住宅辐射－送风末端冷负荷分担率研究:从热舒适及室内空气品质角度

隋学敏，张 旭

(1.长安大学a.环境科学与工程学院；b.国土资源部干旱半干旱地区水资源与国土环境开放研究实验室，西安710054；2.同济大学 暖通空调及燃气研究所，上海200092)

众多实验研究及实际应用研究表明，冷辐射吊顶与常规空调相比可获得更高的热舒适性[1－4]，但是冷吊顶并不能消除室内潜热负荷、CO2、挥发性有机物、气味等气体污染物，因此在冷吊顶应用的基础上，必须增加通风系统。以CRCP＋DOAS(ceiling radiant cooling panel＋dedicated outdoor air system)为代表的辐射供冷匹配送风系统的复合式空调系统已被广泛应用于欧洲市场，主要应用于办公建筑[5－7]。近年来，辐射供冷系统也在中国开始兴起，并受到了越来越多的关注，也逐步应用于住宅建筑。与传统对流空调所不同的是，辐射供冷系统室内热湿负荷由辐射末端与送风末端共同承担，其中，送风末端承担室内全部潜热负荷及部分显热负荷，同时兼顾室内卫生需求，辐射末端承担剩余显热负荷。从调节室内热微气候参数的本质上讲，在冷负荷一定的情况下，各室内热微气候参数的大小由辐射和送风末端承担的冷负荷比例来决定。辐射末端承担的冷负荷量影响平均辐射温度和空气温度2个参数，送风末端承担的冷负荷影响空气温度、相对湿度和空气流速3个参数。送风末端和辐射末端两者所承担冷负荷比例的不同会影响室内对流和辐射份额，进而影响室内流场、温度场和浓度场分布，从而影响人体热舒适性及室内空气品质。

纵观已有关于辐射供冷系统的研究，其核心思想是送风末端的风量为最小新风量，承担全部潜热负荷和一小部分显热负荷[8－10]。当前，辐射供冷空调系统的设计也主要是沿袭这一思想。然而，是否采用最小新风量，送风末端仅承担很小一部分冷负荷，室内可获得最佳的热舒适性和室内空气品质？从室内热环境及空气品质的角度，是否存在一个辐射－送风末端的优化匹配问题？本文针对低、中、高负荷3种不同住宅负荷工况，对不同冷负荷分担率下的室内热环境进行了数值模拟，分别分析比较不同冷负荷分担率下室内热舒适性水平和室内空气质量水平，从舒适和健康的角度，得出适宜的冷负荷分担率值。

1 计算模型

1.1 物理模型

以外形及室内布局如图1所示的住宅建筑为研究对象，其几何尺寸为4.6m×3.4m×2.8m。室内热源为人体、灯具及用电器，灯具照明功率根据GB50034—2004《建筑照明设计标准》[11]设计，居住建筑取7W／m2。送风口布置在外墙下部，排风口位于对面墙壁上部。冷板布置在吊顶上，与天花板的面积比为70%。用电器散热量为150W。污染物以人体污染物CO2为代表，人体活动强度为静坐休息状态时，CO2呼出量为0.013m3／(h·人)，房间内有2人。室内湿源为人员散湿量，每人散湿量为82g／h。围护结构的渗湿与季节地区及围护结构材料等多种因素有关，计算中不予考虑。

图1 模拟房间的物理模型

1.2 数学模型

选用室内零方程模型作为紊流附加方程，与质量、动量、能量方程及污染物扩散方程联合，求解室内速度场、温度场及浓度场。采用理想气体状态方程考虑浮升力的影响，采用表面－表面模型来考虑冷板与其它固体表面的辐射传热。因壁面和热源附近存在较大的温度和速度梯度而采用加密网格；送风口和排风口附近，网格宜加密；其余计算空间，网格较疏，以提高计算速度。模拟中的数学模型的准确性笔者已在文献[12]中进行了实验验证。

1.3 室内设计参数的确定

对于辐射供冷系统，在达到同样热舒适性的条件下，室内设计温度可比常规空调系统提高1～2℃[13]。因此，本文数值计算中，在初设供冷条件对室内热环境控制目标进行设计时，室内空调设计温度取28℃，室内相对湿度取50%。

1.4 设计气流组织及送风温湿度参数的设置

从文献[12]对新风量利用的有效性分析可知，与辐射冷吊顶相结合时，采用置换通风及下送风的气流组织形式，新风量可以获得更有效的利用，室内工作区可获得更佳的室内空气品质。因此，本文数值计算中气流组织初设置换通风及下送风形式，具体是两者中的哪一种由送风参数及辐射末端参数来决定。本文通风模式为全新风，新风量保证大于最小新风量，按照文献[14]对最小新风量的设计探讨，人均居住面积为8m2／人时，人均折算新风量为18m3／h，本文计算物理模型对应最小新风量为36 m3／h。新风温度及速度由承担的室内负荷量来确定，新风送风含湿量满足湿平衡：

因此，送风含湿量为：

式中：W1为室内湿负荷，g／h；Gw为新风送风量，m3／h；dn为设计工况室内含湿量g／kg·干；dr为送风含湿量，g／kg·干。

2 住宅负荷工况的选取及负荷分担率的计算

2.1 负荷工况的选取

室内冷负荷大小取决于室内热源的散热量及通过围护结构从室外传至室内的热量，二者是随时间和房间使用情况而变化的。在室内热扰一定的情况下，外围护结构所占比例越大，室内冷负荷越高，室内冷负荷的变化反映在围护结构传热量的变化上。

为确定围护结构负荷在住宅建筑负荷中所占负荷比例，对一典型住宅建筑负荷情进行计算，如表1中数据所示，从计算结果中可以看出围护结构负荷在房间总显热负荷中所占比例为0～53%。为反映不同的建筑负荷情况，全面分析不同负荷情况下不同分担率下的室内热环境，本文数值计算中选取3种不同的负荷工况，为低负荷、中负荷、高负荷工况，分别代表不同的住宅类型，围护结构负荷在总显热负荷中所占比例分别为0、30%、60%，具体数值如表2所示。

表1 建筑空调负荷

表2 计算负荷工况

2.2 负荷分担率的计算

送风末端的主要任务是去除室内余湿和稀释室内污染物，同时承担一部分显热负荷，剩余显热负荷由辐射吊顶承担。显热负荷分担率的计算可用下式表示：

送风承担的显热冷负荷比例ωsupply：

冷吊顶承担的显热冷负荷比例ωc：

分担率满足：

送风承担的负荷：

冷吊顶承担的负荷：

其中：Qsupply为送风承担的冷负荷；Qc为冷吊顶承担的冷负荷；Qheatsource为室内热源散热量；Qenvelope为由围护结构传递到室内的热量；Vsupply为送风量tsupply为送风温差；q为冷板单位面积供冷量；s为冷板铺设面积。

2.3 分担率的调节模式及模拟工况

纵观已有关于辐射吊顶＋新风系统的研究，新风是独立的，从系统的节能性考虑，一般采用最小新风量设计。在住宅空调中，由于新风量很小，要实现风侧承担冷负荷比例实现从0～100%的变化具有局限性。本文计算模拟中，若采用最小新风量送风，按0.55次／h换气次数，置换通风采用2℃送风温差时，送风末端承担的显热负荷很小，即使下送风按传统混合通风的8℃温差来设计，送风承担的显热负荷依然很小。此时可通过在保证最小新风量的基础上，通过调节送风末端的送风量来调节送风末端承担的显热负荷量。

表3 分担率的调节模式

根据公式(3)—(7)，在负荷一定的情况下，送风末端承担的显热负荷分担率主要由送风量和送风温差来决定，辐射末端承担的显热负荷分担率主要由单位面积供冷量和铺设面积来决定。因此，调节送风末端和辐射末端的冷负荷分担率，需要分别调节送风末端和辐射末端的设定参数，以达到相应的匹配。表3给出了负荷分担率的4种调节匹配模式。在风口面积一定的情况下，送风末端承担的显热负荷分担率由送风速度和送风温差来决定。另外，在实际工程应用中，一般辐射冷板铺设面积是固定不变的，通过调节冷板单位面积供冷量来改变冷板供冷量，因此模拟中只选取模式1和模式2。模式1和模式2的具体介绍如下：

模式1：定风量，通过改变送风温差来调节送风末端承担的冷负荷分担率，送风量满足1.4节最小新风量的限值，保证室内卫生需求，送风温差保证风口末端不结露。辐射末端铺设面积一定，通过改变冷吊顶单位面积供冷量来改变辐射末端承担的冷负荷分担率。

模式2：送风温差一定，通过改变送风量来调节送风末端承担的冷负荷分担率，送风量满足1.4节最小新风量的限值。辐射末端铺设面积一定，通过改变冷吊顶单位面积供冷量来改变辐射末端承担的冷负荷分担率。

3 不同负荷分担率下室内热环境及室内空气品质分析

对于文中低、中、高3种负荷工况，分别采取模式1及模式2两种调节模式，共进行了6种工况的数值模拟，由于文章篇幅有限，本文选取中负荷工况，采用模式1的分担率调节模式下的不同负荷分担率下的室内热环境及室内空气品质进行分析。

3.1 不同冷负荷分担率下的供冷条件

中负荷工况，模式1下的空调末端供冷参数如表4所示。

表4 末端供冷条件

3.2 室内热舒适评价

计算PMV指标时，设定人的服装热阻为0.5clo，人的新陈代谢率为1.0met(即58W／㎡，相当于人体静坐时的新陈代谢率)。ISO7730对PMV－PPD指标的推荐值为：PPD＜10%，即PMV值在－0.5～0.5之间[15]。图2给出了不同负荷分担率下工作区的PMV值，从图中可以看出，随着辐射末端冷负荷分担率的逐渐增大，PMV值增大，ωc在0.08～0.78之间时，PMV在ISO7730标准允许的范围内。

图2 不同负荷分担率下的PMV值

3.3 局部不舒适度评价

图3给出了中等负荷条件下不同负荷分担率下的室内垂直温度分布，从图中可以看出，不同工况室内2.65m以下空间垂直方向呈正增加的温度梯度，房间冷却顶板下部较小的空气层由于冷吊顶的冷却作用使得温度沿高度方向降低。冷却顶板负荷分担率ωc越大，室内垂直温度梯度越小。不同工况热分层高度仍在1.3m左右。可见，虽然中等负荷条件下，围护结构有一定的得热量进入室内，相当于壁面的面热源，但对室内垂直温度分布影响不大。

垂直温度梯度是影响局部热不舒适度的重要因素。按照ISO7730舒适性标准，人体脚部到头部(静坐人员为0.1～1.1m)的垂直温度梯度应小于3℃／m。图4给出了不同负荷分担率下0.1～1.1m差值的变化规律，选取Z方向中间断面3个竖轴进行分析，x＝0.6m为a轴，x＝2.3m为b轴，x＝4.0m为c轴。从图中可以看出，随着冷吊顶承担的冷负荷分担率ωc的逐渐增加，头部和脚踝处的温差t1.1－t0.1逐渐减小。以b轴为例，当ωc小于0.37时，t1.1－t0.1为3～4.2℃，超出标准限值。当ωc大于0.37时，t1.1－t0.1为0～3℃，在标准允许的许可范围内。因此，从垂直温度梯度上讲，要使室内保持良好的热舒适性，送风末端承担的冷负荷份额应该加以限制，增加冷吊顶承担的冷负荷份额。每一工况b轴值可反映房间平均垂直温度分布。由图可见，对于该工况系列，冷吊顶承担的冷负荷分担率ωc大于0.37时，头部与脚步的温差t1.1－t0.1小于3℃，满足ISO7730允许的限值范围。

图3 不同负荷分担率下的室内垂直温度分布

图4 不同负荷分担率下0.1～1.1m温度差值的变化规律

表5 不同负荷分担率下的冷风感不满意率值

由于吹风引起的冷风感是引起人体局部不舒适感的主要因素之一。Fanger教授的调查研究表明，由冷风引起的局部不满意率PD(predicted percentage of people dissatisfied due to draft)值主要与平均空气流速、室内空气温度及紊流度有关[16]。选取房间中间断面0.1m、0.3m、0.5m 高度，距送风口0.5m距离的3个点做为考察对象，分别从整体和局部来考察辐射供冷环境吹风感对人体局部不舒适度的影响。紊流度的选取，根据ASHRAE Standard 55－2004[16]标准，混合通风紊流度为35%，置换通风紊流度为20%，文中紊流度取20%。表5给出了中等负荷条件下不同负荷分担率下的局部PD指标。所有工况各点冷风不满意率最大值为10%，远远小于ISO7730标准限值(ISO7730规定PD限值为20%)。可见通过调节温差来调节送风末端分担率时，虽然最大温差有10℃，但由于送风速度很小，室内不会产生布局吹风感。各分担率工况PD值差别不大。

3.4 室内空气品质评价比较

笔者在文献[12]中已对各种室内空气质量评价指标的优缺点和适用范围进行了分析比较，定风量时，宜采用排污效率对室内空气品质进行评价，排污效率值越高说明通风气流排除室内污染物的能力越强，人员活动区域内空气品质越好。变风量时，排污效率仅能表示气流分布形式下移除污染物能量利用的有效性强度，不能用来评价室内空气品质的好坏，宜采用排污效率结合实际新风换气次数进行综合评价，实际新风换气次数越大，室内空气品质越好。本文所分析模式1工况为定风量工况，所以采用排污效率这一指标对室内空气品质进行评价。图5给出了中负荷条件下，不同冷负荷分担率下的排污效率。冷吊顶承担的冷负荷分担率ωc小于0.15时，排污效率小于1。ωc在0.15～0.5之间时，排污效率为1.1左右。ωc在0.5～0.9之间时，排污效率较高，最大值为1.8。当ωc从0.9增加到1时，排污效率下降至1。造成这种结果的原因是负荷分担率的改变导致室内温度分布的不同，从而导致室内空气流场的变化。ωc小于0.5时，虽然送风气流速度较小，但送风温差较大，工作区气流组织处于混合通风与置换通风之间。ωc从0.5增加到0.9时，此时送风温差较小，由热源浮力羽流引起的置换污染物的效果明显，工作区污染物浓度最低，排污效率最高。当冷吊顶负荷分担率接近于1时，室内垂直温度分布趋于均匀，室内污染物浓度分布均匀，排污效率接近于1。

图5 不同负荷分担率的排污效率

4 计算结果总结

对3种负荷下不同负荷分担率下人体热舒适性及室内空气品质评价总结归纳，表6给出了不同负荷下热舒适标准允许范围内负荷分担率范围，表7给出了不同负荷分担率下室内空气品质评价。

表6 不同负荷下热舒适允许范围内负荷分担率

表7 不同负荷分担率下室内空气品质评价

5 结 论

以住宅建筑为研究对象，对不同冷负荷条件下不同负荷分担率下的室内热环境进行了数值模拟，揭示末端不同负荷分担率匹配时的人体热舒适性及室内空气品质情况，主要得出以下结论：

1)低负荷条件下，ωc＜0.7时，人体热舒适性指标可控制在舒适标准允许范围内。模式1，0.42＜ωc＜1时，局部不舒适度指标可控制在舒适标准允许范围内。模式不同分担率工况局部不舒适度指标均可控制在舒适标准允许范围内。

2)中负荷下，ωc＜0.78时，人体整体热舒适性指标可控制在舒适标准允许范围内。模式1，0.36＜ωc＜1时，局部不舒适度指标可控制在舒适标准允许范围内；模式2不同分担率工况局部不舒适度指标均可控制在舒适标准允许范围内。

3)高负荷下，0.26＜ωc＜0.74时，人体整体热热舒适性指标可控制在舒适标准允许范围内。模式1，0.45＜ωc＜1时，局部不舒适度指标可控制在舒适标准允许范围内；模式2不同分担率工况局部不舒适度指标均可控制在舒适标准允许范围内。

4)模式1定风量工况低负荷及中负荷下，当0.5＜ωc＜0.9时，气流组织排除污染物的能力较强，室内工作区可获得较佳的室内空气品质。高负荷工况，0.35＜ωc＜0.6时，室内工作区可获得较佳的空气品质。高负荷工况有别于低中负荷的主要原因是高负荷工况围护结构负荷在总负荷中已占主要比例，室内热源的显著变化导致室内空气流场的变化，ωc在0.3到0.6之间时，气流组织置换污染物的效果较佳。

5)模式2变风量工况，3种负荷工况ωc＝0，即送风末端冷负荷分担率最大时，室内可获得最佳的空气品质。

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