劉 娜 劉 東 李涫宇 周浩天

（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 綿陽(yáng) 621010）

0 引言

公共建筑不斷呈現(xiàn)出窗墻比不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)，但采用了大面積玻璃窗、玻璃幕墻等透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，會(huì)極大影響建筑能耗及舒適度[1]。研究者也對(duì)開(kāi)窗的影響進(jìn)行了相關(guān)研究[2-5]。Hassouneh 等人[6]通過(guò)模擬研究不同類(lèi)型的玻璃窗戶(hù)對(duì)建筑能源平衡的影響，研究發(fā)現(xiàn)在冬季，根據(jù)不同的玻璃類(lèi)型，增加南向的玻璃面積可以節(jié)省更多的能源，而在北方方向節(jié)能的最佳途徑是盡可能減少玻璃面積，在東西方向增加各種類(lèi)型玻璃的玻璃面積，可以提供很好的節(jié)能機(jī)會(huì)；Ochoa 等人[7]從能耗和光環(huán)境舒適綜合評(píng)價(jià)窗墻比，結(jié)果表明，能帶來(lái)良好視覺(jué)舒適度的最佳窗戶(hù)尺寸通常會(huì)導(dǎo)致大量的能源消耗。

當(dāng)室外擁有較強(qiáng)的太陽(yáng)輻射時(shí)，窗戶(hù)開(kāi)大使得更多的太陽(yáng)輻射照射到室內(nèi)，有利于營(yíng)造良好的室內(nèi)熱環(huán)境；Marino 等人[8]研究了太陽(yáng)輻射對(duì)室內(nèi)環(huán)境熱舒適的影響及其對(duì)建筑能耗的影響，研究發(fā)現(xiàn)盡管太陽(yáng)輻射可以改善室內(nèi)舒適度，但它可能會(huì)導(dǎo)致建筑的能源需求增加；劉艷峰等人[9]對(duì)拉薩建筑的室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試，研究結(jié)果表明，即使在沒(méi)有采暖系統(tǒng)的房間里，南向房間室內(nèi)溫度仍然可以滿足任意熱舒適，而且沒(méi)有內(nèi)外遮陽(yáng)的房間室溫比有內(nèi)外遮陽(yáng)的室溫高出1.1℃，由此得出太陽(yáng)輻射對(duì)冬季采暖有積極影響。Gasparella 等人[2]通過(guò)TRNSYS 模擬研究發(fā)現(xiàn)大玻璃的使用提高了冬季性能，但稍微惡化了冬季負(fù)荷的峰值。Mohamed等人[10]通過(guò)模擬證實(shí)了太陽(yáng)斑在地板輻射上的唯一會(huì)導(dǎo)致輻射區(qū)的過(guò)熱，影響室內(nèi)熱舒適。陳辰等人[11]通過(guò)CFD 模擬研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)輻射直射到室內(nèi)地面時(shí)會(huì)造成地面溫度升高，熱水供熱量明顯減少，并且室內(nèi)太陽(yáng)直射區(qū)和非直射區(qū)地面平均溫差高達(dá)5.6℃。

為了更明確夏熱冬冷地區(qū)窗墻比對(duì)冬季采暖系統(tǒng)的運(yùn)行特性影響，本文搭建不同輻射末端供暖實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管和地板輻射末端形式下的供暖特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并分別就窗墻比對(duì)室內(nèi)溫度，垂直溫差，室內(nèi)舒適度等的影響進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試房間介紹

在夏熱冬冷地區(qū)（四川綿陽(yáng)）辦公樓內(nèi)安裝空氣源熱泵為主機(jī)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管和地板輻射雙末端供暖系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由空氣源熱泵、對(duì)流末端、輻射末端、蓄熱水箱、分集水器、一次水泵和二次水泵等組成，其中熱源為戶(hù)式空氣源熱泵機(jī)組（YVAG02RS）一臺(tái)，該機(jī)額定供熱量為12.6kW，制熱輸入功率為3.8kW；其中對(duì)流末端為風(fēng)機(jī)盤(pán)管（TBFL-56）兩臺(tái)，額定供熱量為9.9kW；其中輻射末端為地板輻射系統(tǒng)采用干式地暖模塊，其構(gòu)造如圖2所示，地盤(pán)管采用螺旋迂回形布管方式，管徑為10mm，管間距為90mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Experimental system

圖2 地板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Floor structure

測(cè)試房間尺寸為8.25m×7.89m×3.2m，其外墻立面朝西，傳熱系數(shù)0.83W/(m2·K)，東墻毗鄰走廊，其余均為內(nèi)墻，內(nèi)墻傳熱系數(shù)為1.57W/m2。外窗采用斷橋鋁合金雙層中空鋼化玻璃（6+9A+6），傳熱系數(shù)3.40W/(m2·K)，太陽(yáng)得熱系數(shù)SHGC 為0.61。室內(nèi)主要蓄熱體包括地板和墻面，測(cè)試房間墻面反射系數(shù)0.75，地面鋪設(shè)木質(zhì)地板，其表面反射率為0.4。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

測(cè)試時(shí)間為冬季供暖期（12月、1月）。實(shí)驗(yàn)期間室內(nèi)遮陽(yáng)窗簾處于開(kāi)啟狀態(tài)并且實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)全天開(kāi)啟，進(jìn)行風(fēng)機(jī)盤(pán)管供暖（FC）和地盤(pán)管供暖（RF）兩種不同系統(tǒng)的連續(xù)性實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間將主機(jī)供水溫度統(tǒng)一設(shè)定為40℃，風(fēng)盤(pán)和地盤(pán)管室內(nèi)溫控器分別設(shè)置為21℃和22℃；實(shí)驗(yàn)期間為減少室外空氣的滲透作用，將室內(nèi)窗戶(hù)關(guān)閉，并開(kāi)啟室內(nèi)新風(fēng)機(jī)以滿足室內(nèi)人員新風(fēng)需求；實(shí)驗(yàn)時(shí)辦公人員穿著1.2clo 的冬季服裝并以坐姿狀態(tài)靜坐辦公，為了保證測(cè)試的真實(shí)性，實(shí)驗(yàn)中允許辦公人員有較輕的活動(dòng)。

為了更好進(jìn)行窗墻比的影響測(cè)試，利用等效熱阻的方法在玻璃面上粘貼一層30mm 厚的鋁箔隔熱棉替代建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)外窗玻璃面積大小的改變。按照Peng 等人[5]的研究結(jié)果，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，將窗墻比的研究范圍設(shè)定為40%～80%，以10%遞減，除窗墻比為80%外，其余情況均是通過(guò)粘貼鋁箔隔熱棉實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 窗墻比改變形式Fig.3 Window-wall ratio changes form

1.3 測(cè)點(diǎn)分布

為了更好進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，建立實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)所涉及的測(cè)試參數(shù)主要有室內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，室內(nèi)垂直空氣溫度，室內(nèi)風(fēng)速，室外空氣溫度、相對(duì)濕度，設(shè)備用電量。實(shí)驗(yàn)期間，室內(nèi)外溫濕度采用溫濕度傳感器測(cè)量；室內(nèi)壁面溫度采用溫度傳感器測(cè)量；室內(nèi)垂直溫度采用熱電偶測(cè)量；室內(nèi)風(fēng)速采用分體式風(fēng)速傳感器測(cè)量；系統(tǒng)設(shè)備用電量用單相電子式電能表測(cè)得。實(shí)驗(yàn)所有測(cè)量?jī)x器在實(shí)驗(yàn)期間持續(xù)工作，并以10分鐘為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。實(shí)驗(yàn)所用測(cè)試儀器參數(shù)介紹如表1所示，實(shí)物如圖4所示。

表1 儀器測(cè)量范圍與誤差Table 1 Instrument measurement range and error

圖4 環(huán)境測(cè)試儀器Fig.4 Environmental testing instrument

本文實(shí)驗(yàn)測(cè)試房間的測(cè)點(diǎn)分別為室內(nèi)空氣溫濕度測(cè)點(diǎn)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度測(cè)點(diǎn)與室內(nèi)垂直溫度測(cè)點(diǎn)。室內(nèi)空氣溫濕度測(cè)點(diǎn)及房間風(fēng)速測(cè)點(diǎn)均位于房間中心位置，放置在據(jù)樓板高度分別為0.79m和0.76m；圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的測(cè)點(diǎn)布置如5（a）所示，垂直溫度測(cè)點(diǎn)分布位置從門(mén)到窗分別為C、A、B，分別連續(xù)測(cè)量距地0.45m、0.90m、1.35m、1.80m、2.25m 處空氣溫度值，具體位置如圖5（b）所示。

圖5 室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 Indoor measuring points

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 平均輻射溫度

平均輻射溫度（）是人體熱計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵因素。它是與受試者在實(shí)際環(huán)境中輻射換熱量相等的一個(gè)假想的溫度均勻的黑色封閉空間的輻射溫度[12]。平均輻射溫度可以通過(guò)式（1），從周?chē)h(huán)境表面的角系數(shù)和壁面表面的測(cè)量溫度計(jì)算出來(lái)。

式中，F(xiàn)j為周?chē)h(huán)境第j個(gè)表面的角系數(shù)；tj為周?chē)h(huán)境第j個(gè)表面的溫度，℃。本文Fj使用的是周?chē)h(huán)境第j個(gè)表面的面積比重，即，A指測(cè)試房間表面積，Aj指周?chē)h(huán)境第j個(gè)表面的面積。

1.4.2 熱舒適評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)將實(shí)測(cè)值（室內(nèi)空氣溫度、壁面溫度、室內(nèi)風(fēng)速等）和輸入值（人體能量代謝率、人體所做機(jī)械功、服裝熱阻和壁面面積等）帶入系統(tǒng)內(nèi)PMV（Predicted Mean Vote）和PPD（Predicted Percentage Dissatisfied）計(jì)算式，得出不同室內(nèi)熱環(huán)境下的PMV 與PPD 值。通過(guò)與Fanger 教授提出的7 級(jí)分度的PMV 指標(biāo)對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)熱環(huán)境舒適與否，如表2所示。

表2 PMV 熱感覺(jué)標(biāo)尺Table 2 PMV thermal sensing scale

1.4.3 垂直溫度無(wú)量綱化

為了更好對(duì)比不同時(shí)間點(diǎn)、不同測(cè)點(diǎn)處沿垂直方向溫度的變化，將每一點(diǎn)的垂直溫度進(jìn)行無(wú)量綱化處理，具體操作如下：

式中：η為垂直溫度無(wú)量綱化后的值；Tmax為垂直溫度最大值，℃；Tmin為垂直溫度最小值，℃；T為該時(shí)間點(diǎn)、該測(cè)點(diǎn)下的垂直溫度值，℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 室內(nèi)外溫度

圖5（a）為不同窗墻比下兩種末端形式下室外空氣溫度隨時(shí)間變化的曲線。為了減小室外空氣溫度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，本文選取冬季室外溫度變化相近的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。從圖中可以看出，除了WWR50%（FC）這一工況外，其余工況的室外溫度范圍和溫度波動(dòng)趨勢(shì)一致，中午12:00，在太陽(yáng)輻射的作用下，室外溫度均出現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖5（b）為不同窗墻比下兩種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的室內(nèi)空氣溫度的分布情況（圖中左側(cè)表示為RF 系統(tǒng)，右側(cè)表示為FC 系統(tǒng)）。從圖中可以看出，在RF 末端作用下，不同窗墻比的溫度分布范圍始終維持在18.5℃～20.5℃之間，波動(dòng)幅度較小，變化相對(duì)穩(wěn)定。并且隨著窗墻比的不斷增加，圖形也變得更寬，波動(dòng)更小，表明室內(nèi)溫度在舒適范圍內(nèi)出現(xiàn)頻率增加，并且變化趨于穩(wěn)定，說(shuō)明太陽(yáng)輻射對(duì)冬季采暖有積極的影響；在FC 末端作用下，不同窗墻比的溫度分布范圍大多數(shù)維持在18.5℃～23.5℃之間，對(duì)比RF 末端作用下的室內(nèi)溫度圖形，F(xiàn)C 末端作用下的室內(nèi)溫度波動(dòng)更大，變化相對(duì)不穩(wěn)定，這是由于在FC 末端作用下當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到一定值時(shí)，其存在間歇運(yùn)行的狀態(tài)。因此，隨著窗墻比的增加，不論是FC 系統(tǒng)還是RF 系統(tǒng)，其溫度波動(dòng)都會(huì)變大，但FC 系統(tǒng)比RF 系統(tǒng)室內(nèi)溫度波動(dòng)更為明顯。

圖5 室內(nèi)外空氣溫度Fig.5 Indoor and outdoor air temperature

2.2 室內(nèi)垂直溫度

當(dāng)有太陽(yáng)輻射照射時(shí)，窗戶(hù)玻璃面積的大小會(huì)影響攝入室內(nèi)的輻射量進(jìn)而影響室內(nèi)熱環(huán)境。為了清楚的觀察到不同測(cè)點(diǎn)沿垂直方向溫度的變化，圖6和圖7繪制了各工況在6:00、12:00、18:00 時(shí)的無(wú)量綱化垂直溫度的分布熱圖，圖上各方格上的值為對(duì)應(yīng)高度的無(wú)量綱溫度值。如圖所示不同窗墻比下各對(duì)應(yīng)3 列，從左到右分別表示測(cè)點(diǎn)C、A 和B處對(duì)應(yīng)高度的無(wú)量綱溫度值，從圖中可以清楚的觀察到室內(nèi)縱向溫度變化呈現(xiàn)出隨高度的增加而升高的趨勢(shì)；由于不對(duì)稱(chēng)輻射的影響，室內(nèi)C、A、B 三點(diǎn)溫度變化不同，室內(nèi)中心處垂直溫度相對(duì)高于靠窗及靠墻位置。

對(duì)比圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)FC 系統(tǒng)供暖時(shí)，由于冷空氣密度大于熱空氣密度，冷空氣沉在房間下方，熱空氣就長(zhǎng)時(shí)間停留在房間上空，使得上方空氣溫度升高，而與房間下方空氣溫度相差較大，會(huì)出現(xiàn)“上熱下冷”的溫度分布不均勻的情況。而RF 系統(tǒng)供暖的室內(nèi)垂直溫度梯度變化較小，沿垂直方向溫度分布均勻，符合人體生理取暖的舒適要求。當(dāng)有太陽(yáng)輻射存在時(shí)，不論是FC 系統(tǒng)還是RF系統(tǒng)，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)垂直溫度都會(huì)隨著窗墻比的增加有所上升。但是在RF 末端作用下，當(dāng)太陽(yáng)輻射照射在地板上，地面溫度升高較為明顯。

圖6 不同窗墻比下RF 系統(tǒng)供暖時(shí)室內(nèi)垂直溫度分布圖Fig.6 Indoor vertical temperature distribution of RF system heating under different window-wall ratios

圖7 不同窗墻比下FC 系統(tǒng)供暖時(shí)室內(nèi)垂直溫度分布圖Fig.7 Indoor vertical temperature distribution of FC system heating under different window-wall ratios

2.3 室內(nèi)熱舒適

圖8為不同窗墻比不同供暖系統(tǒng)下室內(nèi)人員熱感覺(jué)評(píng)價(jià)PMV 分布情況（圖中左側(cè)表示為RF系統(tǒng)，右側(cè)表示為FC 系統(tǒng)）。從圖中可以看到在RF 系統(tǒng)下，PMV 值大致范圍在0～0.5 之間，即大部分處于“適中”和“稍暖”的中間狀態(tài)，隨著窗墻比的增加，進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射量增加，平均輻射溫度有所增加，使得PMV 值有所升高，逐漸偏向于更“稍暖”的狀態(tài)；并且圖形的寬度增加，表明PMV 值在舒適范圍內(nèi)出現(xiàn)的頻率增加。在FC系統(tǒng)下，PMV 值大致范圍在-0.3～0.4 之間，大部分熱感覺(jué)處于“適中”狀態(tài)，隨著窗墻比的增加，F(xiàn)C 末端作用下的PMV 值在舒適范圍內(nèi)出現(xiàn)的頻率有所增加，但是沒(méi)有RF 末端作用下的效果明顯。對(duì)比RF 末端作用下的PMV 值的圖形，F(xiàn)C 末端作用下的PMV 值波動(dòng)更大，變化相對(duì)不穩(wěn)定，這是由于太陽(yáng)輻射對(duì)平均輻射溫度的影響很大，PMV又受平均輻射的影響，而RF 末端作用下輻射作用更加強(qiáng)烈。因此，在RF 系統(tǒng)下，室內(nèi)熱舒適性更好。

圖8 不同窗墻比不同系統(tǒng)下室內(nèi)PMV 分布情況Fig.8 Indoor PMV distribution in different systems with different window-wall ratios

2.4 系統(tǒng)能耗

本文系統(tǒng)能耗用用電量表示，當(dāng)日能耗指所有設(shè)備（主機(jī)、末端設(shè)備、水泵等）運(yùn)行耗電量之和。圖9為不同窗墻比不同末端作用下系統(tǒng)能耗情況（圖中左側(cè)表示為RF 系統(tǒng)，右側(cè)表示為FC 系統(tǒng)）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)窗墻比為60%時(shí)不同末端作用下的系統(tǒng)當(dāng)日所消耗的能耗差別不大。在RF 末端作用下，由于窗墻比為40%和70%的室外溫度較高，所以其當(dāng)日系統(tǒng)能耗略低，而其余工況的系統(tǒng)每日能耗隨著窗墻比的增加略微的增加，這說(shuō)明隨著窗墻比的增加，雖然由于窗戶(hù)作用，晚上會(huì)使熱損耗增加，但是白天進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射量增加有利于增加室內(nèi)得熱量。由于對(duì)流作用能使室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度的時(shí)間相對(duì)較快，當(dāng)滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度時(shí)，其會(huì)存在間歇運(yùn)行狀態(tài)，再一次開(kāi)始運(yùn)行時(shí)能源消耗較多，因此在FC 末端作用下，隨著窗墻比的增加能耗有所增加，并且增加的幅度大于RF 末端作用下的。對(duì)比兩種不同末端可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)供水溫度相同的情況下，為滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的要求，創(chuàng)建舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，RF 系統(tǒng)相比于FC系統(tǒng)耗能較少。

圖9 不同窗墻比不同系統(tǒng)下系統(tǒng)當(dāng)日能耗Fig.9 The energy consumption of different systems under different window-wall ratios

3 結(jié)論

本文為探究夏熱冬冷地區(qū)窗墻比對(duì)冬季采暖系統(tǒng)的運(yùn)行特性影響，進(jìn)行風(fēng)機(jī)盤(pán)管和地板輻射兩種不同末端形式的供暖特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并分別就窗墻比對(duì)室內(nèi)溫度，垂直溫差，室內(nèi)舒適度等的影響進(jìn)行分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）隨著窗墻比的增加，兩種供暖系統(tǒng)室內(nèi)溫度波動(dòng)增大。RF 供暖系統(tǒng)下室內(nèi)溫度范圍在18.5℃～20.5℃之間波動(dòng)，而FC 供暖系統(tǒng)下室內(nèi)溫度范圍在18.5℃～23.5℃之間波動(dòng)，但RF 系統(tǒng)比FC 系統(tǒng)室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度小，變化穩(wěn)定。

（2）由于不對(duì)稱(chēng)輻射影響，室內(nèi)中心處垂直溫度高于靠窗及靠墻位置；兩不同末端作用下的室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)垂直溫度隨著窗墻比的增加有所上升。在RF 末端作用下，地面溫度升高較為明顯，并且RF系統(tǒng)作用下的室內(nèi)垂直溫度梯度變化較小，符合人體生理舒適要求。

（3）當(dāng)白天室外溫度升高，隨著窗墻比的增加，進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射量增加，輻射作用下平均輻射溫度增加明顯，PMV 值隨著窗墻比的增加而增加，并且變化相對(duì)穩(wěn)定。在FC 系統(tǒng)下，PMV 值大致范圍在-0.3～0.4 之間；在RF 系統(tǒng)下，PMV值大致范圍在0～0.5 之間。因此，RF 末端作用下的供暖系統(tǒng)，房間熱舒適性更好。

（4）兩種不同末端作用形式的系統(tǒng)每日能耗均隨著窗墻比的增加而增加，由于FC 末端作用時(shí)存在間歇運(yùn)行狀態(tài)，其系統(tǒng)能源消耗高于RF 系統(tǒng)。