低温热水供暖室内热环境监测及热舒适性评价

程海峰 刘亚军 王庚 唐光明 李海斌 朱绍峰

1安徽建筑大学建筑能效控制与评估教育部工程研究中心

2安徽建筑大学环境与能源工程学院

3建筑节能安徽省工程技术研究中心

0 引言

建筑环境不仅要实现节能减排的效果，而且需要保障人体对环境舒适性的要求[1]。为达到舒适的室内热环境，采用散热器供暖时，供水温度较高会引起散热器表面与空气间存在较大温差，继而导致室内相对湿度显著降低，容易引发室内物体与空气电离而增加人体静电，因而人体会产生不适的燥热感[2]。低温热水供暖虽然能降低热水在管道输配时的热损失，并能提高区域供暖的总效率[3]，但当供水温度过低时，显然难以达到室内供暖要求。因此，研究合适供暖热水温度来保证室内环境对热舒适性的要求具有重要意义[4]。

该研究主要考察夏热冬冷地区（合肥）低温热水供暖状况，设计了一种空气源热泵—散热器供暖系统，在45.0℃/40.0℃供回水的条件下对室内温度场、室内黑球温度、相对湿度、室外温度、围护结构内表面温度等因素变化状况进行监测，并采用Airpak软件分析其热舒适性，以期为空气源热泵—散热器供暖系统在夏热冬冷地区的应用提供技术支持。

1 测试对象与方案

如图1所示，为办公室三维模型图。该办公室面积为26.04 m2（尺寸为6.2 m×4.2 m×3.0 m），其中南墙与西墙为外墙，在南外墙上有两扇推拉窗，东墙为内墙，北墙紧邻走廊.窗台高度为0.9 m，窗宽为1.8 m，窗高为2.0 m。本实验共布置3组长1.5 m、宽0.1 m、高0.78 m的散热器。本实验热源为一台可调节供水温度的空气源热泵机组，设计供回水温度为45℃/40℃。

图1 办公室三维模型

为测得房间内温度、湿度、黑球温度及围护结构内表面温度，本实验采用如下仪器：K型热电偶；JTDL-80型多通道热电偶采集模块；JT-IAQ-50型在线式热舒适仪；无线式温湿度巡检仪、温/湿度采集器。

图2 测点水平分布图

如图2、3所示，为测点水平分布图与垂直布置图。室内温度监测点根据ISO 7730[5]中对房间舒适性的规定，考虑了人的头部（站姿、坐姿）、膝盖处以及脚踝处对温度的要求，在竖直方向上分别选取了h=0.1 m、h=0.5 m、h=1.1 m、h=1.7 m高度处作为室内温度场的监测点，在水平方向选取9个测点，共计36个点，图2中编号为z=1.1 m处测点。

图3 测点垂直分布图

测试时间为2017年2月8日上午9:00至2017年2月12日下午17:00，2月8日为雨雪天气，其余4天天气为晴天，监测期间室外温度范围为-1.0～10.8℃。

2 数值模拟研究模型

采用代数关系式把湍流粘性系数与时均值联系起来的零方程模型，该模型在处理室内问题时比k-ε湍流模型更容易收敛。采用有限容积法对控制方程进行离散，并选择二阶迎风格式提高计算精度。为简化该房间物理模型，提出如下假设：1）室内气体为不可压缩、常物性、定常流，满足Boussinesq密度假设；2）房间各壁面的传热均匀，各壁面作等温、稳态传热处理；3）室内工况达到稳定时dφ/dt=0[6]。根据以上假设其控制方程为：

测试房间只有西墙与南墙为外墙，因此设置边界条件时假定房间东墙与北墙为绝热墙，门窗处于关闭状态，不考虑冷风渗透影响，根据实验监测数据分别设定地板温度为15.2℃，天花板温度为16.9℃，外窗温度为16.0℃。

3 结果分析

3.1 测试结果分析

3.1.1 房间内平均温度、相对湿度与室外温度的关系

图4为实验房间在监测时间内的室内平均温度、相对湿度与室外温度变化曲线，实验监测第1天为阴雨天，室外温度化较为平缓且昼夜温差变化不显著，后4天天气晴朗，昼夜温差较大。第1天室内平均温度升高显著，并在实验监测后4天11:30至15:30之间存在峰值，其值在20.5℃～22.3℃；由于受到太阳辐射影响，致使室内空气温度在该时间段可增加至22℃左右，在晚间无太阳辐射的状况下，即使室外温度变化显著，但室内空气温度稳定保持在19.3℃；系统运行第1天16:00后室内平均温度由初始值11.3℃升至18.0℃，平均温升速率为3.85℃/h；室内相对湿度与室内平均温度两者间变化趋势明显不同，在含湿量相等的情况下，相对湿度随着室内温度升高而降低，其相对湿度最终稳定在33%附近，室内相对湿度与室内平均温度达到Ⅱ级热舒适度要求[7]。

图4 室外温度、室内平均温度与相对湿度

3.1.2 房间内垂直温度变化

如图5所示，分别为在0.1 m、0.5 m、1.1 m、1.7 m处的平均温度变化曲线与室外温度的关系。4个不同高度的温度随时间变化逐渐升高后趋于稳定，在后4天11:30～15:30存在明显峰值，4处平均温度依次增高，其最大值为22.5℃，最小值为17.8℃。空气温度在11:30～15:30时间段内存在峰值，是由于午间太阳光辐射引起室内空气温度的升高，后续时间段因太阳辐射逐渐减少使温度降低并恢复平稳。4个不同高处后4天室内温度最大波动幅度为7.0%、7.1%、8.4%、9.2%，可见随着垂直高度越高温度波动明显。在垂直方向上，1.7 m处与0.1 m处温差最大为3.8℃，但后4天平均垂直温差为2.8℃，满足热舒适性对垂直温差的要求[7]。0.5 m处于0.1 m处平均温差可达1.5℃，而1.7 m处与1.1 m处平均温差仅为0.4℃，因此，在0.1 m～1.7 m之间室内空气温度增长率随高度增加而降低。

图5 室内垂直温度

3.1.3 房间围护结构内表面温度、黑球温度与空气温度

如图6所示，为2月9日至12日围护结构内表面温度、黑球温度与室内空气温度之间的关系。在15:30～11:30之间，围护结构内表面温度波动幅度小于1℃，但在每天11:30至15:30之间温度升高幅度较大，最大升高为2.4℃；黑球温度、室内空气温度与围护结构内表面温度变化趋势一致，温度最大升高分别为2.1℃、1.9℃。散热器表面温度的变化引起围护结构内表面温度小于1℃的波动，并且该内表面温度在18.4～20.2℃范围内变化是受外窗太阳辐射热的影响；围护结构内表面温度的变化引起室内辐射温度的变化，从而导致黑球温度与室内空气温度变化，所以3条曲线变化趋势一致，而且黑球温度处在空气温度与围护结构内表面温度之间。空气温度与围护结构内表面温度差值范围为1.7～2.8℃，黑球温度与空气温度的温差为0.4～1.5℃，而与围护结构内表面的温差为1.3～2.2℃，其差值均处在建筑热工对房间热舒适性要求的范围之内；黑球温度与空气温度的差值小于黑球温度与围护结构内表面温度的差值，表明使用低温散热器供暖时人体受到围护结构冷辐射的影响较小[8]。

图6 围护结构内表面温度、黑球温度与空气温度

3.2 数值模拟分析

3.2.1 温度分布

如图7所示，为x=3.1 m处的温度云图。以散热器为中心，室内空气温度呈现递减趋势，并在散热器周围小范围内空气温度变化较大，在散热器垂直方向温度快速由30.2℃变为24℃，远离散热器温度逐渐稳定在22.5℃。近地面区域温度较低，且温度波动较大，在0.2 m处与0.1 m处温差可达1.1℃，随之温度逐渐升高，2.8～3.0 m处温度略有降低，在2.8 m处存在最大值为21℃，这是因为随着热空气的流动引起热量向维护结构传递，热空气变为冷空气而导致温度降低。

如图8所示，为该实验z=1.1 m处测试结果与模拟值对比图。选取2月9日～2月11日的平均值做为测试值由图可知测试与模拟数值基本一致，最大误差为5.3%。与模拟结果相比，靠近散热器一侧测点受到散热器辐射的影响导致测试值偏大，靠近门的一端受到冷风渗透的影响使得测量值低于模拟值，因此冷风渗透对于温度分布有一定的影响。

图7 x=3.1 m处温度云图（单位：℃）

图8 z=1.1 m处测试结果与模拟值对比图

3.2.2 热舒适评价指标PMV-PPD分析

本研究采用PMV-PPD指标评价热舒适性。PMV-PPD指标是目前较为具有代表性的室内热环境评价指标[9]。通过Airpak软件获得模拟如图9、10所示结果。图9为z=1.1 m处PMV值分布，靠近散热器一端，PMV值波动显著，并且以散热器为中心递减，远离散热器一端PMV值变化平缓，人体活动区域PMV在-0.05附近。图10为z=1.1 m处PPD值分布，散热器上方PPD值最大达到6%，室内人体活动区域PPD值处于5.5%～6.5%。因此，满足ISO 7730中推荐PMV、PPD的值的要求（-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%）[5]。根据热感觉标尺可知人体在该环境中感觉适中或微凉，因而采用低温散热器供暖的的小型办公室具有较好的热舒适性。

图9 z=1.1 m处PMV值分布

图10 z=1.1 m处PPD值分布

4 结论

1）在不考虑太阳辐射的前提下，该供暖系统室外温度的波动对室内平均温度的影响不显著，系统启动时温升速率温度为3.85℃/h，到达舒适温度时间在可接受范围之内，在合肥地区该办公室应用时建议采取连续性供暖。

2）房间黑球温度和围护结构内表面温度的日平均温差、黑球温度与室内空气温度的温差均满足人体对热舒适度的要求。

3）温度场模拟表明，在垂直方向上温度并不是随着高度的增加而一直升高，反而在2.8～3.0 m处温度略有降低。PMV-PPD指标满足ISO 7730推荐值，因而可以判断45℃供水温度时室内有较好热舒适性。