陳金華，梁秋錦，李楠，高亞鋒，劉紅，楊雯芳

(1.重慶大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；低碳綠色建筑國(guó)際聯(lián)合研究中心，重慶 400045;2.重慶新鷗鵬地產(chǎn)(集團(tuán))有限公司，重慶 400010)

毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)作為一種新型低溫?zé)崴椛涔┡问?，具有舒適度高、安靜、衛(wèi)生、安全、節(jié)能、蓄熱能力較強(qiáng)、節(jié)省建筑空間、布置靈活、可利用低品位能源等諸多優(yōu)勢(shì)。因此,無(wú)論是從系統(tǒng)的舒適性還是節(jié)能性上考慮，毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)都有巨大的應(yīng)用潛力[1-2]。Miriel等[3]等對(duì)毛細(xì)管頂棚供冷/供暖進(jìn)行了軟件模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，效果良好；Causone等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，提出了冷卻吊頂與房間換熱的自然對(duì)流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)，并提出了統(tǒng)一參考溫度設(shè)計(jì)及計(jì)算的重要性；Mikeska等[5-6]針對(duì)毛細(xì)管輻射供冷供暖系統(tǒng)在高性能混凝土夾層中的傳熱過(guò)程，分析了不同的供水溫度、毛細(xì)管間距和混凝土厚度時(shí)混凝土的表面溫度；Lbeurn等[7]從舒適性指標(biāo)和節(jié)能型指標(biāo)論證了低溫?zé)崴匕遢椛涔┡墓?jié)能效果；Olesen等[8]建立地板輻射供暖系統(tǒng),通過(guò)室外環(huán)境溫度、外窗傳熱和內(nèi)部熱源等主要影響因素對(duì)地板換熱進(jìn)行分析，提出了地板表面對(duì)流換熱系數(shù)新的計(jì)算方法；Leiq等[9]研究表明，地板輻射供暖系統(tǒng)室外溫度同供水溫度之間呈線性關(guān)系；吳小舟等[10]對(duì)輻射地板傳熱過(guò)程進(jìn)行分析，提出了基于形狀因子的輻射地板傳熱量計(jì)算等效熱阻模型。王婷婷等[11-12]建立物理及數(shù)學(xué)模型，研究了不同輻射方式的供暖換熱量。并通過(guò)設(shè)定物理模型，對(duì)不同供水溫度，不同敷設(shè)方式下的供冷能力進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算。李永安等[13]闡述了毛細(xì)管網(wǎng)傳統(tǒng)敷設(shè)方式及其換熱性能，利用Airpark對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)與天花板呈一定夾角敷設(shè)形式進(jìn)行了模擬研究；李莉等[14]采用CFD軟件建立模型，對(duì)毛細(xì)管席敷設(shè)在房間內(nèi)的不同位置進(jìn)行了冬夏兩季多工況的數(shù)值模擬，得到了相對(duì)應(yīng)的溫度和PMV，PPD分布圖；薛紅香等[15]、孫娟娟等[16]分別建立了數(shù)學(xué)模型模擬了毛細(xì)管網(wǎng)不同輻射情況下的舒適性。

現(xiàn)有研究均是通過(guò)模擬與理論計(jì)算對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)不同敷設(shè)方式進(jìn)行供暖研究，或是僅對(duì)單一敷設(shè)方式進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)分析，并沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)不同敷設(shè)方式進(jìn)行供暖研究。通過(guò)35 ℃供水溫度下頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式供暖的實(shí)驗(yàn)，從室內(nèi)空氣溫度、輻射表面溫度、其他壁面溫度等角度全面分析不同敷設(shè)方式下毛細(xì)管網(wǎng)供暖的舒適性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)房間概況

實(shí)驗(yàn)在重慶大學(xué)輻射供暖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是如圖1所示兩間相同房間，410房間、412房間，每個(gè)房間面積為21 m2，房間尺寸為6 000 mm×3 500 mm×2 700 mm(長(zhǎng)×寬×高),門尺寸為800 mm×2 100 mm(寬×高)，外窗尺寸為2 700 mm×2 000 mm(寬×高)；窗戶為鋁合金單層窗，玻璃厚度為6 mm，內(nèi)敷設(shè)藍(lán)色厚窗簾；建筑外墻為240 mm的實(shí)心磚墻(未做保溫)，內(nèi)墻為200 mm厚的實(shí)心磚墻，室內(nèi)未布置任何家具。

圖1 實(shí)驗(yàn)房間平面圖Fig.1 Experimental room pla

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2.1 冷熱源 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)冷熱源采用空氣源熱泵機(jī)組，冬季利用空氣源熱泵機(jī)組制取45 ℃的熱水，45 ℃的高溫?zé)崴ㄟ^(guò)換熱水箱溫度降為35 ℃，供給毛細(xì)管網(wǎng)末端，毛細(xì)管網(wǎng)管路的供水溫度通過(guò)換熱水箱上的比例積分調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。原理如圖2所示。

圖2 冷熱源原理圖Fig.2 Schematic diagram of cold and heat sourc

1.2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)┒?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為3種敷設(shè)方式，412房間頂棚敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，410房間墻面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，毛細(xì)管網(wǎng)均采用同側(cè)供回的S型，為滿足室內(nèi)熱負(fù)荷，計(jì)算得出毛細(xì)管網(wǎng)規(guī)格數(shù)量等參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)房間毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)參數(shù)Table 1 The situation of capillary radiation

3種敷設(shè)方式具體敷設(shè)位置圖，構(gòu)造示意圖，如圖3、圖4所示。

圖3 毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)具體位置Fig.3 The location map of capillary radiation

圖4 毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造示意圖Fig.4 The structure map of capillary radiatio

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 測(cè)試方案 實(shí)驗(yàn)測(cè)試于冬季(2016年1月末至2016年2月初)早上9:00—次日7:00進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)房間前一天未做任何實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)期間為保證后續(xù)人員實(shí)驗(yàn)，提前2 h關(guān)閉機(jī)組。頂棚、墻面、地面3個(gè)工況，每個(gè)工況測(cè)試1 d，具體運(yùn)行工況詳見(jiàn)表2。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)供暖時(shí)，供水溫度宜符合表3的規(guī)定，供回水溫差宜采用3～6 ℃。因此，實(shí)驗(yàn)測(cè)試35 ℃供水溫度下，3種敷設(shè)方式室內(nèi)外溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)期間，實(shí)驗(yàn)房間相鄰房間均為供暖房間，實(shí)驗(yàn)人員1人。測(cè)點(diǎn)按照文獻(xiàn)[18]相關(guān)規(guī)定布置，具體見(jiàn)圖5和圖6。測(cè)試時(shí)間間隔均為10 min，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

表2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行工況Table 2 The running state of experiment system

表3 毛細(xì)管網(wǎng)供水溫度Table 3 Capillary net water supply temperature

1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面測(cè)點(diǎn)布置 左墻、右墻分別布置9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，外墻、內(nèi)墻分別布置2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，地面、頂棚分別布置a、b、c、d、e5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。故圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面共布有32個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。

圖5 地面，頂棚表面溫度測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 The surface temperature measuring point arrangement of ground and ceilin

圖6 左墻，右墻表面溫度測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.6 The surface temperature measuring point arrangement of left wall and right wal

2)空間測(cè)點(diǎn)布置 空間測(cè)點(diǎn)在a、b、c、d、e5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)位置，距地0.1 m(腳踝)、0.6 m(膝蓋)、1.1 m(坐姿頭頂)、1.7 m(站姿頭頂)、2.5 m(房間上部)處布置溫度測(cè)點(diǎn)，故空間共布有25個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。

1.3.2測(cè)試儀器 主要儀器設(shè)備如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器Table 4 Test instruments of experiment

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1 室外空氣溫度

35 ℃供水溫度時(shí)，頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式供暖，室外平均溫度分別為6.57、6.83、6.83 ℃，室外最低溫度分別為5.82、6.59、6.59 ℃。室外天氣均為陰轉(zhuǎn)多云，測(cè)試期間，室外逐時(shí)溫度見(jiàn)圖7。

圖7 測(cè)試期間室外溫度變化曲線Fig.7 Curve of outdoor air temperature during the des

2.2 室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)平均溫度

室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)平均溫度，即人員活動(dòng)區(qū)域的平均溫度，取0.1、0.6、1.1、1.7 m 4個(gè)縱向高度，a、b、c、d、e，5個(gè)水平位置，20個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的溫度的平均值為室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)平均溫度。圖8為3種敷設(shè)方式室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)逐時(shí)平均溫度，由圖8可知：

1)頂棚敷設(shè)供暖時(shí)，人員活動(dòng)區(qū)溫度達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度16 ℃時(shí)，響應(yīng)時(shí)間最短。3種敷設(shè)方式響應(yīng)時(shí)間依次遞減的順序?yàn)椋簤γ娣笤O(shè)、地面敷設(shè)、頂棚敷設(shè)。

2)供暖穩(wěn)定階段，人員活動(dòng)區(qū)平均溫度均≥16 ℃，其中地面敷設(shè)供暖時(shí)人員活動(dòng)區(qū)平均溫度最高。頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式供暖穩(wěn)定階段室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)平均溫度分別為：16.53、16.40、16.95 ℃。

3)人員活動(dòng)區(qū)平均溫度受輻射表面溫度、距輻射表面距離、蓄熱性能以及臨室傳熱等多方面因素影響。頂棚敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)由于其構(gòu)造層較薄，輻射表面溫度高，雖然，距離人員活動(dòng)區(qū)較遠(yuǎn)，但室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)能很快地達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度；墻面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，由于敷設(shè)單面，出現(xiàn)局部溫度較高，但整個(gè)人員活動(dòng)區(qū)溫度并不能較快的達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度；由于頂棚與墻面的蓄熱特性較差，機(jī)組關(guān)機(jī)后，室內(nèi)經(jīng)過(guò)較短時(shí)間便達(dá)到不舒適溫度。地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，由于其距離人員活動(dòng)區(qū)最近，整個(gè)人員活動(dòng)區(qū)溫度達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度較快；由于地面蓄熱特性較強(qiáng)，機(jī)組關(guān)機(jī)后，室內(nèi)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才達(dá)到不舒適溫度。同時(shí)，臨室若進(jìn)行供暖實(shí)驗(yàn)，則臨室與實(shí)驗(yàn)房間共用的壁面溫度較高，影響實(shí)驗(yàn)房間人員活動(dòng)區(qū)溫度。

4)熱空氣在頂部堆積。人員活動(dòng)區(qū)測(cè)點(diǎn)主要集中在房間中下部，被加熱的空氣在房間上部堆積，影響頂棚敷設(shè)供暖的散熱效果，故造成頂棚敷設(shè)供暖人員活動(dòng)區(qū)溫度低于地面敷設(shè)，可通過(guò)輔助新風(fēng)系統(tǒng)減弱頂部熱堆積的現(xiàn)象，以增強(qiáng)頂棚敷設(shè)供暖的換熱效果。

圖8 3種敷設(shè)方式人員活動(dòng)區(qū)平均溫度Fig.8 The average temperature of personnel active area in three laying way

2.3 輻射表面平均溫度

輻射表面平均溫度與毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層存在密切聯(lián)系。頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式中，地面毛細(xì)管網(wǎng)的構(gòu)造層最厚，墻面次之，頂棚最薄。圖9為3種敷設(shè)方式供暖輻射表面逐時(shí)溫度，由圖9可知：

1)毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層越薄，輻射壁面的熱響應(yīng)時(shí)間越快，輻射表面溫度越高。地面、墻面、頂棚毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層厚度依次遞減，輻射壁面達(dá)到穩(wěn)定階段的響應(yīng)時(shí)間依次遞減，輻射表面平均溫度依次遞增，分別為22.98，28.17，29.21 ℃。

2)地面敷設(shè)供暖時(shí)，輻射壁面熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，輻射表面溫度低。主要原因是地面毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層的厚度較厚，同時(shí)，12 mm的木地板傳熱系數(shù)較小使得整個(gè)地面的輻射供暖效果變差，因此，可降低地面毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層厚度，更換傳熱系數(shù)較大材料的地板，以縮短熱響應(yīng)時(shí)間，提高輻射表面溫度。

圖9 3種敷設(shè)方式供暖輻射表面溫度Fig.9 Radiation surface temperature of heating

2.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度

圖10為3種敷設(shè)方式圍護(hù)結(jié)構(gòu)各壁面溫度，由圖可知：

1)3種敷設(shè)方式圍護(hù)結(jié)構(gòu)各壁面溫度差別較大。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供暖時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度排序分別為：頂棚>左墻>地面>右墻>內(nèi)墻>外墻；右墻>左墻>頂棚>內(nèi)墻>地面>外墻；地面>左墻>頂棚>右墻>內(nèi)墻>外墻。

2)輻射角系數(shù)越大，對(duì)應(yīng)其壁面溫度越高。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供暖時(shí)，非加熱壁面溫度最高的分別為地面(左墻除外)、左墻、頂棚(左墻除外)。

圖10 3種敷設(shè)方式圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度Fig.10 The surface temperature of exterior-protected construction in three laying way

3)外墻溫度受室外環(huán)境影響較大。3種敷設(shè)方式外墻的溫度均最低，且與其他壁面溫度相差較大。

4)戶間傳熱明顯。頂棚與地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供暖時(shí)，左墻臨近的房間正進(jìn)行右墻供暖，墻面未做保溫處理，故造成左墻溫度高于右墻。

2.5 空間垂直方向溫度分析

實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了距離地面垂直高度0.1、0.6、1.1、1.7、2.5 m處的室內(nèi)溫度，圖11為3種敷設(shè)方式空間垂直溫度分布，由圖可知：

1)站姿時(shí)，縱向高度取0.1～1.7 m，3種敷設(shè)方式中地面敷設(shè)縱向溫差最小，舒適度最好。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)穩(wěn)定階段縱向最大溫差分別為1.76、3.16、0.30 ℃，縱向最大溫差梯度分別為1.1、1.98、0.19 ℃/m。

2)坐姿時(shí)，縱向高度為0.1～1.1 m，3種敷設(shè)方式中地面敷設(shè)縱向溫差最小，舒適度最高。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)穩(wěn)定階段縱向最大溫差分別為1.02、2.54、0.27 ℃，縱向最大溫差梯度分別為1.02、2.54、0.27 ℃/m。

3)無(wú)論從坐姿還是從站姿考慮，地面敷設(shè)供暖縱向溫差明顯低于頂棚敷設(shè)與墻面敷設(shè)，具有更高的舒適性。墻面敷設(shè)供暖站姿時(shí)，縱向最大溫差為3.35 ℃，不滿足ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 3種敷設(shè)方式空間垂直溫度分布Fig.11 The vertical temperature distribution

2.6 空間水平方向溫度分析

根據(jù)人員活動(dòng)區(qū)選取1.1 m高度水平溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。圖12為3種敷設(shè)方式空間水平溫度分布，由圖可知

1)3種敷設(shè)方式中墻面敷設(shè)水平溫差(從外墻到內(nèi)墻)最大，舒適度較差。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)穩(wěn)定階段水平溫差(從外墻到內(nèi)墻)分別為-0.26、0.59、-0.34 ℃，最大溫差梯度分別為-0.09、0.20、-0.11 ℃/m。

2)3種敷設(shè)方式中墻面敷設(shè)水平溫差(從左墻到右墻)最大，舒適度較差。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)穩(wěn)定階段水平溫差(從左墻到右墻)分別為-0.18、0.57、-0.20 ℃，最大溫差梯度分別為-0.09、0.28、-0.10 ℃/m。

3)地面敷設(shè)與頂棚敷設(shè)供暖時(shí)，室內(nèi)水平溫度場(chǎng)均分布比較均勻，但兩種敷設(shè)方式存在外高內(nèi)低的情況。主要原因?yàn)轫斉锱c地面敷設(shè)的毛細(xì)管網(wǎng)靠近外窗安裝。這種設(shè)計(jì)不僅滿足了室內(nèi)溫度場(chǎng)的需求，同時(shí)，也避免了毛細(xì)管網(wǎng)對(duì)房間內(nèi)區(qū)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的影響。

4)墻面水平溫度場(chǎng)則內(nèi)高外低，與墻面與頂棚不同。并且墻面(右墻)供暖時(shí)，造成室內(nèi)溫度場(chǎng)右側(cè)明顯高于左側(cè)。

5)綜合兩種水平溫度場(chǎng)，頂棚敷設(shè)與地面敷設(shè)方式效果相近，且優(yōu)于墻面敷設(shè)。

6)墻面敷設(shè)供暖時(shí)，d、e點(diǎn)位于房間內(nèi)區(qū)，并且內(nèi)區(qū)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備不斷發(fā)熱，故這兩點(diǎn)溫度較高，同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)期間實(shí)驗(yàn)人員坐在墻面敷設(shè)供暖房間的e點(diǎn)附近，因此，該點(diǎn)溫度明顯高于其他測(cè)點(diǎn)。

7)墻面敷設(shè)供暖時(shí)，輻射的不對(duì)稱給人的主觀感受最差。輻射的不對(duì)稱性是指由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度的差異導(dǎo)致人體感到自身局部的冷熱差異。地面敷設(shè)給人腳暖頭涼的感覺(jué)，最舒適。頂棚敷設(shè)給人頭暖腳涼的感覺(jué)，較適中。但是，墻面敷設(shè)給人身體左右溫度不同，很不舒適。因此，可兩側(cè)墻對(duì)向同時(shí)敷設(shè)，降低單面供暖引起的室內(nèi)人員的不適感。

圖12 3種敷設(shè)方式空間水平溫度分布Fig.12 The horizontal temperature distribution

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)條件下通過(guò)對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)頂棚、墻面、地面輻射供暖系統(tǒng)冬季運(yùn)行工況及室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)分析得出以下結(jié)論。

1)35 ℃供水溫度工況下，3種敷設(shè)方式供暖時(shí)，室內(nèi)溫度均≥16 ℃。頂棚、墻面、地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)供暖時(shí)，穩(wěn)定時(shí)人員活動(dòng)區(qū)空氣溫度依次為16.53、16.40、16.95 ℃。

2)毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層越薄，輻射表面溫度越高，室內(nèi)溫度達(dá)到要求的熱響應(yīng)時(shí)間越短。頂棚、墻面、地板輻射毛細(xì)管網(wǎng)供暖時(shí)，室內(nèi)溫度達(dá)到要求的熱響應(yīng)時(shí)間依次遞增，輻射表面溫度依次為29.21、28.17、22.98 ℃。

3)無(wú)論是坐姿縱向溫差還是站姿縱向溫差，地面敷設(shè)供暖時(shí)縱向溫差明顯低于頂棚敷設(shè)與墻面敷設(shè)，具有更高的舒適性。墻面敷設(shè)供暖站姿時(shí)，縱向最大溫差為3.35 ℃，不滿足ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)。

4)3種敷設(shè)方式供暖均宜進(jìn)一步優(yōu)化。傳統(tǒng)地面供暖時(shí)宜減小地面毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造層厚度，提高輻射表面溫度；墻面供暖時(shí)宜兩側(cè)墻對(duì)向同時(shí)敷設(shè)，降低單面供暖引起的室內(nèi)人員的不適感；頂棚供暖時(shí)宜加新風(fēng)系統(tǒng)，減弱頂部熱堆積的現(xiàn)象，以增強(qiáng)換熱效果。

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