溫度計(jì)算出來的熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)，PMV指標(biāo)作為一種度量熱感覺的尺度，從心理生理學(xué)作為出發(fā)點(diǎn)，采用7點(diǎn)熱感覺標(biāo)尺，見表2。

表2 熱感覺－PMV尺度

PMV指標(biāo)是根據(jù)客觀值計(jì)算出來的，而舒適性是一種主觀感受，因此Fanger教授又引入了PPD，意為一大群人對(duì)于給定環(huán)境熱感覺表示不滿意的百分率的預(yù)計(jì)值，其與PMV的關(guān)系式為:

PPD={100－95exp［－（0.03353PMV4+0.2179PMV2）］}%［9］

根據(jù)計(jì)算PPD服從正態(tài)分布，當(dāng)PMV=0時(shí)，PPD=5%，也就是說即使室內(nèi)環(huán)境達(dá)到最舒適的狀態(tài)時(shí)，由于個(gè)體的差異，仍然會(huì)有5%的人表示不舒適。ISO7730對(duì)PMV－PPD指標(biāo)的推薦值為:PPD＜10%，相應(yīng)的PMV為－0.5＜PMV＜+0.5。試驗(yàn)房間的PMV－PPD值如圖6，圖7。

圖6 PMV值

圖7 PPD值

圖6中PMV值隨著供水溫度和流量的升高而升高，當(dāng)供水水量為0.6m3/h時(shí)，房間的PMV值始終是在－1以下，也就是說房間中人體感覺是涼的，不滿足舒適性的要求。當(dāng)供水水量提高到0.8m3/h和1.0m3/h時(shí)，房間的PMV值明顯升高，除了供水溫度39℃，水量0.8m3/h時(shí)，房間其余的PMV值均在－1和1之間，PPD的范圍在10%以內(nèi)，也就是說只有10%以內(nèi)的人員會(huì)對(duì)房間的舒適度不滿。如果進(jìn)一步考慮計(jì)算人員散熱率采用的是辦公室靜坐辦公標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上人員在室內(nèi)時(shí)不可能全部時(shí)間都是在靜坐辦公狀態(tài)，故房間PMV值還會(huì)進(jìn)一步升高，房間PPD值也會(huì)隨著下降，放寬供水溫度和水量的要求，供水水量0.8～1.0 m3/h，溫度為39～45℃時(shí)均可以滿足房間舒適性要求。

房間負(fù)荷4.02kW，是以20℃作為室內(nèi)計(jì)算干球溫度的，而PMV－PPD結(jié)果卻表明在此溫度下的房間舒適性達(dá)不到要求，這與目前我國采暖規(guī)范中的房間設(shè)計(jì)溫度為18～22℃具有一定的沖突。Fanger教授在總結(jié)PMV公式時(shí)，人員冬季衣服熱阻采用的標(biāo)準(zhǔn)是薄毛衣加一件風(fēng)衣，使得人員感覺偏冷。鑒于目前我國能源資源狀況，房間溫度控制在20℃符合節(jié)能減排的要求，同時(shí)，人員在辦公時(shí)適量添加衣物就可以很好的改善舒適性狀況，因此，房間采暖時(shí)，選取供水溫度和供水量時(shí)，還是要綜合考慮房間穩(wěn)定溫度和PMV－PPD值，不必要刻意追求完全符合ISO7730中的PMV－PPD要求，只要偏差不是很大，相應(yīng)的供水參數(shù)是可以接受的。

在舒適性范圍內(nèi)，進(jìn)一步考慮人體對(duì)于頭部和腳部溫差的感受。IS07730標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:在工作區(qū)的上方1.1m和0.1m之間的溫差≤3℃。以試驗(yàn)時(shí)房間溫度的最終穩(wěn)定值高低標(biāo)準(zhǔn)，選取三種典型工況 （0.6 m3/h，39℃;0.8 m3/h，41℃;1.0 m3/h，45℃），對(duì)房間垂直高度上溫度的分布情況進(jìn)行分析，見表3。

表3 垂直高度溫度及溫差分布

1）所有工況和位置，1.1m處和0.1m處的溫差都沒有超過3℃，符合ISO的舒適性標(biāo)準(zhǔn)。

2）北中南三個(gè)位置處的溫差很小，房間溫度場均勻性很好，舒適性較強(qiáng)。

3）房間溫度分布無論是縱向還是水平方向均滿足舒適性的要求，但沒有形成“頭冷腳熱”的溫度分布，這與熱輻射面布置在頂部有關(guān)，在以后的研究當(dāng)中可以將送風(fēng)方式改為地板送風(fēng)，加以解決。

3.4 系統(tǒng)節(jié)能潛力研究

傳統(tǒng)的采暖方式中，末端采用散熱片形式的系統(tǒng)需要80℃以上的供水，地板采暖需要45～55℃的供水，風(fēng)機(jī)盤管需要45℃ （熱泵）或60℃ （鍋爐）的供水，由此可以看出，風(fēng)機(jī)盤管聯(lián)合毛細(xì)管金屬板末端設(shè)備可以有效地降低供水溫度，具有節(jié)能的潛力，圖8是與本文同一試驗(yàn)平臺(tái)的地源熱泵機(jī)組采用本文末端設(shè)備測(cè)試機(jī)組性能時(shí)的COP值，機(jī)組COP隨著供水溫度的升高而降低，機(jī)組提供39.2℃熱水比提供45.1℃熱水時(shí)節(jié)能16%，可見采暖時(shí)使用低溫供水將有效減少系統(tǒng)能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖8 變供水溫度地源熱泵COP值

圖9 輻射散熱量百分比

有數(shù)據(jù)表明［8］，當(dāng)系統(tǒng)采用輻射末端采暖時(shí)，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度可以比采用單純風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)時(shí)降低1～3℃。由圖9可以看出系統(tǒng)在不同的供水溫度和水量下運(yùn)行時(shí)，毛細(xì)管散熱量占總散熱量的比例是不同的。隨著供水溫度從39℃升高到45℃，毛細(xì)管散熱量占總散熱量的比例分別降低了7.4%（0.6m3/h）、3.7%（0.8m3/h）和2.9%（1.0m3/h），因此，降低供水溫度可以使得毛細(xì)管發(fā)揮更大的作用，無論是舒適性還是節(jié)能性能都得到提升。

4 結(jié)論

通過構(gòu)建風(fēng)機(jī)盤管/毛細(xì)管末端系統(tǒng)TRNSYS模型及搭建系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)風(fēng)機(jī)盤管/毛細(xì)管末端系統(tǒng)進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)研究，分析了模擬及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論:

風(fēng)機(jī)盤管/毛細(xì)管末端系統(tǒng)在冬季能夠有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境，房間穩(wěn)定溫度、房間響應(yīng)時(shí)間、PMV－PPD等舒適性因素均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

風(fēng)機(jī)盤管/毛細(xì)管末端系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)采用較低水溫供水，有效提高供水熱效率，節(jié)約能源。

［1］Tacycon Kim，Shinsuke Kato.Indoor cooling/heating Load Analysis Based on Coupled Simulation of Convection，Radiation and HVAC Control［J］．Building and Environment.200l

［2］F.Alamdari.Chilled Ceilings and Displacement Ventilation［J］．Renewable Energy，1998，（15）:300 －305

［3］ S.G.Hodder， D.L.Loveday， etc.Thermal Comfort in Chilled Ceiling and Displacement Ventilation Environment:Vertical Radiant Temperature Asymmetry Effect［J］．Energy and Building，1998，（27）:167－173

［4］L.Z.Zhang，J.L.Niu.A pre－ cooling Musters environmental control desiccant cooling cycle in Combination with chilled－ceiling panels［J］．Energy 2003（28）:275－292

［5］丁云飛，丁靜，王卓越，等.除濕轉(zhuǎn)輪處理冷卻頂板空調(diào)系統(tǒng)的濕負(fù)荷［J］．華南理工大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2004，32（3）:10－14

［6］馬玉奇，劉學(xué)來，李永安，等.毛細(xì)管平面輻射空調(diào)簡介 ［J］．建筑節(jié)能，2007，（11）:5－6

［7］高志宏，劉曉華.毛細(xì)管輻射供冷性能試驗(yàn)研究［J］．太陽能學(xué)報(bào)，2011，32（1）:101－106

［8］陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè) （第二版）［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007

［9］ISO.Internation Standard 7730，Moderate thermal environments－determination of the PMV and PPD indices and specification of the thermal comfort［S］．Geneva:International Standards Organization.1984