冷却顶板系统的供热性能及热舒适效果

田 喆，王 硕，朱 能，张 诚

(天津大学环境科学与工程学院，天津 300072)

冷却顶板系统的供热性能及热舒适效果

田 喆，王 硕，朱 能，张 诚

(天津大学环境科学与工程学院，天津 300072)

冷却顶板供热可能对人员整体和局部热舒适产生影响．通过搭建全尺寸冷却顶板实验系统，以Fanger热舒适模型和ASHRAE 55—2004等标准为依据，对冷却顶板供热房间的热环境和热舒适效果进行了全面测评，着重分析了供热量与局部热不舒适之间的关系和变化规律．研究表明，冷却顶板供热可以满足相关标准对整体热舒适的要求，但由于垂直温差和辐射不对称温度的作用，供热量超过限定值时会引起局部热不舒适，建议冷却顶板供热量不宜超过117 W/m2．

冷却顶板；供热工况；整体热舒适；局部热不舒适

冷却顶板作为一种新型空调方式，最早起源于欧洲斯坎蒂纳维亚半岛一带，其通过改变背部铜制盘管内的水温来调节顶板表面温度，进而实现调节房间温度的目的[1]．与传统空调不同，冷却顶板可以通过辐射换热直接与人员进行热交换，因此具有较好的热舒适性．一般而言，冷却顶板夏季室内设计温度可较常规空调高1～2,℃[2]，且其供水温度一般在16,℃左右，冷源可以在高性能系数(coefficient of performance，COP)值下运行或直接利用其他可替代冷源[3]，因此节能潜力较大．关于冷却顶板的研究，多数集中在夏季供冷工况[4-6]；而当其应用于供热时通常会产生2个疑问：①供热量能否满足房间负荷的要求；②人员整体热舒适和局部热不舒适情况如何．为了明确以上2个问题，为冷却顶板供热提供设计和参考依据，笔者搭建了全尺寸冷却顶板实验系统，利用室内热环境分析仪对不同工况时室内热环境进行了实测，并运用Fanger热舒适模型和ASHRAE 55—2004等标准对冷却顶板供热房间的热环境和热舒适效果进行了全面测评和研究．

1 实验方法

1.1 实验系统

选择一间尺寸为6.7,m×3.1,m×3.3,m(长×宽×高)的办公室作为实验房间，南外墙设有尺寸2.2,m× 2.05,m(宽×高)的双层玻璃木窗，北墙与过道相邻，其余方向墙体均与有采暖的房间相邻．

使用德国Krantz公司型号为SKS-4/3冷却顶板9块，距地3.1,m，单块尺寸为1.8,m×0.6,m(长×宽)，覆盖率为46%．冷却顶板分3组环路布置，组间并联，组内串联．3组环路既可独立运行，又可联合运行．冷热源使用北京中科科仪生产的风冷式冷水机KYKY-LS,65A，出水温度可以在5～45,℃自由调节．流量调节系统用于控制系统水量．室内无其他热源散热．实验室设备布置如图1所示．

图1 实验设备布置示意Fig.1 Arrangement of experiment equipment

1.2 实验设计

实验安排在冬季，历时1个月．为了考察冷却顶板系统在不同热负荷条件下供热效果及室内热环境，特选择室外温度为4.7,℃、0.4,℃、-1.5,℃、-3.4,℃和-10.4,℃ 5种工况．实验开始后利用冷却顶板作为唯一热源加热房间，同时调节热源出水温度；当室内垂直高度方向各测点温度趋于稳定，且1.1,m高度处温度达到并维持18,℃时，认为室内已经达到热平衡，开始测试．利用Fanger热舒适模型计算整体热舒适评价指标，同时参考ASHRAE,55—2004等标准分析局部热不舒适有关指标．

1.3 测试内容及方法

测量系统供回水温度、流量和室外温度，用以明确冷却顶板系统供热量和室外环境．测量室内热环境中的干球温度、相对湿度、黑球温度和风速，用于对人员整体热舒适的评价；而净辐射量、辐射不对称温度、辐射不对称不满意率、垂直温度梯度则用于人员局部热不舒适分析．

供回水温度、室外温度及垂直温度梯度采用高精度PT100铂电阻测量，通过NI公司CDAQ-9172型温度采集系统上传至电脑实现自动存储，采集频率为1,min，持续30,min．为避免环境辐射干扰，在温度探头上加装了防辐射罩．温度梯度分别测量冷却顶板表面温度、冷却顶板附近空气温度(2.6,m)、人员站立(1.7,m)、坐立(1.1,m)和脚踝高度(0.1,m)处空气温度．利用LSI公司BabcuA室内热环境分析仪分别测量各组冷却顶板下方距离地面0.6,m和1.1,m处室内热环境参数，数据每分钟巡检记录1次，持续30,min．系统水流量直接读取自浮子流量计面板．测试仪器精度见表1.

表1 测试仪器精度Tab.1 Accuracy of test probes

2 实验结果

冷却顶板供热量利用供、回水温差及系统水流量直接计算得到．不同实验工况下冷却顶板单位面积供热量及供水温度情况如表2所示．

表2 室外温度与冷却顶板对应参数Tab.2 Corresponding parameters of outdoor temperature Tab.2 and chilled ceiling

从表2中可以看出，随着室外温度的降低，供水温度升高，冷却顶板供热系统可采取质量调节，即在其系统水流量不变的条件下，随着供水温度的升高，冷却顶板供热量随之增大；其中在室外温度处于最不利条件-10.4,℃时，房间单位地板面积供热量达到78,W/m2，房间温度仍保证达到18,℃，说明利用冷却顶板供热时供热量是可以满足一般负荷需求的．

为了应对日常房间负荷变化，保证室内温度处于合理范围之内，需要对冷却顶板供热量进行调节，本实验采取恒定系统流量、调节供水温度的方法调节冷却顶板供热量．供回水平均温度与室内1.1,m处空气温度之差随冷却顶板供热量变化的曲线如图2所示．

图2 水/空气侧温差与供热量关系Fig.2 Relationship between temperature difference of air/water side and heating supply

由图2可以看出，在温度调节中，冷却顶板供热量随水/空气侧温差的升高而增大，且二者近似呈线性关系变化．每当水/空气侧温差升高1,℃，冷却顶板供热量增大约26,W/m2．在本实验中，冷却顶板供热单位面积供热量在90～182,W/m2之间变化．与夏季冷却顶板供冷上限考虑结露因素不同，冷却顶板供热上限受热舒适限定．

冷却顶板供热时会在室内形成一定大小的温度梯度，进而影响人体热舒适．本实验考察房间2部分温度梯度：①房间整体的温度梯度，按照2.6,m处与0.1,m处温差计算；②房间人员活动区(1.7,m以下)和房间高区(1.7,m以上)的局部温度梯度．不同供热量下房间垂直方向温度分布情况见图3，房间平均温度梯度随冷却顶板供热量变化的曲线见图4，高低区温度梯度随供热量变化的曲线见图5．

图3 不同供热条件下房间垂直温度分布Fig.3 Temperature profile of different heating supply

由图3可以看出，冷却顶板供热时会在室内形成明显的温度梯度，且在不同供热量下房间垂直温度分布趋势一致；随着供热量增大，除了脚踝处，其余各测点温度升高，人员坐立区域(1.1,m以下)温差增大．房间内温度梯度分布并不均匀，在房间高区，温度变化较大，温度梯度明显；在人员活动区，温度梯度较小．图5进一步反映了房间高区和人员活动区温度梯度随供热量的变化曲线，可以看到，不论在高区还是人员活动区，温度梯度随供热量的升高而增大，在房间高区(1.7,m以上)温度梯度值可达到7,K/m以上，而在人员活动区，温度梯度一般不高于3,K/m．形成这种温度分布的原因是：室内热负荷全部由辐射供暖方式承担，因为对流所占比例很小，使得在冷却顶板附近温度梯度很大，而人员活动区域温度分布趋于一致．由图4可见房间平均温度梯度随供热量升高而增大，且近似呈线性关系变化，虽然房间上部会形成较大的温度梯度，但是该区域已经超过人员活动范围，对人热舒适影响甚微，而如果人员活动区垂直温差超出规定值就会影响人体热舒适，该点将在局部热不舒适部分分析．

图4 供热量与温度梯度的关系Fig.4 Relationship between temperature gradient and heating supply

3 实验分析

3.1 人员整体热舒适

美国ASHRAE Standard 55—1992中对热舒适的定义为“热舒适是人对热环境感到满意的意识状态”．现行标准中，使用Fanger教授的PMV-PPD模型预测评价环境热舒适程度．办公房间人员以坐姿为主，热舒适计算以0.6,m高度空气参数为准；但有时会因工作需要，如送取文件等会在较短时间内处于站姿，此时热舒适计算以1.1,m高度空气参数为准[7]．为明确在这2种姿态下人员热舒适情况，做如下分析．

办公活动属轻微劳动，人员坐立新陈代谢量M＝1.2,met[8]，服装热阻[9]Icl＝1.0,clo，座椅热阻0.15,clo[10]；站立M＝1.3,met[8]，冬季办公服装热阻1.0,clo[9]．实验实测了3组冷却顶板下方0.6,m处和1.1,m处各点室内热环境参数，并利用 Fanger人体热舒适方程求解得到各测点处人员预测平均投票指数(predicted mean vote，PMV)值，不同供热量条件下PMV的最大、最小及均值分布情况如图6所示．

图6 PMV值分布曲线Fig.6 Distributing curve of PMV

由图6可以看出，不同供热量条件下人员坐姿和站姿时PMV都处于-0.5～0.5之间，处于ASHRAE 55—2004中关于PMV的推荐范围之内，说明人员整体热舒适可以得到保证．在本实验中，房间温度保证为18,℃，同时热舒适均得到了保证．

在PMV计算式中，共有8个变量，而服装面积系数fcl和衣物表面温度tcl均可由服装热阻Icl决定，对流换热系数hc是风速v的函数，人体做机械功W按0计算，所以影响人员热舒适的参数有6个，即：室内空气温度、室内平均辐射温度、空气流速、空气中水蒸气分压力、衣着和新陈代谢率．在这6个参数中，仅有空气温度和平均辐射温度随冷却顶板供热量变化而改变，因此在本实验中，空气温度和平均辐射温度是影响人体热舒适的关键因素．为了进一步说明平均辐射温度作用，做如下分析．

假想该房间为常规空调采暖房间，认为空气平均辐射温度与空气温度相等．若仍保证房间1.1,m处温度为18,℃，且人员活动量与着装程度与本实验相同，则不同室外温度条件下0.6,m和1.1,m处的PMV值见表3．

表3 常规采暖房间空气温度等于平均辐射温度时PMV分布Tab.3 PMV distribution when air temperature equals the Tab.3 MRT

从表3可以看出，若采用常规空调采暖，空气温度与平均辐射温度基本相等．在各室外温度条件下，人员呈坐姿时，PMV均超过热舒适范围，人体整体热舒适将处于偏冷状态，不能得到保证．与图5和图6对比发现，同样室内设计温度条件下，冷却顶板房间热舒适明显优于常规空调采暖房间．

进一步假设，保证常规空调房间人体热舒适与本实验冷却顶板站姿(1.1,m)处整体热舒适相同，且人体新陈代谢量与着装程度也相同，则常规空调采暖房间需达到的室内温度见表4．

表4 整体热舒适相同时室内空气温度对比Tab.4 Comparison of air temperature at the same PHV

由表4可以看出，当常规空调采暖房间保持与冷却顶板相同的热舒适水平时，空气温度比冷却顶板采暖房间空气温度高约1.3,℃．

综合以上分析可以看出，在达到同样热舒适水平前提下，冷却顶板室供热的室内设计温度可以比常规空调采暖低约1.3,℃．

3.2 局部热不舒适

即使人体整体感觉处于热中性状态时，身体其他部位可能会因为环境的不均匀性产生不舒适的感觉．造成环境的不均匀性的原因主要有过冷的窗户、过热的表面、吹风感等或是这几个因素的综合作用．本实验主要研究局部热不舒适中的辐射不对称温度与垂直温差，因室内风速很低，故不考虑吹风感．

3.2.1 辐射不对称温度

辐射不对称温度是指人体两侧空间环境辐射温度不同而引起的温差[11]，它会直接影响人员的局部热不舒适．冷却顶板供热工况属于引起辐射不对称热不舒适的典型环境，因此有必要研究由该环境引起的人员局部热不舒适情况．图7为辐射不对称温度随冷却顶板供热量变化的曲线．

图7 辐射不对称温度与供热量关系Fig.7 Relationship between radiant temperature asymmetry and heating supply

由图7可以看出，供热量增大引起冷却顶板表面温度升高，进而引起辐射不对称温度增加．冷却顶板供热量每增加10,W/m2，辐射不对称温度大约增加0.3,℃，二者近似呈线性关系变化．ASHRAE 55—2004推荐辐射不对称温度不应超过5,℃，在该实验条件下冷却顶板供热量不宜超过142,W/m2．

3.2.2 垂直温差

垂直温差也是引起人员局部热不舒适的重要因素．人员坐立时重点考察头部高度1.1,m和脚踝高度0.1,m间温差[11]．实验中垂直温差不满意率随冷却顶板供热量变化的曲线见图8．

由图8可以看出，垂直温差随冷却顶板供热量升高而增大，且近似呈线性变化关系．ASHRAE,55— 2004推荐头-踝间温差不宜大于3,K，即不满意率(percent dissatisfied，PD)≤3.95%．根据PD极限值，可以得到满足垂直温差不满意率时冷却顶板供热量不宜超过117,W/m2．

图8 垂直温差不满意率与供热量关系Fig.8 Relationship between PD due to vertical temperature difference and heating supply

综合以上分析可以得出，冷却顶板供热会带来局部热不舒适问题，其中垂直温差影响最大．冷却顶板供热设计应首先考虑垂直温差确定供热量上限．

4 结 论

(1) 冷却顶板供热可以满足房间设计温度的需要，并能适应房间负荷变化．

(2) 冷却顶板供热房间人员站姿和坐姿整体热舒适都处于ASHRAE,55—2004推荐范围之内，人员整体热舒适可以保证．

(3) 在人员热舒适得以保证前提下，冷却顶板供热房间室内设计温度可以较对流采暖房间低约

1.3 ,℃．

(4) 当人员整体热舒适与局部热舒适都满足规范要求时，垂直温差是影响冷却顶板供热人员热舒适的主要因素，冷却顶板供热设计时应重点考虑垂直温差确定供热量的上限．本实验中不宜大于117,W/m2.

(5) 房间热负荷较大时，可以考虑通过增加冷却顶板供热面积实现．

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Performance and Thermal Comfort of Chilled Ceiling System in Heating Mode

TIAN Zhe，WANG Shuo，ZHU Neng，ZHANG Cheng
(School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Chilled ceiling in heating mode may affect people′s general thermal comfort and local thermal discomfort. In this paper，a chilled ceiling room was designed and built．The thermal environment parameters of the room were measured，and general thermal comfort and local thermal discomfort were analyzed by using the model established by Fanger and ASHRAE 55—2004 standard. The research focused on the relationship between heating supply and local thermal discomfort. The research result indicates that general thermal comfort is satisfied according to the ASHRAE 55—2004 standard while local thermal discomfort emerges due to radiant asymmetry and vertical temperature difference when heating supply of chilled ceiling reaches a certain value. The suggested heating supply is not more than 117 W/m2.

chilled ceiling；heating mode；general thermal comfort；local thermal discomfort

TU833

A

0493-2137(2010)12-1109-06

2009-04-17；

2009-08-27.

国家科技支撑计划资助项目(2006BAJ03A10)；天津市应用基础及前沿技术研究计划资助项目(09JCYBC07600).

田 喆（1975— ），男，博士，副教授．

田 喆，tianzhe@tju.edu.cn.