位振強，王曉龍，張文科，張麗麗，張林華

(山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250101)

地板輻射采暖在我們的日常生活中已經(jīng)十分常見，新建的住宅樓、小區(qū)以及部分公共場所都采用了這種供暖方式.但采用地板輻射的方式來供冷在我們的實際生活中卻并不常見.地板輻射供冷和供暖可以用同一套管路，節(jié)約了初投資成本，而且地暖管埋在地下，不僅不占用室內(nèi)空間，還更加美觀.傳統(tǒng)的空調(diào)降溫方式給人很強烈的吹風感，舒適感降低，地板輻射供冷的方式不會出現(xiàn)這種問題，我們引入的新風系統(tǒng)僅僅承擔一小部分的冷負荷，風量較傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)要小的多.在對地板輻射供冷的研究中，王子介[1]對地板輻射供冷方式進行了可行性研究，分析了露點溫度對地板輻射供冷的可行性影響，同時介紹了一些工程實例.夏學鷹[2]將地板輻射供冷與地板輻射供冷/獨立新風系統(tǒng)做了對比實驗，比較了兩種不同實驗條件下的溫度、濕度以及露點溫度.李森生[3]建立了一個實驗小室，對地板輻射供冷系統(tǒng)的溫度、濕度進行研究.陳金華[4]通過改變通風方式來優(yōu)化氣流組織，改善地板輻射供冷的室內(nèi)溫度場及舒適度.曹法立[5]通過實驗測定了地板輻射供冷房間溫度場的分布，得出地板供水溫度對室內(nèi)溫度的影響.張玲[6]對地板輻射供冷的熱工性能，蓄冷特性進行了實驗研究，為這種供冷方式的實際應用提供了參考.吳明洋[7]建立了混凝土輻射末端與維護結(jié)構(gòu)的模擬計算模型，來研究混凝土輻射供暖房間的動態(tài)傳熱特性，并與工程實例結(jié)合，探究輻射末端慣性利用.李安邦[8]建立了內(nèi)嵌管式輻射地板的簡化RC模型，可以準確地計算出內(nèi)嵌管式輻射地板的動態(tài)熱響應.Jaewan Joe[9]提出了一種基于模型預測控制的智能運行策略來優(yōu)化辦公室輻射地板的性能，其可以在冷卻季節(jié)節(jié)省34%的運行費用，在加熱季節(jié)減少16%的運行費用.Linhua Zhang[10]以某節(jié)能示范地板采暖建筑為實驗平臺，提出了谷電運行結(jié)合蓄水池系統(tǒng)的運行方式，對于城市電網(wǎng)削峰填谷及節(jié)省運行費用起到了積極作用.Xiaozhou Wu[11]提出并建立了一種基于傳導形狀因子的輻射采暖系統(tǒng)的表面溫度和傳熱簡化計算模型，通過數(shù)值模擬的方式證實了其適用性，且為輻射供暖和制冷系統(tǒng)設計提供便利.Qingqing Li[12]提出了一種適用于地板輻射供冷系統(tǒng)的多層地板結(jié)構(gòu)的簡化傳熱計算方法，提出了等效熱阻法并推導出地板表面溫度分布的計算公式，有利于方便地估計地板表面溫度分布和分析地板結(jié)構(gòu)參數(shù)對地板熱特性的影響.B.Lehmann[13]采用TRNSYS軟件模擬了某辦公建筑的峰值負荷，結(jié)果表明，由于地板輻射系統(tǒng)的熱惰性和混凝土結(jié)構(gòu)蓄熱性，峰值負荷下降了約50%.劉軍[14]詳細分析了地板輻射供冷/暖系統(tǒng)傳熱過程，為計算冷熱負荷提供幫助.盧軍[15]對地板單獨供冷、風機盤管單獨供冷以及兩者聯(lián)合供冷三種方式進行實驗研究，結(jié)果表明，地板輻射結(jié)合風機盤管的供冷方式無論在節(jié)能性還是舒適性方面都具有明顯優(yōu)勢.孫媛媛[16]通過實驗的方式，對地板采暖住戶以及蓄熱墻式太陽能實驗房進行實測調(diào)查，得出了蓄放熱特性，并對等效供熱量進行修正，極大減少了設計供熱量.本文對山東建筑大學新建輻射供冷實驗室進行介紹，同時對變水溫運行工況下的地板蓄冷量特性進行實驗研究.

1 實驗概況

1.1 外圍護結(jié)構(gòu)概況

山東建筑大學地板輻射供冷與新風復合空調(diào)系統(tǒng)實驗平臺占地面積約25 m2.實驗室分為內(nèi)室和外室兩部分.外室長為5 m，寬5 m，高3.8 m，材料為100 mm厚保溫板；內(nèi)室長3.85 m，寬3.85 m，高2.6 m，材料為5 mm厚鐵板.內(nèi)室地面鋪設有地暖管，房間壁面上設有送、排風口.內(nèi)室與外室之間留有0.45 m空隙，空隙內(nèi)通入熱風，來模擬夏季室外環(huán)境.

1.2 測點布置情況

為保證實驗的準確性，地面材料及結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)住宅樓保持基本一致.最底部鋪設40 mm厚保溫板，依次往上為30 mm豆石混凝土，20 mm保溫板，反光膜，反光膜上敷設地暖管，地暖管鋪設采用傳統(tǒng)的、住宅樓較為常見的螺旋型布管方式如圖3所示，保證可以產(chǎn)生均勻的地面溫度.地暖管周圍封50 mm厚豆石混凝土，其上部為20 mm水泥砂漿找平層，最終放置木地板.反光膜與保溫板可以很好地防止冷量從地下散失，有效的提高冷量的反射和輻射能力，保證室內(nèi)溫度的恒定，確保實驗的準確性.

圖1 實驗室外圍護結(jié)構(gòu)示意圖

在地面設有8個熱流傳感器，用來測試室內(nèi)空氣與地面的熱通量密度如圖4所示.壁面的四個方向以及房間頂部中心處共設有5個熱流傳感器，用來測量壁面和屋頂與空氣的熱通量密度.房間地面還設有8個溫度傳感器組，每個傳感器組包含4個溫度測量點如圖2所示，分別位于下層保溫板上部，反光膜層上部，水泥砂漿上部以及木地板表面.地面共32個溫度測量點，用來測量不同位置，不同結(jié)構(gòu)間的實時溫度變化.在四個墻壁表面和頂壁表面分別設有1個溫度傳感器，測量墻壁面的實時溫度變化；在房間中心的不同高度處懸掛了3個溫度傳感器，用來測試房間內(nèi)部不同高度的空氣溫度，分析室內(nèi)空氣溫度分布.

圖2 地面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 盤管布置圖4 地板輻射面溫度、熱流傳感器布置圖

1.3 地板輻射供冷系統(tǒng)運行概況

實驗室采用地板輻射和新風復合的空調(diào)系統(tǒng).如圖5所示，經(jīng)空氣源熱泵機組處理后的冷水，一部分進入地暖管，通過輻射的方式為房間提供冷量，消除大部分的冷負荷；另一部分冷水進入新風機組處理新風.空氣源熱泵機組功率較大，供水溫度偏差比較明顯，故加設一個電加熱裝置，使系統(tǒng)的供水溫度穩(wěn)定，基本保持在±0.3 ℃.輻射供冷末端設有流量調(diào)節(jié)閥和流量測量計，通過調(diào)節(jié)供水量，來分析不同水流量下的室內(nèi)溫度變化情況.此實驗平臺設有兩個送風口和兩個排風口，風管尺寸200 mm×400 mm，用來測試不同位置送風與不同位置排風對室內(nèi)溫度、濕度以及舒適度等的影響，我們還可調(diào)節(jié)送風量與排風量的大小，從而找出更好的送風方式.在夾層設有風機，由制冷壓縮冷凝機組通過送風的方式對夾層的溫度進行控制.在水路的高點設置排氣閥，用來清除水管中的空氣；在最低端設有排水管，保證在長時間不用時能夠?qū)⒃O備中的水排掉.

圖5 小室輻射供冷系統(tǒng)圖圖6 系統(tǒng)實物圖

1.4 測試儀器

1.4.1 數(shù)據(jù)采集

整個實驗室包括45個溫度測量點，在內(nèi)室的地板表面以及地面以下，共32個溫度測量點，四面墻壁以及屋頂共5個測量點，室內(nèi)供回水處各1個，室外機組冷凍水出水口處1個，室內(nèi)中心高中低不同位置各1個，實驗室夾層的上下各1個測溫點；在風管通道中設有1個熱線風速儀，在供水管管路設有渦流流量變送器.實驗室的溫度、濕度、風速、各處的熱流量以及供回水溫度、水流量由傳感器測得，傳感器與數(shù)據(jù)記錄儀相連，如圖7所示.將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)記錄儀.數(shù)據(jù)記錄儀屏幕顯示實時數(shù)據(jù)，每間隔一分鐘輸出一次數(shù)據(jù).

圖7 數(shù)據(jù)記錄儀

1.4.2 實驗儀器

實驗室采用以下實驗儀器如表1所示.

表1 實驗室儀器

2 地板輻射末端蓄冷實驗研究

2.1 實驗工況

在地板輻射供冷系統(tǒng)中，混凝土結(jié)構(gòu)地板是一個具有較大熱容量的圍護結(jié)構(gòu)，夏季供冷時，由于其較好的蓄冷能力，冷凍水提供的部分冷量會蓄在混凝土輻射末端，對室溫的降低產(chǎn)生影響.研究這一特性，有利于掌握地板制冷末端從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)傳熱的時間周期，同時也可以了解蓄冷量存儲規(guī)律，為研究釋冷工作做好理論基礎.本文通過實驗的方式對夏季地板輻射供冷系統(tǒng)的蓄冷性能進行研究，實驗工況如表2所示.

表2 實驗方案

采用變水溫的運行工況，分別選取7 ℃、9 ℃、11 ℃、13 ℃、15 ℃的供水溫度，運行時間9 h，供水流量360 kg/h，室內(nèi)送風風速0.75 m/s.實驗采用定風溫新風處理機組，新風送風溫度為20 ℃.設置夾層溫度作為室外環(huán)境平均溫度在30 ℃至32 ℃之間周期性波動，即夾層溫度降至30 ℃，機組自動啟動，對夾層空氣進行加熱，當溫度升至32 ℃，則機組停機，這一設定為了模擬夏季墻壁和頂棚的圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度.實驗室房間初始溫度為房間30 ±0.5 ℃，即濟南地區(qū)夏季典型氣象日在空調(diào)未開啟之前的室內(nèi)環(huán)境溫度.

2.2 理論分析

冷凍水攜帶冷量的瞬時值為ql，而地板末端通過輻射與對流兩種方式與室內(nèi)發(fā)生熱交換，對外釋放的冷量為qc，這一冷量可以通過貼服在地表的熱流傳感器測試并讀取.ql與qc兩者的差值即為儲存在地板的蓄冷量qx.三者滿足如下關(guān)系式：

qx=ql-qc，

(1)

將瞬時蓄冷量積分，如公式(2)所示，便可以得到某個時刻的累計蓄冷量即總蓄冷量Qx.利用公式(3)，用總蓄冷量除以地表面積即可得到每平方米(單位面積)蓄冷量QA.

(2)

(3)

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 蓄冷量隨時間的變化規(guī)律

經(jīng)過實測和數(shù)據(jù)分析，得到在不同工況下，冷凍水的瞬時傳熱量和地表與室內(nèi)環(huán)境的傳熱量，如圖8所示

圖8 冷凍水及地板表面?zhèn)鳠崃孔兓?/p>

由于混凝土結(jié)構(gòu)輻射地板良好的蓄冷能力，使得系統(tǒng)運行前期，地板表面?zhèn)鳠崃亢苄?，此后逐漸增加，在6 h之后，地板表面?zhèn)鳠崃窟_到峰值并趨于穩(wěn)定，此時混凝土結(jié)構(gòu)蓄冷量基本不再增加如圖9所示，地板表面?zhèn)鳠崃颗c冷凍水傳熱量達到平衡.

圖9 混凝土結(jié)構(gòu)地板總蓄冷量變化

圖9為地板總蓄冷量隨時間變化曲線，從累計蓄冷量的曲線看，在不同供水溫度條件下，曲線保持基本一致的趨勢，蓄冷剛開始時，由于地板初始溫度較高，因此蓄冷量增加很快，但是增長速度逐漸變小，約1個小時以后，其增長速度就比較緩慢了，3小時到4小時往后曲線逐漸平緩，趨于一條水平的直線.這意味著不同供水溫度下，地板蓄冷能力的飽和，也就是qx≈0.

采用Matlab軟件對數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)其蓄冷量隨著時間的變化規(guī)律比較符合指數(shù)模型

f(x)=a×eb×x+c×ed×x

(4)

的曲線變化規(guī)律，得到不同供水溫度下，單位面積蓄冷量隨時間變化的關(guān)系式.

當出水溫度為7 ℃時，

QA=0.794 4e0.016 13t-0.794 1e-0.510 2t；

(5)

當出水溫度為9 ℃時，

QA=0.721 8e0.017 72t-0.722 8e-0.526 7t；

(6)

當出水溫度為11 ℃時，

QA=0.641 9e0.019 59t-0.644 0e-0.543 1t；

(7)

當出水溫度為13 ℃時，

QA=0.597 8e0.018 35t-0.596 2e-0.503 8t；

(8)

當出水溫度為15 ℃時，

QA=0.530 6e0.016 13t-0.535 7e-0.537 3t.

(9)

3.2 蓄冷飽和時間

通過上述分析，我們發(fā)現(xiàn)地板中蓄冷量的漲幅逐漸減小，最終趨近于0，此時便可以認為地板蓄冷量達到飽和.這一漲幅我們可以用公式(10)來表征其變化率.其中，Qn即當前時刻的總蓄冷量，Qn-1即上一個時刻的總蓄冷量.

(10)

不同供水溫度時地板蓄冷量變化率的曲線，如圖10所示，由圖10可以看出，不同溫度下，地板蓄冷量變化率曲線重合.這是由于各溫度下的混凝土末端總蓄冷量(如圖9)變化趨勢基本相同.當?shù)匕逍罾淞孔兓师ぁ?%，便可以認為蓄冷量增長速度足夠小，地板蓄冷達到飽和狀態(tài).基于此，計算出各供水溫度下，地板所到達飽和的時間，如圖11所示.

圖10 蓄冷量變化率曲線圖11 蓄冷達到飽和狀態(tài)所用時間

可以發(fā)現(xiàn)，在各工況下，地板從開始蓄冷到飽和狀態(tài)所用時間相差不大，均在4.5 h左右.最先達到飽和狀態(tài)的為供水溫度15 ℃，這是因為供水溫度較高，與環(huán)境溫差小，較易達到飽和，而最慢達到飽和的為7 ℃，這是因為冷凍水溫度較低，與環(huán)境溫差大，有溫差作為驅(qū)動力，蓄冷時間延長.

以上研究發(fā)現(xiàn)，供水溫度對蓄冷飽和時間的影響并不大.

3.3 飽和時蓄冷量研究

當蓄冷變化率小于1%時，我們得到各工況的飽和蓄冷量，如表3所示.

表3 不同供水溫度下的飽和蓄冷量

圖12 不同溫度下的地板蓄冷量比較

將飽和蓄冷量與全天9 h(工作時長)蓄冷量進行對比分析，如圖12所示.

由圖12可以看出，不同的供水溫度對于地板結(jié)構(gòu)蓄冷量有較大影響，供水溫度越低，地板結(jié)構(gòu)蓄冷量越大.在9 h的時間內(nèi)，供水溫度7 ℃時蓄冷量比供水溫度15 ℃時蓄冷量高出0.25 kWh/m2，蓄冷量變化明顯.前50%時間里，地板所蓄冷量占全天9 h蓄冷量的85%，因此，地板蓄冷存在急速蓄冷和緩速蓄冷兩個狀態(tài).一般將蓄冷時間控制在4 h便可達到最大蓄冷的要求.

3.4 溫度變化

房間與地板表面的溫度變化曲線如圖13所示，從圖13中可以看出，供水溫度越低，房間與地板表面降溫越快，6 h后溫度基本穩(wěn)定.地板輻射供冷系統(tǒng)對室溫的控制具有滯后性，當供水溫度為7 ℃時，房間溫度達到室內(nèi)設計溫度26 ℃所用時間約2 h，且供水溫度越高，所用時間越長，因此，對于此系統(tǒng)，在實際應用中應提前開啟設備，并根據(jù)供水溫度的不同，調(diào)節(jié)提前開啟時間.

4 結(jié) 論

本文介紹了山東建筑大學的地板輻射供冷實驗室，系統(tǒng)的描述了實驗室的整體構(gòu)成，設備的運行流程、溫度及其它測點的布置、實驗儀器的選型.同時，對地板輻射系統(tǒng)夏季運行時，混凝土結(jié)構(gòu)的蓄冷量進行了實驗研究，結(jié)果表明：

(1)溫度對混凝土結(jié)構(gòu)地板的蓄冷量有較大的影響，冷凍水供水溫度越低，蓄冷量越大.在前50%蓄冷時間里的蓄冷量占據(jù)一天總蓄冷量的85%以上.

(2)水溫對飽和蓄冷時間的影響不大，達到飽和蓄冷量的時間基本在4.5 h左右.

(3)系統(tǒng)啟動后，混凝土結(jié)構(gòu)地板蓄冷存在急速蓄冷和緩速蓄冷兩種狀態(tài)，系統(tǒng)啟動前期蓄冷較快，后期較為緩慢.

(4)當制冷啟動時，房間降低有所滯后，供冷冷水溫度越高，滯后時間越長，因此空調(diào)應該提前啟動，并根據(jù)供水溫度調(diào)整提前啟動的時間.