住宅天棚辐射空调系统工程的应用研究

周静娜，谢立辉，刘圣武，周文武，庙诗祥

（1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230032；2.中建三局第二建设工程有限责任公司，安徽 合肥 230071）

0 前言

随着科学技术的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对生活环境有了越来越高的要求，因此集中空调系统在住宅中的应用也越来越广泛[1]。为了进一步提升室内空气质量，天棚辐射、置换通风等技术也逐渐被应用于高端住宅中，大大增强了建筑环境的安全性、健康性和舒适性[2]。

本文以合肥市“当代花园”住宅小区项目为研究对象，利用PHOENICS软件，针对天棚辐射、置换通风等技术在住宅中的实际应用效果进行分析，得出室内温度、风速的分布情况，进一步了解天棚辐射和置换通风技术相结合应用于住宅项目的特点，有助于为今后工程设计提供参考依据，起到一定的指导作用[3]。

1 空调系统设计

合肥市“当代花园”住宅小区项目采用天棚辐射采暖及制冷，夏季辐射制冷水温为18℃～21℃，冬季辐射供暖水温为31℃～28℃。新风由热回收空调机组供给。室内采用地板送风，起居室、客厅和卧室通过垫层内风管获得较为新鲜的空气，回风口位于厨房和卫生间内，具体位置如图1和图2所示，送回风口形式如图3和图4所示。

图1 1#住宅标准层通风平面图

图2 1#住宅标准层天棚管平面图

图3 地板送风口

图4 回风口

2 模型建立

2.1 物理模型

本文利用PHOENICS软件对合肥市“当代花园”住宅小区项目1#住宅的标准层进行模拟计算。由于标准层两个户型布局基本一致，故选取西侧的户型为代表进行建模分析。模型依据暖通施工图进行建模，建筑层高3m，新风口位于地面，尺寸为310mm×160mm，回风口尺寸为φ75mm。

为简化计算，模型假设条件为：房间为密闭空间，除新风管和天棚管外，不考虑其它内部热源的影响[4]。建筑模型如图5所示。

图5 建筑模型图

2.2 边界条件（表1）

为使模拟结果更接近于实际运行情况，模型边界条件的输入值均以现场实测值为准。

①建筑围护结构的边界条件：考虑到室外气象条件对建筑室内环境的影响，采用红外测温仪对所有外墙、外窗的内表面温度进行多次多点测量，发现外墙内表面温度与室内温度基本一致，而外窗受太阳辐射影响，与室内的温度差距较大，且不同朝向的外窗温度也有差距，说明外窗是影响室内环境的主要影响因素，因此模型中也主要考虑外窗的影响，取多次测量的内表面温度平均值作为边界条件输入到软件中。内围护结构视为绝热。

②采用风速仪和温度计，对送风口的风速、温度进行测量，将测量结果作为边界条件输入到软件中。

③采用红外测温仪对顶棚的内表面温度进行多次多点测量，取测量的平均值作为边界条件输入到软件中。

3 模拟结果分析

考虑到本项目热源主要为外窗，因此分析整个户型的中间区域最为稳定。PHOENICS软件模拟结果如图6所示，以客厅餐厅的竖向截面为例，室内温度场在垂直方向上有一个明显的分层特性，上部区域温度高，下部区域温度低，整个立面上（0.1m～2.9m）垂直温差有4℃左右，人员活动区（0.1m～1.8m）垂直温差只有1.5℃左右。依据美国ASHRA55-92[5]标准建议0.1m和1.8m之间的温差应不大于3℃，说明本项目人员活动区的温度较为舒适，没有明显的“头热脚凉”的感觉。

靠近外窗区域的温度较高，由于地板送风口靠近外窗，因此外窗附近的热空气会快速向上移动，减小对室内人员活动区的影响。顶棚温度较低，会冷却顶棚附近区域的空气温度，从而减轻了置换通风导致的垂直温差问题，提高室内的人员舒适度。

图6 温度场截面图

由图7～图11可知，0.1m～1.1m之间，室内每个房间的温度变化较小，基本均在24.0℃～25.5℃之间，较为舒适。1.1m～2.0m之间，室内每个房间的温度出现了较为明显的差异。南向外窗由于太阳辐射得热较多，温度较高，导致南向房间的温度明显高于其它朝向的房间，西向次之，北向最低。同时由于客厅有南向阳台，起到了较好的隔热作用，所以客厅温度明显低于南向卧室的温度。

图7 0.1m高度处温度场

图8 0.6m高度处温度场

4 模拟值与实测值的对比分析

边界参数 表1

为了对模拟结果进行验证，采用温度巡检仪对每个房间的室内温度进行实测，每个房间测点布置方式为：在水平方向上设1个测点，位于房间正中央；在垂直方向上设5个测点，分别距地面0.1m（脚踝处），0.6m（膝部），1.1m（坐姿时的呼吸区），1.7m（站立时的呼吸区），2.0m（活动区上部）[3]。

图9 1.1m高度处温度场

图10 1.7m高度处温度场

图11 2.0m高度处温度场

图12 测点布置图

将测量值与模拟值进行对比，由图13～图17可知，主卧、客卧竖向温差最大，其次是书房，再次是客厅餐厅，储藏室竖向温差最小，充分体现了朝向差异。由于本项目主要考虑外窗的传热，因此0.1m～1.1m温度变化较小，1.1m以上温度升高明显。同时由于0.1m～1.1m温度场较为稳定，实测值与模拟值较为接近，而1.1m以上紊流明显，温度场不稳定，导致实测值与模拟值的差距变大。但是绝对误差仍控制在3%以内，说明模拟值和实测值较为吻合，模拟值可基本反映室内温度场情况，模型可靠。

5 不同运行工况下的模拟分析

通过模拟值和实测值的对比分析可知，建筑模型已较为完善，模拟结果基本可反映实际运行情况。因此可针对不同运行工况进行模拟分析，进一步优化天棚辐射、置换通风等技术在住宅中的应用效果。

图13 客厅餐厅温度实测值和模拟值的分析

图14 主卧温度实测值和模拟值的分析

图15 客卧温度实测值和模拟值的分析

图16 书房温度实测值和模拟值的分析

图17 储藏室温度实测值和模拟值的分析

5.1 改变天棚管温度

本项目设计供回水水温为18℃～21℃，顶棚温度为21℃，设计工况详见图19。

由图18可知，当顶棚温度下降1℃时，虽然顶部温度有所下降，但是人员活动区温度不及设计工况下稳定，且温度太低，易结露，也不节能。

图18 顶棚温度为20℃时温度场

图19 顶棚温度为21℃时温度场（设计工况）

图20 顶棚温度为22℃时温度场

图21 顶棚温度为23℃时温度场

由图20和图21可知，当顶棚温度上升1℃时，温度分层现象明显加重，人员活动区温度虽不及设计工况下舒适，但也在可接受范围内。当顶棚温度上升2℃时，会有明显的“头热脚凉”感觉，室内舒适度较差。

5.2 改变送风风速

本项目设计送风风速为0.22m/s，设计工况详见图22。置换通风设计风速一般为0.2m/s～0.5 m/s，因此本文分别对0.3 m/s和0.4m/s的工况进行分析。

图22 送风风速为0.22m/s时温度场（设计工况）

图23 送风风速为0.3m/s时温度场

图24 送风风速为0.4m/s时温度场

由图22～图24可知，由于本项目送风口位置靠近外窗，风速越大，外窗处的热空气越快向上移动，对室内的温度影响越小，室内温度越低。同时整体温度分层的界限也会越高，则下部区域舒适度更高。但风速越大，靠近送风口位置的吹风感越强，噪声也越大，舒适度降低。

5.3 室内环境优化

本项目天棚管温度和送风风速均设计合理，室内温度满足舒适度要求，但是每个房间的舒适度略有差异，南向卧室人员活动区域的垂直温差在2℃～3℃左右，其它房间的垂直温差均在1.5℃左右，因此南向卧室的室内温度场可优化。

图25 1.7m高度处温度场（设计工况）

考虑到增大送风风速，可减弱外窗的传热影响，同时升高温度分层界限，因此将南向主卧送风风速调整为0.3m/s，其它房间风速不变，如图25和图26所示，1.7m高度处南向主卧的温度明显降低，人员活动区垂直温差也降至1.5℃左右，室内舒适度改善明显。

6 结论

通过对合肥市“当代花园”住宅小区项目天棚辐射+置换通风系统的室内应用效果进行实测和模拟分析后，得出以下结论：

①天棚辐射+置换通风系统在住宅项目中应用效果良好，整个立面上（0.1m～2.9m）垂直温差有4℃左右，人员活动区（0.1m～1.8m）垂直温差只有1.5℃左右，没有明显的“头热脚凉”的感觉；

②天棚管供回水水温为18/21℃时，较为合理，若考虑节能因素，供回水水温最多只能再提升1℃，超过1℃，室内舒适度将大幅度降低；

图26 1.7m高度处温度场（优化后）

③设计送风风速在0.2m/s～0.3m/s时，较为合理，若风速再增大，吹风感明显；

④考虑到住宅户型朝向的差异，南向有阳台的客厅、西向和北向的房间舒适度较好，南向有外窗的卧室舒适度相对较差，建议适当增加南向卧室的送风风速，以提高室内舒适度。