日喀则机场建筑辐射供暖末端性能优化设计

邹秋生 李倩茹 李永财



日喀则机场建筑辐射供暖末端性能优化设计

邹秋生1李倩茹2李永财2

（1.四川省建筑设计研究院 成都 610000；2.重庆大学 重庆 400045）

高海拔寒冷地区因其独特的地理条件，具有海拔高、气压低、气温低等特点，建筑供暖期长，供暖能耗占建筑总能耗的比例较高。对于高海拔地区大空间建筑中低温地板辐射系统性能及室内环境质量，前人研究较少。以日喀则某大空间建筑低温地板辐射供暖系统为基础进行研究，使用Airpak模型与实测两种方法对其供回水温度进行优化分析，为高海拔寒冷地区大空间建筑低温地板辐射供暖系统的应用提供参考。通过对不同供回水温度工况下的室内温度分布和系统年运行能耗进行分析，得出最优供回水温度为42℃/37℃，与设计温度47℃/42℃相比，在保证舒适性的同时系统节约能耗约4.59%。

高海拔寒冷地区；低温地板辐射供暖；供回水温度；Airpake模型；模拟能耗

0 引言

随着城镇化的快速发展，我国与发达国家相比建筑能耗不仅数量大，而且能源利用效率低，特别是在我国高海拔高纬度地区，供暖系统能耗占建筑运行能耗的绝大部分[1,2]。但前人对高海拔寒冷地区的供暖研究，一般针对太阳能供暖方面较为普遍，末端仅有对散热器和燃气壁挂炉的研究。郑宗和等通过对西藏科技厅太阳能供暖系统的测试分析得出在西藏地区，相比太阳能直接供暖系统，太阳能热泵供暖系统的经济性较好[3]。王磊等用f图法得出，在西藏地区，散热器为供暖末端时应当采用太阳能低温水源热泵辅助供暖系统，太阳能保证率可达95%左右[4]。闫博佼提出，在严寒地区，相比常规供暖系统，太阳能与地源热泵复合供暖系统节能效果显著，具备客观的发展前景[5]。但对于低温地板辐射供暖在高海拔地区特别是高大空间的运用，前人并未涉猎。

本文以日喀则某大空间建筑低温地板辐射供暖系统为基础进行研究，对其供回水温度进行优化分析，就不同供回水温度工况下的室内温度分布，使用Airpak建立模型并分析比较，并对不同供回水温度工况下的系统年运行能耗进行分析，比较不同供回水温度的热舒适性和节能性，得出最优的供回水温度。

1 高原寒冷地区供暖系统实测

1.1 高原寒冷地区气候特性

日喀则位于西藏地区，海拔高度为3783m，由于高海拔的地势，造就了其独特的气候特征：海拔高，气压低，冬季寒冷，夏季凉爽，太阳辐射强度高。日喀则月平均干球温度如图1所示。

图1 日喀则月平均干球温度分布图

由图1可以看出，日喀则地区月平均温度只有在4～10月超过5℃，最低值为1月的-1.47℃。根据冬季供暖温度要求，建筑共需供暖度日数为3550.2，供暖度小时数为87783.9，因此，日喀则地区供暖需求量较大，建议供暖期设置为11月1日到次年3月31日。而一年之中，最热月为7月，月平均气温在6.4～13.2℃，夏季温暖不炎热，极端最高气温28℃，基本无需供冷。同时，青藏高原大气清洁，空气湿度小，晴天较多，日照强度大，太阳能丰富，年日照小时数高达3000小时，充分利用太阳能可节省大量的不可再生能源。

1.2 供暖系统现场实测

理论和实践证明，地板辐射供暖与传统的供暖方式相比可节能30%，同时可以达到与传统供暖末端一样的热舒适性[6,7]。但在高海拔寒冷地区，供暖事业刚刚起步，主要散热末端为散热器。日喀则机场则充分利用太阳能等可再生能源，采用太阳能集热器及水源热泵机组供暖系统，其中水源热泵作为辅助热源，末端采用低温地板辐射系统。系统可在不同情况下分为三种模式供暖，即太阳能集热器单独供暖、太阳能+水源热泵联合供暖，水源热泵单独供暖。采暖地面设计温度为27.8℃，供回水温度为47/42℃。本测试的目的是研究低温地板辐射供暖的能耗和舒适性，具体测试结果如下文所述。其中，末端室内空气温度测试结果如图2所示。

图2 日喀则机场不同时刻垂直方向的温度分布

从图2可以看出，采用低温地板辐射供暖的日喀则机场，垂直方向上的温差小，从0.1m～8.5m处的空气温度最大差值小于4℃，垂直方向上温度分布均匀，且0.1m、1.5m工作区的空气温度均达到供暖设计温度，热舒适性高。日喀则机场地下水源热泵+地板辐射供暖系统测试结果如图3所示。

图3 热泵机组两端进出口水温

详细检测结果如表1所示。

表1 热泵机组制热性能系数检测结果

由测试结果可知，系统并未按设计的供暖供回水温度（供水温度47℃，回水温度42℃）来运行，实际运行过程中的供回水温度为42℃供水，37℃回水，供回水温差不变，供回水温度均下降5℃，但在实测过程中，供回水温度的变化并未影响供暖效果，采用低温地板辐射供暖系统的日喀则机场的室内温度可以达到供暖设计温度，且温度稳定，室内温度分布均匀，完全可以达到设计供暖条件。

2 不同供回水温度下的室内温度分布

2.1 建立模型

本文选择了三种常见的供回水温度，即原建筑设计供回水温度47℃/42℃、建筑供暖季供暖系统运行实际供回水温度42℃/37℃和37℃/32℃，使用Airpak建立模型进行模拟，比较不同供回水温度下的室内温度分布。

在HVAC领域，Airpak应用广泛，是面向设计师、建筑师和工程师等专业人士，进行人工环境系统分析软件，可以对研究对象进行精确模拟，尤其对于污染、传热及空气流动等物理现象的模拟性能较为优越[8,9]。Airpak可以准确地对通风系统中舒适度、污染、传热、空气质量、空气流动等问题进行模拟，通过其模拟分析，可以缩短设计周期、降低风险、节约成本。本文模型的建立如下所示：

（1）湍流模型

（2）模型的简化

建立大空间建筑的模型，其中房间尺寸为30m×40m×10m，低温热水辐射供暖管道的计算温度取供回水温度的计算平均值，即44.5℃、39.5℃、34.5℃；室外温度为实际测试时典型日的平均温度-3℃。

（3）网格划分

用软件建立地板辐射系统的物理模型，采用六面体结构网格单元对其空间进行网格划分，根据计算机的运算能力和结果的精度要求，划分网格个数16272个。

（4）边界条件设置

本文的验证模拟中，围护结构为第三类边界条件（固定传热系数），其中外墙传热系数为0.93W/m3，地面传热系数为0.5W/m3。

2.2 地板温度分析

当供回水温度为47℃/42℃、42℃/37℃和37℃/32℃时，地面温度如图4所示。

图4 不同供回水温度条件下的地板温度图

由图4可以看出，辐射供暖管道供回水温度为47℃/42℃的地板表面温度分布最为均匀，供回水温度为37℃/32℃时的地板表面温度最不均匀，其建筑中心地板表面温度均匀分布处的温度按供回水温度的升高依次为24.376℃，27.593℃和30.126℃。大量文献表明，当地板辐射供暖的地板温度超过30℃时，不仅会减小地板的使用寿命，而且会使室内人员的热舒适性降低，出现灼热的感觉。因此，当低温地板辐射供暖的供回水温度为47℃/42℃时，地板会出现过热现象。而供回水温度为42℃/37℃和37℃/32℃时，地板温度较为合理。

2.3 工作区域温度分析

当供回水温度为47℃/42℃、42℃/37℃和37℃/32℃时，距地面1.5m、2m处的空气温度如图5、图6所示。

图6 不同供回水温度距地面2.0m处的空气温度

由图5和图6可以看出，三种不同供回水温度条件下，1.5m处的工作区域和2.0m处室内人员的头顶区域温度均在20℃～28℃之间，满足室内供暖设计需求。但当辐射供暖的供回水温度为47℃/42℃时，工作区温度达到26～27℃，建筑中心区域温度甚至超过28.5℃，已远远高于供暖设计温度，这样不仅会使室内的热舒适性大大降低，甚至不能满足室内人员的基本热舒适性要求，而且造成了能源的不必要浪费，给高原地区脆弱的生态环境增加负担。

2.4 垂直方向温度分析

垂直方向温度分析过程中，由于=12m处剖切面距离墙壁较远，大约位于房屋中间，故选取=12m处剖面进行空气垂直温度分布模拟。图7所示为不同供回水温度条件下的空气垂直温度分布图。

图7 不同供回水温度条件下的空气垂直温度分布

从图7中可以明显看出，不同供回水温度条件下，室内垂直方向的温度分布都比较均匀，没有出现温度的垂直分层，不会像以对流换热为主的供暖末端一样出现热空气上升，冷空气下沉，热量大部分聚集在屋顶部分而造成热量的浪费。平均温度分别在21.5℃、25.5℃、28.2℃，辐射供暖的供回水温度为47℃/42℃的室内空气温度均远远高于供暖设计温度，既达不到室内热舒适性的要求，又造成了能量的极大浪费。

综上分析可知，供回水温度为47℃/42℃的室内低温地板辐射供暖系统运行过程中，室内地板温度、室内空气温度均高于供暖设计需求，不能很好地满足室内热舒适性。供回水温度为42℃ /37℃和37℃/32℃时，地板温度、工作区空气温度、垂直温度分布，均满足室内热舒适性的要求。但供回水温度为37℃/32℃的系统在模拟过程中，室内空气工作区温度在21.5℃左右，接近供暖设计温度的临界温度20℃，但建立的模型为理想模型，未考虑冷风渗入、门的开启、气体交换等因素的影响，因此模拟出的室内温度会有所偏高，在实际运行过程中，采用此供回水温度可能达不到供暖设计需求。因此，供回水温度为42℃/37℃的低温地板辐射供暖系统的热舒适性最高。实测中，系统供回水温度为42℃/37℃，室内1.5米处的空气温度在20.59℃～23.42℃之间变化，从而验证了模拟结果的准确性。因此从热舒适性考虑，供回水温度为42℃/37℃的低温地板辐射供暖系统应为最优供回水温度。

3 不同供回水温度条件下的系统能耗

供回水温度不同，即水源热泵机组的出水温度不同，水源热泵机组的制热性能就会发生变化，查询本项目所选用的螺杆式水源热泵产品参数表，其水源热泵机组制热系数修正表如表2所示。

表2 水源热泵机组制热系数、输入功率修正表

从表2中可以看出，当其他条件相同的情况下，冷凝器负载侧进出水温度越高，制热量越小，机组输入功率越高，机组COP越小。对于蒸发器地下水（源水）的进水温度，在其他条件相同时，源水侧的水温越高，制热量越大，机组输入功率也有所增大，但制热量的增大幅度大于输入功率的增大幅度，因此源水侧水温越高，COP越大。

本文中采用的供暖系统为水源热泵源水侧12℃进水，冷凝器负载侧进出水温度分别为42℃/47℃、37℃/42℃和32℃/37℃，以源水侧水温为15℃、负载侧进出水水温为40℃/45℃为基准，根据表2中提供的数据，可以得出在源水侧水温为12℃时，负载侧进出水温对水源热泵机组制热量的修正公式为：

负载侧进出水温对水源热泵机组输入功率的修正公式为：

（2）

式中，T为负载侧进水水温。

由上式，可计算出源水侧水温为12℃，负载侧供回水温度分别为47℃/42℃、42℃/37℃和37℃/32℃时，水源热泵的制冷量和机组功率与水源热泵设计工况（源水侧水温为15℃、负载侧进出水水温为40℃/45℃）下的制热量和机组功率的比值，具体结果如表3所示。

表3 不同供回水温度工况下水源热泵的制热量和输入功率与额定工况下的比值

根据日喀则机场的建筑负荷（最大建筑负荷为773kW）和不同供回水温度工况下的水源热泵机组制热量与输入功率，选择制热量为903kW的螺杆式水源热泵机组；根据源水侧水流量和80m扬程，选择流量为110m3/h，扬程为98m的水泵；由于用户端的最不利环路阻力为31m，故选择流量为108m3/h，扬程为40m的循环泵，具体设备选型见表4。

表4 系统机组及水泵选型

计算得出不同供回水温度工况下，日喀则机场水源热泵+低温地板辐射供暖系统在供暖季的系统能耗，具体结果见表5。

表5 不同供回水温度工况下的系统能耗（kWh）

由表5可以清晰的看出，供回水温度越低，系统能耗越小。比较各系统季节供热性能系数HSPF（Heating Seasonal Performance Factor）（见图8）可得：和能耗相对应的，负载侧供回水温度越低，系统的HSPF越高，供回水温度为47℃/42℃、42℃/37℃和37℃/32℃的低温地板辐射供暖系统全年的系统HSPF值分别为2.1、1.9、1.8。

图8 负载侧不同供回水温度下系统HSPF

由以上数据可以看出，低温地板辐射供暖系统的负载侧供回水温度越低，系统运行能耗越小，HSPF值越大，系统节能性越好。根据系统全年运行能耗，计算供回水温度为47℃/42℃、42℃/37℃和37℃/32℃的系统全年运行能耗分别为499612kWh、476688kWh、453400kWh。与供回水温度为47℃/42℃的系统相比，供回水温度为42℃/37℃和37℃/32℃全年供暖季分别节省运行能耗为4.59%和9.25%。综上所述，从热舒适性角度考虑：在供回水温度为37℃/32℃时，室内空气温度会低于供暖设计温度，供回水温度为42℃/37℃时，室内空气温度在室内设计供暖温度范围内，供回水温度在47℃/42℃时，室内地板温度过高，会使地板使用寿命减小并且达不到室内热舒适性要求。从系统节能性角度考虑：低温地板辐射供暖系统的供回水温度越低，系统年运行能耗越低，系统HSPF值越高，系统节能性越好。综合两方面因素考虑，供回水温度为42℃/37℃时，低温地板辐射供暖系统既能满足室内热舒适性要求，又能兼顾节能性考虑，不造成能源的浪费。

4 结论

通过对日喀则机场低温地板辐射供暖系统的现场实测可知，其并未按设计的供暖供回水温度（供水温度47℃，回水温度42℃）来运行，实际运行过程中的供回水温度为42℃/37℃，但室内温度可以达到供暖设计温度，且温度稳定，室内温度分布均匀，完全可以达到设计供暖条件。本文通过对低温地板辐射供暖不同供回水温度进行室内温度分布和系统能耗的研究比较，得出以下结论：

（1）由模拟结果可知，辐射供暖管道供回水温度为47℃/42℃的地板表面温度分布最为均匀，供回水温度为37℃/32℃时的地板表面温度最不均匀，当供回水温度为47℃/42℃时，地板会出现过热现象，这种现象会造成地板的使用寿命减小，而且会使室内人员的热舒适性降低，出现灼热的感觉。因此供回水温度为42℃/37℃时地板温度较为合理。

（2）三种不同供回水温度条件下，1.5m处的工作区域和2.0m处室内人员的头顶区域温度均在20℃～28℃之间，都满足室内供暖设计需求，但当供回水温度为47℃/42℃时，工作区温度达到26～27℃，建筑中心区域温度甚至超过28.5℃，远高于供暖设计温度，不符合热舒适性的要求。

（3）通过模拟计算可得，低温地板辐射供暖系统的负载侧供回水温度越低，系统运行能耗越小，HSPF值越大，通过计算供回水温度为47℃/42℃、42℃/37℃和37℃/32℃的系统能耗得出，与供回水温度为47℃/42℃的系统相比，供回水温度为42℃/37℃和37℃/32℃全年供暖季分别节省运行能耗为4.59%和9.25%。

（4）综合比较分析得出，供回水温度为42℃/37℃时，低温地板辐射供暖系统既能满足室内热舒适性要求，又能兼顾节能性考虑，不造成能源的浪费。

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The Optimization of the Low Temperature Floor Radiant Heating System in High Altitude Cold Area

Zou Qiusheng1Li Qianru2Li Yongcai2

( 1.Sichuan Provincial Architectural Design and Research Institute, Chengdu, 610000;2.Chongqing University, Chongqing, 400045 )

Due to its unique geographical conditions, high-altitude cold regions has the characteristics of high altitude, low air pressure, low temperature, long heating period and high proportion of building energy consumption. However, for the low temperature floor radiation heating system performance and the indoor environment quality in the high-altitude area, there has few former research. Based on a low-temperature radiant floor heating system of the large space building which located in Shigatse, this paper analyzes the optimization of the temperature of supply and return water temperature using Airpak simulation and filed test. This study will provide a reference for the application of low-temperature radiant floor heating system of large space buildings in high altitude and cold regions. By analyzing the indoor temperature distribution and the annual energy consumption of the system, the optimum water supply and return water temperature is 42℃/37℃. Compared with the design temperature of 47℃/42℃, While ensuring the comfort of the system energy consumption savings of about 4.59%.

High Altitude Cold Area; Low Temperature Floor Radiation Heating; Supply/Return Water Temperature; Airpak Simulation; Energy Consumption

1671-6612（2017）04-364-07

TU8

B

四川省科技计划项目（计划编号：2014GZ0133）

邹秋生（1973.8-），男，本科，高级工程师，E-mail：305853892@qq.com

2017-07-08