王成林 李舒宏 張小松 楊文超

(1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京210096)(2邁赫機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司,濰坊262200)

不同送風(fēng)參數(shù)對(duì)地板送風(fēng)系統(tǒng)性能的影響

王成林1,2李舒宏1張小松1楊文超1

(1東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京210096)(2邁赫機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司,濰坊262200)

為了得到地板送風(fēng)系統(tǒng)理想的送風(fēng)參數(shù),首先通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研究不同送風(fēng)參數(shù)對(duì)地板送風(fēng)系統(tǒng)房間溫度分布、熱舒適性和空氣品質(zhì)的影響,然后采用控制變量法進(jìn)一步研究送風(fēng)溫度和速度對(duì)系統(tǒng)性能的影響,最終通過(guò)EnergyPlus能耗模擬軟件計(jì)算得到供冷工況下熱分層良好、舒適性較好且能耗較低的理想送風(fēng)參數(shù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)旋流風(fēng)口到人體的距離為0.7 m,送風(fēng)溫度為18～20 ℃,送風(fēng)速度在1.2～1.5 m/s時(shí),室內(nèi)熱分層較好,能夠滿(mǎn)足人員熱舒適性和空氣品質(zhì)的需求.對(duì)不同送風(fēng)參數(shù)下運(yùn)行特性與能耗影響的模擬計(jì)算表明:在理想送風(fēng)參數(shù)范圍內(nèi),當(dāng)送風(fēng)溫度為18 ℃、送風(fēng)速度為1.2 m/s時(shí),地板送風(fēng)系統(tǒng)不僅可以保持較好的熱舒適性和良好的熱分層,同時(shí)還具有較低的能耗.

地板送風(fēng)系統(tǒng);熱分層;熱舒適性;能耗

地板送風(fēng)系統(tǒng)可結(jié)合辦公建筑中弱電布線(xiàn)及辦公區(qū)域功能變化需要,靈活布置送風(fēng)口位置.設(shè)計(jì)良好的地板送風(fēng)系統(tǒng)不僅可以改善通風(fēng)效率與室內(nèi)空氣品質(zhì),還可以實(shí)現(xiàn)個(gè)人對(duì)局部熱環(huán)境的控制.因此,地板送風(fēng)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外辦公建筑中應(yīng)用日趨廣泛[1-2].目前,地板送風(fēng)系統(tǒng)在德國(guó)、瑞士、荷蘭、日本及加拿大等均有應(yīng)用,其中北美地區(qū)地板送風(fēng)系統(tǒng)已占辦公樓空調(diào)系統(tǒng)的40%[3].在我國(guó),越來(lái)越多的建筑用戶(hù)、暖通設(shè)計(jì)師和建筑師以及建筑服務(wù)顧問(wèn)更愿意考慮在新的辦公建筑中使用地板送風(fēng)系統(tǒng).

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)地板送風(fēng)系統(tǒng)的溫度分布、舒適性及能耗展開(kāi)了深入的研究.Webster等[4]針對(duì)辦公室中地板送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量和送風(fēng)口特性對(duì)室內(nèi)垂直溫度分布的影響展開(kāi)研究,結(jié)果表明當(dāng)室內(nèi)熱負(fù)荷一定時(shí),較小的送風(fēng)量會(huì)形成良好的溫度分層;改變送風(fēng)溫度,分層高度也發(fā)生變化,但溫度分布趨勢(shì)不會(huì)改變.王海英等[5]通過(guò)人體熱舒適實(shí)驗(yàn),得出下送風(fēng)氣流組織的4個(gè)主要因素為送風(fēng)口形式、送風(fēng)口到人體的距離、送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度.Kim等[6]利用CFD方法,保持送風(fēng)溫度不變,通過(guò)改變送風(fēng)速度和散流器位置模擬高大空間地板送風(fēng)系統(tǒng)的熱舒適性,結(jié)果表明地板送風(fēng)系統(tǒng)在室內(nèi)發(fā)熱量為38.3 W/m2、送風(fēng)溫度為18 ℃、送風(fēng)速度為0.5～0.8 m/s時(shí),均能夠提供滿(mǎn)意的人員熱舒適性.Alajmi等[7]利用EnergyPlus對(duì)炎熱地區(qū)采用地板送風(fēng)系統(tǒng)和上送風(fēng)系統(tǒng)的辦公建筑能耗進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明,地板送風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)溫度為18 ℃(室內(nèi)設(shè)定溫度為26 ℃)時(shí),室內(nèi)具有較好的熱分層.此時(shí),地板送風(fēng)系統(tǒng)室內(nèi)冷負(fù)荷減少10%～17%,能耗減少37%～39%.Webster等[8]利用EnergyPlus研究送風(fēng)溫度對(duì)地板送風(fēng)系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明:提高送風(fēng)溫度,不僅提高了制冷機(jī)的COP,還延長(zhǎng)了免費(fèi)供冷的時(shí)間,制冷機(jī)能耗降低,但會(huì)增加輸送系統(tǒng)能耗,導(dǎo)致總能耗增加.

本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研究多個(gè)因素對(duì)溫度分布和熱舒適性的影響,確定了旋流風(fēng)口到人體的最佳距離為0.7 m,在此條件下,利用控制變量法研究送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度對(duì)系統(tǒng)性能的影響,期望得到溫度分層良好、舒適性較好的理想送風(fēng)參數(shù)區(qū)域,利用EnergyPlus建立地板送風(fēng)系統(tǒng)模型,計(jì)算在理想送風(fēng)參數(shù)工況下的運(yùn)行系統(tǒng)能耗,最終得到供冷工況下溫度分布良好、舒適性較好且系統(tǒng)運(yùn)行能耗低的最佳送風(fēng)參數(shù).

1 地板送風(fēng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 地板送風(fēng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

地板送風(fēng)實(shí)驗(yàn)房間尺寸為4.8 m×4.8 m×3.6 m(長(zhǎng)×寬×高),其中靜壓層高度為0.35 m,吊頂高度0.45 m.房間墻壁采用中間填充厚度為0.1 m聚氨酯硬泡沫塑料的復(fù)合板.采用鋼制水泥高架活動(dòng)地板,每塊地板尺寸為0.6 m×0.6 m,地板上敷設(shè)地毯用以減少地板間縫隙的漏風(fēng).靜壓箱下鋪設(shè)0.03 m厚的擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板以減少樓板向靜壓箱內(nèi)的傳熱量.2個(gè)尺寸為0.6 m×0.6 m的孔板回風(fēng)口均勻分布在吊頂上;送風(fēng)口設(shè)置在高架地板上,風(fēng)口數(shù)量、位置以及形式根據(jù)需要可以改變.圖1為整個(gè)地板送風(fēng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置圖.

V—風(fēng)速傳感器;TH—溫濕度傳感器;PT—鉑電阻;DP—差壓變送器;AA,BB,CC—電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥;A—開(kāi)關(guān)風(fēng)閥

實(shí)驗(yàn)冷源由一臺(tái)額定制冷量為9.9 kW的風(fēng)冷熱泵機(jī)組提供,在回水管路上串聯(lián)一個(gè)10 kW的水側(cè)電加熱器，將冷凍水回水加熱到機(jī)組正常運(yùn)行的回水溫度,確保機(jī)組能在穩(wěn)定工況下運(yùn)行.機(jī)組末端為一臺(tái)組合式空調(diào)箱,根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要在空調(diào)箱表冷段后設(shè)置可調(diào)電加熱,并采用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率,使得實(shí)驗(yàn)的送風(fēng)溫度和送風(fēng)量可控.

1.2 房間室內(nèi)布置

如圖2中所示,實(shí)驗(yàn)采用6個(gè)直徑為20 cm的圓形旋流風(fēng)口,均勻布置在架空地板上.采用的人體熱源為假人模特,根據(jù)人體的發(fā)熱特點(diǎn),在其身體上纏繞電阻為33 Ω/m發(fā)熱線(xiàn),發(fā)熱量為134 W;主機(jī)功率為288 W,顯示器功率為74 W;辦公設(shè)備用長(zhǎng)方體立柱外纏繞加熱線(xiàn)代替,一個(gè)功率144 W放置在辦公桌附近,另一個(gè)功率288 W遠(yuǎn)離辦公桌,以上的發(fā)熱功率均采用萬(wàn)用表校核,并且由穩(wěn)壓電源供電.房間吊頂有4盞功率為36 W的日光燈.計(jì)算可得室內(nèi)總熱源發(fā)熱功率為1.568 kW.

圖2 地板送風(fēng)房間內(nèi)熱源、測(cè)點(diǎn)布置實(shí)物圖

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及儀表

房間內(nèi)布置有3個(gè)移動(dòng)支架,每個(gè)支架有7個(gè)測(cè)點(diǎn),可以用來(lái)測(cè)量房間豎直方向的溫度分布,測(cè)點(diǎn)沿高度方向分別為0.1,0.6,1.0,1.4,1.8,2.2,2.6 m.此21個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)均用K型熱電偶來(lái)測(cè)量.

2 地板送風(fēng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在空調(diào)房間,對(duì)人體熱舒適性有直接影響的環(huán)境因素主要是工作區(qū)的平均溫度和風(fēng)速[9].地板送風(fēng)系統(tǒng)中影響以上2個(gè)因素的主要有送風(fēng)口的形式和數(shù)量、送風(fēng)口到人體的距離、送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度.正交實(shí)驗(yàn)法可以考慮多因素多指標(biāo)影響,具有試驗(yàn)次數(shù)少、周期短、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn).因此本文考慮通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)來(lái)確定影響舒適性因素的主次關(guān)系.

2.1 正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[9]

實(shí)驗(yàn)選取送風(fēng)口到人體的距離、送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度3個(gè)因素進(jìn)行研究,選用L9(33)正交表做9次實(shí)驗(yàn),每個(gè)因素的每個(gè)位級(jí)均有3個(gè)實(shí)驗(yàn),位級(jí)的搭配均勻合理.最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析,可以得到最優(yōu)的位級(jí)組合或可能的更優(yōu)位級(jí)組合的實(shí)驗(yàn)方案,具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1.

表1 實(shí)驗(yàn)方案

注:括號(hào)中1,2,3分別為此列影響因素代號(hào).

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及方法

為了得到溫度分布良好、舒適性較好的理想送風(fēng)參數(shù),依據(jù)ASHRAE[10]標(biāo)準(zhǔn)推薦的舒適區(qū),將室內(nèi)工作區(qū)空氣溫度(25±1) ℃、相對(duì)濕度(50±10)%、工作區(qū)風(fēng)速低于0.25 m/s作為舒適性判斷的指標(biāo).在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中送風(fēng)量的調(diào)節(jié)范圍為800～1 200 m3/h,對(duì)應(yīng)散流器出風(fēng)口的速度為1.2～1.5 m/s.

由于靜壓箱蓄熱量對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響較大,因此整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行6～10 h，將靜壓箱內(nèi)的蓄熱量消除后才進(jìn)行實(shí)驗(yàn).待送風(fēng)溫度和室內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度穩(wěn)定(在0.5 h內(nèi)溫度波動(dòng)在±0.1 ℃范圍)后,記錄0.5 h的運(yùn)行狀況數(shù)據(jù).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 確定影響舒適性因素的主次關(guān)系

依據(jù)上述所確定的ASHARE舒適區(qū)的標(biāo)準(zhǔn),將室內(nèi)1.8 m以下的人體工作區(qū)溫度與25 ℃的差值作為實(shí)驗(yàn)分析指標(biāo)Y.房間豎向高度1.8 m以下有5個(gè)測(cè)點(diǎn),將人體附近的5個(gè)測(cè)點(diǎn)按記錄時(shí)間相加求平均值,觀(guān)察其隨時(shí)間的變化.

采用Fanger[11]提出的表征人體熱反應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)PMV(predicted mean vote)和PPD(predicted percentage of dissatisfied)作為熱舒適性的主要指標(biāo),即

PMV={0.303exp[-0.036(M-W)]+ 0.028}{(M-W)-3.05×10-3[5 377- 6.99(M-W)-pw]-0.42[(M-W)- 58.15]-1.7×10-5M(5867-pw)- 0.001 4M(34-Ta)-3.96×10-8fcl[(Tcl+ 273)4-(Tr+273)4]-fclhc(Tcl-Ta)}

(1)

式中,M為人體能量代謝率,W/m2;W為人體所做的機(jī)械功；pw為人體周?chē)諝獾乃魵夥謮毫?Pa;Ta為室內(nèi)空氣溫度,℃;Tr為平均輻射溫度,℃;fcl為穿衣面積系數(shù)；Tcl為衣服外表面溫度,℃;hc為對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K).

考慮到人與人之間的生理差別,采用PPD指標(biāo)來(lái)表示對(duì)熱環(huán)境不滿(mǎn)意的百分?jǐn)?shù).ISO及ASHRAE等依據(jù)Fanger的PMV,PPD指標(biāo),規(guī)定室內(nèi)熱環(huán)境的舒適標(biāo)準(zhǔn)為-0.5≤PMV≤0.5,相應(yīng)的PPD<10%.在我國(guó)一般認(rèn)為可以接受舒適熱環(huán)境的PMV為:-1.0≤PMV≤1.0,相應(yīng)的PPD≤27%[12].

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,利用級(jí)差和方差分析方法將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理,結(jié)果見(jiàn)表2.在計(jì)算PMV值和PPD值時(shí)選取人員衣著均為短袖長(zhǎng)褲,熱阻為1.1,新陳代謝率為1.2,人員為坐姿靜止,機(jī)械功為0.

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從方差S來(lái)看,對(duì)室內(nèi)溫度分布和舒適性影響的3個(gè)因素的主次關(guān)系為:風(fēng)口到人體的距離、送風(fēng)速度和溫度.從級(jí)差R來(lái)看,送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度的影響相差不大,分別為0.97和0.98 ℃;而風(fēng)口到人體的距離級(jí)差值為1.08 ℃,影響最大.

而從舒適性指標(biāo)來(lái)看,在9組實(shí)驗(yàn)方案中,6號(hào)實(shí)驗(yàn)的PMV和PPD均在舒適性的理想范圍內(nèi),舒適性最好,其實(shí)驗(yàn)條件為:旋流風(fēng)口到人體的距離0.7 m、送風(fēng)溫度18 ℃、送風(fēng)速度1.2 m/s.當(dāng)風(fēng)口到人體的距離為0.4 m時(shí),人員感到很不舒適,不能滿(mǎn)足空調(diào)要求;當(dāng)風(fēng)口到人體的距離為1.0 m時(shí),人員會(huì)感覺(jué)到偏冷或偏熱,不容易確定合適的送風(fēng)參數(shù).

由以上分析可得,風(fēng)口到人體的距離為0.7 m是取得較好舒適性的理想距離.因此在此條件下,重點(diǎn)研究送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度的影響.

3.2 送風(fēng)溫度和速度對(duì)溫度分布、舒適性及空氣品質(zhì)的影響

為排除其他因素的影響,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,保持房間內(nèi)部熱源和散流器的形式、位置及數(shù)量不變.這樣能有效地控制與本實(shí)驗(yàn)研究無(wú)關(guān)的變量,從而能夠準(zhǔn)確地得到送風(fēng)溫度和速度對(duì)氣流組織和舒適性及空氣品質(zhì)的影響規(guī)律.

衡量空氣品質(zhì)的主要指標(biāo)是通風(fēng)效率(包括通風(fēng)熱效率與通風(fēng)污效率),通風(fēng)效率反映氣流能量利用的有效性和室內(nèi)污染物被排除的速度.本實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)熱污同源,因此通風(fēng)效率可用溫度量綱η來(lái)反映.它表明系統(tǒng)充分利用送風(fēng)冷量的能力,η值越大,表明系統(tǒng)處理工作區(qū)的負(fù)荷越小,單位質(zhì)量送風(fēng)有效除熱能力越強(qiáng)[13],即

(2)

式中，CRA,COZ和CSA分別為回風(fēng)濃度、工作區(qū)濃度和送風(fēng)濃度;TRA,TOZ和TSA分別為回風(fēng)溫度、工作區(qū)溫度和送風(fēng)溫度.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果見(jiàn)表3,各種工況室內(nèi)溫度分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖3.

由表3可知,地板送風(fēng)溫度為18～20 ℃、送風(fēng)速度為1.2～1.5 m/s時(shí),PMV和PPD能夠滿(mǎn)足室內(nèi)人員空調(diào)要求,且通風(fēng)效率較高.因此,地板送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)參數(shù)盡量維持在此送風(fēng)參數(shù)區(qū)域內(nèi)，這樣不僅能取得較好的溫度分層和舒適性，還能充分利用送風(fēng)量，有利于節(jié)省風(fēng)機(jī)能耗.

由圖3可見(jiàn),當(dāng)送風(fēng)溫度相同時(shí),送風(fēng)速度增大,室內(nèi)空氣混合更加均勻,分層現(xiàn)象不明顯;送風(fēng)速度減小,室內(nèi)豎向溫度分層明顯,如工況a,b和c;送風(fēng)速度相同時(shí),改變送風(fēng)溫度,室內(nèi)溫度分布曲線(xiàn)相應(yīng)地平移,但曲線(xiàn)的趨勢(shì)不會(huì)改變,如工況a,d和g.

表3 各工況送回風(fēng)參數(shù)、舒適性指標(biāo)及通風(fēng)效率

圖3 各種工況室內(nèi)溫度分布曲線(xiàn)圖

當(dāng)送風(fēng)溫度為18 ℃、送風(fēng)速度為1.2 m/s時(shí),人體的頭腳溫差為1.9 ℃,室內(nèi)溫度分層良好.送風(fēng)速度高于1.2 m/s時(shí),室內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象.當(dāng)送風(fēng)溫度為20 ℃、送風(fēng)速度為1.2～1.5 m/s時(shí),室內(nèi)溫度分層現(xiàn)象較好,頭腳溫差在3 ℃以?xún)?nèi),低于A(yíng)SHRAE規(guī)定的3 ℃上限,能夠滿(mǎn)足人體的熱舒適需求,是較理想的運(yùn)行工況.

由上面分析可得,在送風(fēng)溫度為18～20 ℃、送風(fēng)速度為1.2 ～1.5 m/s的送風(fēng)區(qū)域內(nèi),運(yùn)行工況不僅能滿(mǎn)足室內(nèi)人員的舒適性,還能在房間豎向形成良好的溫度分層.

4 理想送風(fēng)參數(shù)工況的能耗比較

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)研究得到了地板送風(fēng)系統(tǒng)室內(nèi)溫度分布合理且滿(mǎn)足熱舒適性的理想送風(fēng)參數(shù).此外,空調(diào)工況的運(yùn)行還要考慮系統(tǒng)的能耗,人工環(huán)境的滿(mǎn)足不能以巨大的能耗為代價(jià).因此,需要通過(guò)對(duì)以上滿(mǎn)足空調(diào)要求的不同工況進(jìn)行系統(tǒng)能耗的比較,確定出溫度分布良好、舒適性較好及系統(tǒng)運(yùn)行能耗低的最佳送風(fēng)參數(shù).

4.1 辦公建筑模型的建立

實(shí)例選取南京市東南大學(xué)校園內(nèi)的逸夫辦公建筑,根據(jù)逸夫辦公建筑標(biāo)準(zhǔn)層的實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)在DesignBuilder中建立建筑模型.辦公建筑內(nèi)部空調(diào)面積為4 670 m2,房間高度為3.6 m.

辦公室內(nèi)部布置如下:地板靜壓箱高0.35 m,吊頂回風(fēng)箱高0.45 m.由于房間進(jìn)深較小,系統(tǒng)不分內(nèi)外區(qū).圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)及窗墻比根據(jù)文獻(xiàn)[14]確定.外墻均采用厚240 mm的磚墻,窗墻比取35%.

實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)部熱源參數(shù): 辦公室中人員密度為0.1人/m2,人員活動(dòng)力度的散熱量為134 W/人,辦公室照明功率密度為11 W/m2,內(nèi)部辦公設(shè)備發(fā)熱18 W/m2,電腦發(fā)熱量135 W/臺(tái).人員工作日在辦公區(qū)域的工作時(shí)間是08:00—18:00,非工作日09:00—18:00;設(shè)備使用率工作日為100%,非工作日時(shí)為18%;照明使用率工作日為90%,非工作日為30%.空調(diào)系統(tǒng)中的送風(fēng)參數(shù)由實(shí)驗(yàn)得到的理想送風(fēng)參數(shù)來(lái)確定,為了得到送風(fēng)溫度和速度對(duì)能耗的影響規(guī)律,增加了送風(fēng)溫度為17和19 ℃兩個(gè)工況,見(jiàn)表4.

表4 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

模擬選用南京典型氣象年的氣象參數(shù):夏季大氣壓101 180 Pa,空調(diào)設(shè)計(jì)日為7月15日,室外干球溫度為34.8 ℃,濕球溫度為27.9 ℃,平均風(fēng)速2.4 m/s.

4.2 EnergyPlus UCSD-UFAD模型

目前,大部分能耗模擬軟件(如BLAST,ESP-r和DOE-2等)在進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)模擬時(shí),將房間空氣均勻混合模型作為系統(tǒng)的默認(rèn)選項(xiàng),這忽略了熱力分層對(duì)空間能耗的影響.對(duì)地板送風(fēng)系統(tǒng)而言,室內(nèi)熱力分層與空調(diào)房間內(nèi)的熱舒適性、空氣品質(zhì)以及系統(tǒng)能耗均有直接的關(guān)系,因此采用EnergyPlus中提供的Room Air模塊,選擇內(nèi)區(qū)地板送風(fēng)模型即UCSD-UFAD內(nèi)區(qū)模型,模型如圖4所示[15].

圖4 EnergyPlus中UFAD模型[15]

在Room Air模塊中,用戶(hù)可以采用無(wú)量綱方式自定義室內(nèi)溫度,即在垂直方向上劃分空間并將高度化為一無(wú)量綱值,再輸入對(duì)應(yīng)該無(wú)量綱高度的溫差ΔTai,相鄰兩高度之間采用內(nèi)插法計(jì)算溫度值,以此來(lái)定義整個(gè)空間的溫度.無(wú)量綱高度的計(jì)算式為

(3)

式中,λi為房間內(nèi)任意位置i處的無(wú)量綱高度;Hi為i處的垂直高度,m;Hf為室內(nèi)地面的平均高度,m;H為室內(nèi)凈高,m.

通過(guò)上述方法在Room Air模塊中定義實(shí)驗(yàn)中得到的不同工況垂直方向的室內(nèi)溫度分布.采用上述無(wú)量綱方式在UCSD-UFAD內(nèi)區(qū)模型中重新定義圖3所示的室內(nèi)溫度分布,見(jiàn)表5.由于工況較多,表5僅給出了20 ℃的工況,其他工況可以用同樣的方法得到.

表5 地板送風(fēng)房間內(nèi)溫度的設(shè)置

UCSD-UFAD內(nèi)區(qū)模型中可以預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)3個(gè)代表點(diǎn)的溫度:

① 地板表面的溫度.地板附近區(qū)域0.2 m高,代表區(qū)域中心點(diǎn)0.1 m處的溫度.

② 下部工作區(qū)的溫度.地板附近區(qū)域與分層高度之間的區(qū)域溫度,中心約1.5 m處的溫度.

③ 上部混合區(qū)的溫度.分層高度與吊頂之間的混合均勻區(qū)域溫度.

此模型簡(jiǎn)化了室內(nèi)的溫度分布,定義了下部工作區(qū)TOZ、上部混合區(qū)溫度TRA和分層面的高度Z.為找出溫度分布和外部參數(shù)之間的關(guān)系,定義了Φ和Γ兩個(gè)無(wú)量綱參數(shù)[16]，即

(4)

(5)

式中,B為室內(nèi)熱源的浮力流量;Q為熱源發(fā)熱功率,W;Ad為散流器的有效擴(kuò)散面積,m2;n為散流器的數(shù)量;m為熱羽流的數(shù)量.

Liu等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得到Φ和Γ的相關(guān)關(guān)系:

Φ=-0.76Γ+0.47

(6)

同時(shí)指出:分層高度Z與Γ有關(guān),Γ值越大,分層高度Z增加;Γ值越小,Z會(huì)降低.為表征兩者之間的關(guān)系，引入無(wú)量綱參數(shù)Z′,其表達(dá)式為

(7)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到

Z′=7.43lnΓ-1.35

(8)

基于Φ和Γ以及Γ和Z′的關(guān)系,可以推導(dǎo)出3個(gè)方程來(lái)預(yù)測(cè)TRA,TOZ和Z與負(fù)荷W,Ad和Q的關(guān)系[15],即

(9)

TOZ=TRA-1.6Γ-0.76(TRA-TSA)

(10)

(11)

式中,Zs為熱源的豎直高度.

4.3 不同工況供冷運(yùn)行能耗分析

圖5為設(shè)計(jì)日(7月15日)全天冷負(fù)荷逐時(shí)變化圖.從設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷來(lái)看,室外環(huán)境對(duì)空調(diào)負(fù)荷影響很大,自10:00—17:00建筑冷負(fù)荷維持在較高的水平.它的極值出現(xiàn)在15:00,大小為818.65 kW,單位面積冷負(fù)荷為175.3 W/m2.

表6為地板送風(fēng)溫度為17,18,19和20 ℃、送風(fēng)速度分別為1.2,1.5和1.8 m/s時(shí)的供冷分項(xiàng)能耗,圖6表示的是各工況的總能耗.為了便于比較不同工況的能耗,借用能源利用指數(shù)的度量標(biāo)準(zhǔn)單位來(lái)表示年能耗.

圖5 設(shè)計(jì)日全天負(fù)荷逐時(shí)變化圖

表6 不同工況送風(fēng)的分項(xiàng)能耗變化 kW·h/(m2·a)

圖6 不同工況送風(fēng)的總能耗變化圖

由表6可以看出:送風(fēng)溫度一定時(shí),系統(tǒng)耗電量隨著送風(fēng)速度的增大而增加.由圖6可得,送風(fēng)速度一定時(shí),系統(tǒng)總耗電量隨著送風(fēng)溫度的升高而增加,送風(fēng)溫度為17～20 ℃時(shí),系統(tǒng)總耗電量呈現(xiàn)單調(diào)性關(guān)系.在理想的送風(fēng)參數(shù)范圍內(nèi),當(dāng)送風(fēng)溫度為18 ℃時(shí),送風(fēng)速度1.2,1.5和1.8 m/s對(duì)應(yīng)的空調(diào)房間工作區(qū)的平均溫度分別為23.05,22.31和22.55 ℃,對(duì)應(yīng)的回風(fēng)溫度分別為25.1,23.7和23.1 ℃(見(jiàn)圖3).當(dāng)送風(fēng)速度為1.2 m/s時(shí),系統(tǒng)耗電量最小.當(dāng)送風(fēng)溫度為20 ℃時(shí),送風(fēng)速度1.2,1.5和1.8 m/s對(duì)應(yīng)的空調(diào)房間工作區(qū)的平均溫度分別為24.47,24.06和24.23 ℃,對(duì)應(yīng)的回風(fēng)溫度分別為26.2,25.2和24.6 ℃,整個(gè)房間的平均溫度提高了2 ℃左右,房間的冷負(fù)荷降低,制冷機(jī)組能耗降低2.76%,輸送系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)和水泵能耗增加導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)能耗增加14.8%.

由圖7可得,隨著送風(fēng)溫度的提高,制冷機(jī)的COP提高,制冷量增大.當(dāng)送風(fēng)溫度為18 ℃時(shí),制冷機(jī)運(yùn)行的COP為4.86,提高送風(fēng)溫度到20℃時(shí),制冷機(jī)COP提高了5.8%,能耗平均降低9.23%,但是風(fēng)機(jī)和水泵的能耗增加,且增加量大于制冷機(jī)能耗的減少量,導(dǎo)致系統(tǒng)總能耗增加.

圖7 制冷量和COP隨送風(fēng)溫度的變化

因此,權(quán)衡空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度,溫度不能盲目提高,但也不能偏低.若送風(fēng)溫度偏低,風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗下降,但冷水機(jī)組的運(yùn)行效率下降,同時(shí)送風(fēng)溫度低會(huì)減少送風(fēng)量從而影響室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱舒適性.通過(guò)以上分析可得,在理想的送風(fēng)參數(shù)范圍內(nèi),送風(fēng)溫度為18 ℃、送風(fēng)速度為1.2 m/s時(shí),整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗最低,更有利于建筑節(jié)能,可作為空調(diào)系統(tǒng)的最佳送風(fēng)參數(shù).

5 結(jié)論

1) 通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的研究,確定了影響地板送風(fēng)室內(nèi)人員舒適性因素的主次關(guān)系,依次為送風(fēng)口到人體的距離、送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度.其中,送風(fēng)口到人體的距離最為重要,送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度對(duì)舒適性的影響相差不大,相比之下,送風(fēng)速度的影響稍大.

2) 在選用旋流送風(fēng)口且風(fēng)口到人體的距離為0.7 m時(shí),當(dāng)送風(fēng)溫度為18～20 ℃,送風(fēng)速度為1.2～1.5 m/s時(shí),室內(nèi)溫度分層良好,同時(shí)也滿(mǎn)足ASHRAE熱舒適性指標(biāo)PMV和PPD的要求.在送風(fēng)速度較低時(shí),通風(fēng)效率越高,系統(tǒng)充分利用送風(fēng)冷量的能力更強(qiáng).

3) 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中滿(mǎn)足舒適性要求的送風(fēng)工況系統(tǒng)能耗的計(jì)算得到,當(dāng)送風(fēng)溫度為18 ℃、送風(fēng)速度為1.2 m/s時(shí),地板送風(fēng)系統(tǒng)不僅能得到良好的室內(nèi)溫度分層和良好的舒適性,還能使整個(gè)系統(tǒng)的能耗最低,可作為地板送風(fēng)系統(tǒng)供冷運(yùn)行的最佳送風(fēng)參數(shù).

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Effect of different air supply parameters on UFAD system performance

Wang Chenglin1,2Li Shuhong1Zhang Xiaosong1Yang Wenchao1

(1School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2MH Robot and Automation Co., Ltd., Weifang 262200, China)

In order to obtain the desired air supply parameters in UFAD (underfloor air distribution) system, the orthogonal experiments were employed to investigate the effects of air supply parameters on the distribution of temperature, thermal comfort and indoor air quality.Then, the impacts of the air supply temperature and velocity on the UFAD system performance were studied by using the method of controlling variables. Finally, the preferable air supply parameters which contribute to better thermal stratification, better comfort and lower energy consumption under cooling operating conditions were obtained by EnergyPlus energy consumption simulation software. The results show that better thermal stratification, thermal comfort and good indoor air quality are achieved with the distance between swirl diffusers and human of 0.7 m, the air supply temperature of 18 to 20 ℃ and the air supply velocity of 1.2 to 1.5 m/s. The simulation results of operation characteristics and energy consumption with different air parameters show that as the air supply parameters are reasonable, the satisfied thermal comfort, thermal stratification and prominent energy saving can be achieved simultaneously with the air supply temperature of 18 ℃ and velocity of 1.2 m/s.

underfloor air distribution system; thermal stratification; thermal comfort; energy consumption

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.019

2014-10-10. 作者簡(jiǎn)介: 王成林(1988—),男,碩士生;李舒宏(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師, equart@seu.edu.cn.

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAJ03B05).

王成林，李舒宏，張小松，等：不同送風(fēng)參數(shù)對(duì)地板送風(fēng)系統(tǒng)性能的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(2):301-308.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.019

TB6

A

1001-0505(2015)02-0301-08