黃 萍， 曲明璐， 黑迎曉， 張 嬈

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

在輻射空調(diào)系統(tǒng)中，室內(nèi)引入新風(fēng)系統(tǒng)不僅能除去室內(nèi)的潛熱負荷，而且還能滿足除濕、通風(fēng)及防止結(jié)露的要求，從而滿足人們對于室內(nèi)環(huán)境的要求[1]。孫凱[2]通過模擬研究表明，在其他條件都相同的情況下，地板輻射加置換通風(fēng)系統(tǒng)比其他系統(tǒng)舒適度更高。陳劍波等[3]研究發(fā)現(xiàn)，多聯(lián)機戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)比其他常規(guī)系統(tǒng)更節(jié)能。劉杰等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)，輻射-新風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)要求的送風(fēng)含濕量比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)更低。陳付齊[5]對戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)進行了研究，在保證新風(fēng)除濕的要求下提高供水溫度會降低建筑能耗。劉前龍[6]研究發(fā)現(xiàn)，在輻射空調(diào)系統(tǒng)運行過程中對換熱能力影響較大的參數(shù)為供水溫度。崔新陽等[7]研究了系統(tǒng)運行過程中毛細管間距和供水溫度這2個參數(shù)對毛細管頂棚溫度場的影響。隋學(xué)敏等[8]對輻射供冷空調(diào)室內(nèi)熱環(huán)境控制變量的選擇進行了研究。吳長風(fēng)等[9]研究了在不同啟動模式下，輻射頂板加新風(fēng)系統(tǒng)的輻射頂板表面溫度和室內(nèi)空氣露點溫度等參數(shù)的動態(tài)特性。

供水流量和供水溫度是空調(diào)系統(tǒng)的重要參數(shù)，供水流量和供水溫度的改變直接會對空調(diào)系統(tǒng)的回水溫度、系統(tǒng)中水泵的耗電量造成影響，同時影響室內(nèi)溫度和舒適度。本文采用數(shù)值模擬方法對夏熱冬冷地區(qū)住宅內(nèi)的輻射-新風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)進行研究，研究在夏季工況下室內(nèi)設(shè)定溫度、輻射末端供水溫度和供水流量的改變對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，可為輻射-新風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)的運行和調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)原理及實驗設(shè)置

1.1 實驗系統(tǒng)

本輻射-新風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)的輻射末端形式為頂板毛細管網(wǎng)，新風(fēng)系統(tǒng)采用下送上回，系統(tǒng)如圖1所示。輻射-新風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)由空氣源熱泵機組、水-水板式換熱器、新風(fēng)除濕機、分水器、集水器和毛細管網(wǎng)輻射末端組成。其中，空氣源熱泵機組作為冷源、熱源同時對輻射末端和新風(fēng)除濕機供冷/供熱。系統(tǒng)可實現(xiàn)溫度、濕度獨立控制，房間溫度通過調(diào)節(jié)輻射末端水流量進行控制，房間濕度通過調(diào)節(jié)新風(fēng)除濕機水流量和新風(fēng)量進行控制。

圖1 輻射-新風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of radiation-fresh air composite system

1.2 實驗設(shè)置

實驗建筑為位于蘇州市工業(yè)園區(qū)內(nèi)的某8層住宅，實驗的樣板房位于第6層，層高為3 m，建筑面積為120 m2，空調(diào)面積為94.2 m2，主要包括客廳、主臥、次臥及書房等，樣板房的平面圖如圖2所示。

圖2 樣板房的平面圖Fig.2 Plan of model house

圖2中框選出的次臥室為本次實驗研究的對象。實測數(shù)據(jù)都來自于對次臥室的實測，次臥室圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 次臥室圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of secondary building envelope

夏季實驗時間為2018-08-07—2018-08-10，實驗期間室內(nèi)溫度設(shè)為24 °C。主要對室外溫度、次臥室的室內(nèi)溫度、吊頂表面溫度、西墻壁溫度進行實測。使用溫度傳感器來測量西墻內(nèi)表面溫度和頂板表面溫度，溫度傳感器為T型熱電偶。實驗數(shù)據(jù)通過安捷倫34901A數(shù)據(jù)采集儀進行采集。住宅內(nèi)裝有后臺智能控制系統(tǒng)，室內(nèi)溫度和室外溫度通過該系統(tǒng)讀取和記錄。

2 模型

2.1 系統(tǒng)模型

根據(jù)實際建筑中次臥室具體的圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)，運用TRNSYS軟件建立所需要的系統(tǒng)模型。如圖3所示，模型中的建筑（即Type56）部件是實際建筑中的次臥室，其具體的圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置是參照次臥室的圍護結(jié)構(gòu)來進行逐步設(shè)定的。氣象參數(shù)通過Weather data模塊（TMY2）來設(shè)置，該模塊可通過讀取天氣文件數(shù)據(jù)庫中蘇州地區(qū)的氣象參數(shù)，并將室外空氣溫度、室外空氣相對濕度等氣象參數(shù)連接到后續(xù)模塊中，以保證室外動態(tài)氣象參數(shù)的輸入。在Type108模塊中，設(shè)置系統(tǒng)設(shè)定的溫度，并允許有±0.5 °C的波動。在 “新風(fēng)” 、 “供水流量及溫度” 、 “溫度” 、 “邊界溫度” 、“啟停” 以及 “服裝熱阻” 等計算器內(nèi)輸入相應(yīng)的參數(shù)，將輸入部件與輸出部件進行連接，系統(tǒng)正常運行后，在 “溫度” 、 “熱流密度” 、 “PMV-PPD”等輸出部件中會輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)和圖像，便于后續(xù)的進一步分析。

圖3 輻射-新風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)模擬圖Fig.3 Simulation diagram of radiation-fresh air system

根據(jù)已有的實驗和實測結(jié)果[10-11]，系統(tǒng)中的新風(fēng)機可以承擔(dān)濕負荷，保證系統(tǒng)不結(jié)露，因此，將新風(fēng)參數(shù)設(shè)置為固定值，新風(fēng)干球溫度為22.0 ℃，相對濕度為60%，風(fēng)速為0.3 m/s，本文僅研究改變輻射末端參數(shù)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。模擬中設(shè)定室內(nèi)人數(shù)為1人，夏季服裝熱阻為0.5 clo，新陳代謝率1.2 met。采用預(yù)計平均舒適度PMV和預(yù)計不滿意率PPD來評價人體熱舒適，在《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》GBT50785-2012[12]中規(guī)定：當-0.5≤PMV≤+0.5，PPD≤10%時室內(nèi)熱舒適等級為Ⅰ級。當夏季供冷，熱舒適等級為Ⅰ級時，相對濕度應(yīng)為40%～60%之間。

2.2 實驗驗證

為驗證所建模型的可靠性，根據(jù)夏季實測條件，選取2018-08-10的室外氣象參數(shù)，通過Weather data模塊輸入，系統(tǒng)實測運行時間為8:00—21:00，選取該時段進行模擬。在保證外部參數(shù)一致的情況下，按照表2的實測參數(shù)作為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，對模型進行仿真模擬，輸出結(jié)果，將室內(nèi)溫度、西墻內(nèi)表面溫度和屋頂內(nèi)表面溫度的模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行對比分析。

表2 實測參數(shù)Tab.2 Measured parameters

由圖4可以看出，室內(nèi)溫度、西墻內(nèi)表面溫度和屋頂內(nèi)表面溫度的實測值與模擬值的趨勢基本一致，室內(nèi)溫度的實測平均值為23.74 °C，模擬平均值為23.68 °C，實測平均值與模擬平均值之間的相對誤差為0.25%。西墻內(nèi)表面、屋頂內(nèi)表面溫度的實測平均值與模擬平均值之間的相對誤差分別為0.3%和0.17%。模擬得出的數(shù)值與實測數(shù)值之間的誤差較小，數(shù)據(jù)基本吻合，因此，本模型合理、可靠，可以用來進行下一步的模擬工作。

圖4 實測結(jié)果與模擬結(jié)果對比Fig.4 Comparison of measured and simulated results

3 模擬及結(jié)果分析

3.1 不同室內(nèi)設(shè)定溫度模擬結(jié)果分析

選取夏季工況，在其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)定不同的室內(nèi)溫度時，對系統(tǒng)開啟后室內(nèi)熱環(huán)境及熱舒適的動態(tài)變化情況進行研究，具體模擬參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 夏季不同室內(nèi)設(shè)定溫度時參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter setting under different indoor setting temperatures in summer

選取2018-07-28進行模擬仿真。未開啟系統(tǒng)時，室內(nèi)的初始溫度為30.0 °C，0:00開啟系統(tǒng)并觀察在不同室內(nèi)設(shè)定溫度下的室內(nèi)溫度變化趨勢。在整個模擬過程中，室內(nèi)溫度波動范圍為設(shè)定溫度的±0.5 °C。

由圖5可知，當室內(nèi)設(shè)定溫度為25.0 °C時，系統(tǒng)開啟后，室內(nèi)溫度一直下降，到10:00時，室內(nèi)溫度降為25.5 °C，主要原因是輻射換熱方式供冷能力較弱、處理負荷速度較慢，不能在較短的時間內(nèi)使室內(nèi)溫度達到設(shè)定值。當室內(nèi)設(shè)定溫度為26.0 °C時，在5:00時，室內(nèi)溫度達到26.5 °C，此后溫度在25.5～26.5 °C之間波動；當室內(nèi)設(shè)定溫度為27.0 °C時，在3:00時，室內(nèi)溫度為27.3 °C，隨后室內(nèi)溫度在26.5～27.5 °C之間波動；當室內(nèi)設(shè)定溫度分別為28.0 °C和29.0 °C時，在1:00左右，室內(nèi)溫度均達到了設(shè)定的溫度，并且在后續(xù)運行時間內(nèi)，室內(nèi)溫度一直在設(shè)定溫度的波動范圍內(nèi)。由于輻射空調(diào)系統(tǒng)具有一定的熱慣性，輻射末端系統(tǒng)開啟后室內(nèi)溫度達到設(shè)定溫度的時間較長。

圖5 夏季不同室內(nèi)設(shè)定溫度時室內(nèi)溫度變化Fig. 5 Variation of indoor temperature under different indoor setting temperatures in summer

由圖6可知，當系統(tǒng)穩(wěn)定后，室內(nèi)設(shè)定溫度為28.0 °C時，PMV在0.5左右波動，這個值是標準規(guī)定的人體Ⅰ級舒適的臨界值，該溫度下人體也會感覺到比較舒適，PPD的范圍為5%～10%，在Ⅰ級舒適范圍內(nèi)。而當室內(nèi)溫度低于28.0 °C時，室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定后，PPD的值大于10%，不能滿足Ⅰ級舒適要求。當溫度為29.0 °C時，PMV已經(jīng)超過了0.5，人體會感覺偏熱。綜合考慮室內(nèi)溫度變化和舒適性，推薦夏季室內(nèi)溫度設(shè)為28.0 °C。

圖6 夏季不同設(shè)定溫度時室內(nèi)PMV，PPD變化Fig. 6 Variation of indoor PMV and PPD under different setting temperatures in summer

3.2 不同輻射末端供水流量下模擬結(jié)果分析

選取夏季工況，將夏季室內(nèi)溫度設(shè)定為28.0 °C，輻射末端供水溫度為17.0 °C，僅改變輻射末端供水流量，并且控制系統(tǒng)運行過程中其他參數(shù)不變，實測時供水流量為240 kg/h，模擬時在240 kg/h上下取值，將供水流量分別設(shè)定為220，230，240，250，260 kg/h。

由圖7可知，當供水流量設(shè)為220 kg/h時，在系統(tǒng)開啟2 h內(nèi)，室內(nèi)溫度下降較快，2 h后室溫達到28.5 °C，然后緩慢下降，一直在27.5～28.5 °C之間波動。當供水流量設(shè)為260 kg/h時，在系統(tǒng)開啟1 h內(nèi)，室內(nèi)溫度達到28.3 °C，1 h后室內(nèi)溫度一直在室內(nèi)設(shè)定溫度波動范圍內(nèi)。當供水流量從220 kg/h增加到260 kg/h時，供水流量提高了大約18.2%，室內(nèi)溫度達到室內(nèi)設(shè)定溫度波動范圍的時間提前了1 h。

圖7 夏季不同輻射末端供水流量時室內(nèi)溫度變化Fig. 7 Variation of indoor temperature under different water supply flow at radiation end in summer

由圖8可知，在不同工況下，平均輻射溫度在27.5～28.5 ℃之間上下波動。

圖8 夏季不同輻射末端供水流量時室內(nèi)平均輻射溫度變化Fig.8 Variation of indoor average radiation temperature under different water supply flow at radiation end in summer

由圖9可知，當供水流量設(shè)為220 kg/h時，在2:00后PMV≤0.5，當供水流量設(shè)為230 kg/h時，PMV在2:00時達到0.5，當供水流量設(shè)為240～260 kg/h時，在1:00后PMV≤0.5。當供水流量為220～250 kg/h時，在3:00后PPD＜10%，當供水流量為260 kg/h時，在2:00后PPD＜10%，由此可見，供水流量不同，PMV，PPD達到Ⅰ級舒適范圍的時間并不相同，改變供水流量會對夏季室內(nèi)熱環(huán)境及熱舒適產(chǎn)生一定的影響。但是，同一時刻，不同工況下的PMV，PPD值相差較小。

圖9 夏季不同輻射末端供水流量時室內(nèi)PMV，PPD變化Fig. 9 Variation of indoor PMV and PPD under different water supply flow at radiation end in summer

3.3 不同輻射末端供水溫度下模擬結(jié)果分析

在系統(tǒng)運行過程中，將夏季輻射末端供水流量設(shè)定為240 kg/h，室內(nèi)溫度設(shè)定為28.0 °C，僅改變供水溫度，其他參數(shù)保持不變，實測時供水溫度為17.0 °C，模擬時在17.0 °C上下取值，將供水溫度設(shè)定為16.0，17.0，18.0，19.0 °C。

由圖10可知，在系統(tǒng)開啟到室內(nèi)溫度穩(wěn)定的階段，供水溫度越低，室內(nèi)溫度達到室內(nèi)設(shè)定溫度的時間就越短，反之亦然。當供水溫度為16.0，17.0 °C時，系統(tǒng)開啟后1 h，室內(nèi)溫度就達到了室內(nèi)溫度設(shè)定范圍，而當供水溫度設(shè)置為18.0，19.0 °C時，系統(tǒng)開啟2 h，室內(nèi)溫度才達到室內(nèi)溫度設(shè)定的范圍27.5～28.5 °C。室內(nèi)溫度穩(wěn)定后，室內(nèi)溫度在室內(nèi)設(shè)定溫度的范圍內(nèi)波動。

圖10 夏季不同輻射末端供水溫度時室內(nèi)溫度變化Fig. 10 Variation of indoor temperature under different water supply temperatures in summer

圖11為夏季不同的輻射末端供水溫度下，在系統(tǒng)運行過程中，平均輻射溫度一直處于27.5～28.5 ℃范圍內(nèi)。

圖11 夏季不同輻射末端供水溫度時平均輻射溫度的變化Fig. 11 Variation of mean radiation temperature under different water supply temperatures at radiation end in summer

由圖12可知，當供水溫度為16.0，17.0，18.0 °C時，在1:00后，PMV＜0.5。當供水溫度為19.0 °C時，在2:00后，PMV＜0.5，水溫越低，PMV達到Ⅰ級舒適范圍的時間越短。同樣，供水溫度為19.0 °C時，在2:00后，PPD＜10%，達到Ⅰ級舒適范圍的時間最長。供水溫度設(shè)定為16.0，17.0，18.0，19.0 °C時，系統(tǒng)穩(wěn)定后，室內(nèi)PMV和PPD指標均在Ⅰ級舒適范圍內(nèi)波動，均滿足室內(nèi)舒適要求，但綜合考慮室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定所需時間、PMV的整體變化和輻射的影響，推薦夏季系統(tǒng)運行過程中，供水溫度設(shè)為18 °C。

圖12 夏季不同輻射末端供水溫度時室內(nèi)PMV，PPD變化Fig. 12 Variation of indoor PMV and PPD under different water supply temperatures at radiation end in summer

由上述分析可知，由于輻射系統(tǒng)具有熱慣性，室內(nèi)溫度達到設(shè)定溫度的時間和室內(nèi)達到熱舒適要求的時間較長，因此，為了滿足室內(nèi)舒適性的要求，有必要研究提前開啟系統(tǒng)時室內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適的情況。

3.4 夏季系統(tǒng)提前開啟時模擬結(jié)果分析

研究的夏季工況在13:00時室外溫度為34.9 °C，5:00時室外溫度為28.0 °C，分別為該天的室外最高溫度和最低溫度。由于該建筑為住宅，因此，在工作日時，設(shè)定人在18:00時到家，即在18:00時正常開啟系統(tǒng)。在18:00前開啟系統(tǒng)對室內(nèi)溫度進行預(yù)冷。分別對不提前以及提前0.5，1.0，1.5，2.0 h開啟系統(tǒng)進行模擬，研究不同工況下室內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適的動態(tài)變化。只選取系統(tǒng)開啟前、后幾個小時來進行分析，具體的參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 夏季系統(tǒng)提前開啟時參數(shù)設(shè)置Tab.4 Parameter setting for early start of system in summer

圖13為夏季提前開啟系統(tǒng)時室內(nèi)溫度變化情況。由圖13可知，系統(tǒng)提前開啟的時間越長，18:00時室內(nèi)溫度就越低，達到室內(nèi)設(shè)定溫度后在27.5～28.5 °C之間波動。在不同工況下，18:00室內(nèi)溫度分別為27.8，28.1，28.8，29.3，29.9 °C。

圖13 夏季系統(tǒng)提前開啟時室內(nèi)溫度變化Fig. 13 Variation of indoor temperature when the system is turned on ahead of time in summer

圖14分別表示夏季系統(tǒng)提前開啟時室內(nèi)PMV和PPD的變化情況。由圖14可知，在不同工況下，18:00時室內(nèi)PMV的值分別為0.1，0.2，0.5，0.9和1.1，PPD的值分別為5.1%，5.8%，10.7%，23.8%和27.0%。

圖14 夏季系統(tǒng)提前開啟時室內(nèi)PMV，PPD變化Fig.14 Variation of indoor PMV and PPD when the system is turned on ahead of schedule in summer

結(jié)合以上分析可知，在系統(tǒng)提前1.0 h開啟時，18:00室內(nèi)溫度為28.8 °C，PMV和PPD指標分別為0.5和10.7%，室內(nèi)溫度以及熱舒適均略高于室內(nèi)設(shè)定溫度和室內(nèi)Ⅰ級舒適的指標。而在提前1.5 h開啟系統(tǒng)，18:00時室內(nèi)溫度在設(shè)定溫度的波動范圍內(nèi)并且室內(nèi)熱舒適處于Ⅰ級舒適范圍，因此，夏季時可以考慮提前1.0～1.5 h開啟系統(tǒng)。

4 結(jié)論

模擬研究了在夏季工況下，改變輻射末端供水流量和供水溫度對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，得出結(jié)論：

a. 供水流量從220 kg/h增加到260 kg/h，室內(nèi)溫度達到室內(nèi)設(shè)定溫度的時間提前了1 h，對PMV和PPD達到Ⅰ級舒適范圍的時間也有一定的影響；供水溫度不同時平均輻射溫度、PMV和PPD變化較大，供水溫度對室內(nèi)熱環(huán)境的影響較大，供水溫度越低，室內(nèi)溫度的滯后時間越短，室內(nèi)熱環(huán)境達到穩(wěn)定的時間越短。

b. 針對蘇州地區(qū)夏季工況的模擬研究，綜合考慮PMV和PPD的整體變化和輻射的影響，推薦夏季輻射末端供水溫度為18.0 ℃。

c. 輻射系統(tǒng)具有一定的熱慣性。在不同室內(nèi)設(shè)定溫度下，室內(nèi)溫度達到室內(nèi)設(shè)定溫度的時間均大于或等于1 h；為了達到室內(nèi)熱舒適的要求，可以提前1.0～1.5 h開啟系統(tǒng)預(yù)冷。