严寒地区被动房辐射楼板换热性能实验研究

吉玉辰， 王昭俊， 苏小文

(1.哈尔滨工业大学建筑学院,黑龙江哈尔滨150006；2.哈尔滨工业大学寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室,黑龙江哈尔滨150006)

1 概述

我国近年来相继建成了一些被动式超低能耗绿色建筑(以下简称被动房)，其中哈尔滨某住宅楼引进德国被动式超低能耗建筑技术，该被动房于2014年获得德国被动房认证。其外墙采用厚度为200 mm的陶粒混凝土砌块，外加厚度为300 mm的聚苯乙烯保温板，墙体的传热系数为0.13 W/(m2·K)。外窗采用单框三玻双Low-E铝包木窗，传热系数为0.8 W/(m2·K)。上述指标均满足德国被动房标准。冬季供暖和夏季供冷均采用顶棚辐射和置换通风复合系统。冬季热源由市政热网提供，入户前设置混水装置，夏季冷源由地源热泵提供。通过置换通风方式送入室外新风，同时对室内空气冬季加湿、夏季除湿，以满足人们的热舒适要求和生理卫生需求。

该建筑共有3个单元、66户住户。王昭俊教授领导的课题组(以下简称课题组)于2015—2016年冬季供暖期间对该被动房的室内热环境、室内空气品质、噪声等环境参数进行了现场测试。测试结果表明，其平均室温为25.5 ℃，高于GB/T 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(以下简称GB/T 50736—2012)第3.0.1条规定的上限值(24 ℃)，建议适当降低室温[1]。

由于目前相关设计规范中规定的供暖室内计算温度范围较宽，以及运行调节等问题，导致人们片面追求高温供暖的控制目标而忽视了人体对热环境的适应性，部分建筑供暖房间温度甚至超过24 ℃[2]。既浪费能源，又不舒适。尤其在目前应用越来越多的节能建筑中，其建筑保温隔热性能普遍提高了，室温过高带来的热不舒适更加明显。因此，有必要研究冬季室温的调节策略。

目前对顶棚或地面辐射供暖、供冷系统的换热性能研究较多，例如，丁艳蕊等针对重庆地区开展了双面辐射供暖楼板换热性能的实验研究[3]，刘海[4]实验研究了双面辐射供冷系统的换热性能，计算了室内的辐射换热量、平均辐射温度、辐射换热系数等参数。李严[5]对顶棚辐射换热特性进行了实验和数值模拟研究。哈尔滨地处严寒地区，冬季的室外温度和湿度比重庆更低，而目前对该地区的被动房常采用的顶棚辐射和置换通风复合系统营造的室内热环境与热舒适性的研究甚少。课题组近期对上述哈尔滨地区的被动房的调研结果表明：冬季室温较高，不同住户室温不均。如何进行复合系统的供回水参数调节才能够满足舒适的室温要求？因此，尚需深入系统地研究该复合系统中人体与环境辐射换热以及系统的优化控制问题。本文通过实验研究该被动房楼板的传热性能，为后续楼板传热模型提供实验数据。

2 实验概况

2.1 研究对象

实验选取该被动房中某样板间作为实验对象。该被动房共有11层，实验选取的样板间位于第3层。该样板间采用顶棚辐射供暖。样板间平面图见图1，实验测点布置在起居室。起居室的使用面积为27.8 m2，净高为2.78 m，南墙为外墙，其余均为内墙。

顶棚辐射供暖的供、回水设计温度分别为30、28 ℃。每户入口设置独立调节阀，可以调节室内温度。加热管采用PB管，采用回形敷设，管道外直径为20 mm，内直径为16 mm，管道中心间距为250 mm，加热管长度为72 m。管道中心距顶棚表面的距离为70 mm。整个楼板自上而下的各层结构及其厚度分别为：木地板10 mm，泡沫塑料衬垫3 mm，细木工板12 mm，木龙骨90 mm(木龙骨内敷设外直径为75 mm的新风管)，找平层15 mm，钢筋混凝土楼板160 mm，内抹面20 mm。楼板构造见图2。

图1 样板间平面图

图2 楼板构造

2.2 实验目的

本次实验的目的是通过测试供回水温度、围护结构表面温度、室内空气温度，计算辐射换热系数和表面传热系数、辐射和对流热流密度以及总热流密度。研究辐射和对流换热占比，以及总热流密度与顶棚表面温度之间的关系。

2.3 测试参数及测试方法

① 室外空气温度：采用温湿度自动记录仪记录室外空气温度，每5 min记录1次数据。

② 供回水温度：采用温湿度自动记录仪测试供回水温度，测点布置在实验样板间热力入口的管壁上。由于管壁很薄，假定管壁温度与水温相等。

③ 房间围护结构表面温度、室内空气温度：测试仪器为铜—康铜热电偶，数据采集仪型号为Agilent34970系列。样板间围护结构的表面温度测点布置方式为：在顶棚和地面的对角线四等分点上布置5个测点，在内墙表面、外墙及外窗内表面中心水平线上均匀布置3个测点。空气温度测点布置方式：在房间中心不同高度处布置热电偶，高度分别为0.6 m、1.1 m、1.7 m、2.2 m。

2.4 实验工况

测试时间为2018年1月1日至18日。本次实验共分为4个工况，见表1。

表1 实验工况

受实验条件所限，本次实验没有测量供水流量。按照辐射供暖设计流速0.2 m/s计算，供水流量为0.145 m3/h。

3 实验结果

3.1 供回水温度

工况2～4供回水温度见图3。工况1为未供暖工况，该工况下，样板间供暖调节阀门关闭，而其余户均正常供暖。因此，工况1中，无供回水温度。工况2～4，供暖运行，供水温度日平均值分别为30.0 ℃、30.7 ℃、31.6 ℃，回水温度日平均值分别为25.3 ℃、27.7 ℃、28.5 ℃。在每个工况3天前，就已调节供水温度，每个工况均已稳定。

图3 工况2～4供回水温度

3.2 顶棚、地面表面温度

图4和图5分别给出了样板间顶棚和地面的表面温度。

图4 顶棚表面温度

图5 地面表面温度

本文中顶棚表面温度是指顶棚表面5个测点的平均值。其他各围护结构表面温度定义与之类似。由图4、5可知，顶棚和地面的表面温度均相对稳定，工况1～4的顶棚表面温度日平均值分别为21.8 ℃、25.5 ℃、27.7 ℃、28.5 ℃，工况1～4的地面表面温度日平均值分别为21.6 ℃、23.0 ℃、23.9 ℃、24.7 ℃。对于供暖工况1～4，顶棚表面温度均高于地面表面温度，且随着供水温度的升高，顶棚与地面表面温度之差越来越大，这就意味着地面表面温度上升幅度小于顶棚表面温度上升幅度。

3.3 室内空气温度

工况1～4的室内空气温度见图6。

图6 室内空气温度

由图6可知，工况1～4的室内空气温度基本稳定，日平均值分别为20.8 ℃、21.9 ℃、22.9 ℃、24.0 ℃。对于工况1，依靠户间传热，就能保证室内空气温度达到21 ℃左右。对于供暖工况2～4，室内空气温度逐渐上升，并且供水温度在30.0～31.6 ℃范围内每上升1 ℃，室内空气温度上升1.3 ℃。

3.4 操作温度

对于辐射供暖环境，用操作温度来描述人体实际感受到的温度更加适宜。因此，本文给出4个工况下的操作温度，见图7。

图7 操作温度

样板间操作温度计算公式如下[6]：

to=0.5ta+0.5tr

(1)

式中to——操作温度，℃

ta——室内空气温度，℃

tr——平均辐射温度，℃

Ai——样板间第i个围护结构表面的面积，m2

ts,i——样板间第i个围护结构表面的温度，℃

公式(2)中的围护结构包括顶棚、地面、南外墙、南外窗、东墙、西墙、北墙。

由图7可知，工况1～4的操作温度日平均值分别为21.1 ℃、22.6 ℃、23.8 ℃、24.7 ℃。对于供暖工况2～4，操作温度比室内空气温度高约0.7 ℃。而对于工况1，操作温度仅比空气温度高0.3 ℃。因此，对于辐射供暖环境中，宜采用操作温度或修正的空气温度作为供暖室内设计温度，例如，应保证室内操作温度不低于18 ℃。JGJ 142—2012《辐射供暖供冷技术规程》第3.3.2条规定：全面辐射供暖室内设计温度比GB/T 50736—2012中规定值可降低2 ℃。对于顶棚辐射供暖来说，这项标准值(2 ℃)可能偏大。

4 顶棚和地面换热性能分析

4.1 辐射换热

顶棚的辐射换热系数计算公式如下[7]：

式中hr——辐射换热系数，W/(m2·K)

ε——顶棚的表面发射率，取0.9

σ——斯忒藩-玻尔兹曼常量，W/(m2·K4)，取5.67×10-8W/(m2·K4)

Ts,1——顶棚表面温度，K

Tfj——室内非加热表面的面积加权平均温度，K

Ts,i——样板间第i个围护结构表面温度，K

公式(4)中的非加热表面(即围护结构表面)包括地面、南外墙、南外窗、东墙、西墙、北墙的内表面。

由公式(3)、(4)可以计算出顶棚的辐射换热系数，顶棚辐射换热系数见图8。由图8可知，随着供水温度(或顶棚温度)的升高，顶棚辐射换热系数也相应升高。

图8 顶棚辐射换热系数

辐射热流密度计算公式如下：

qr=hr(Ts,1-Tfj)

(5)

式中qr——辐射热流密度，W/m2

图9给出了不同工况下的顶棚辐射热流密度。

图9 顶棚辐射热流密度

工况1～4的平均辐射热流密度日平均值分别为2.62 W/m2、15.38 W/m2、20.59 W/m2、22.68 W/m2。未供暖工况下，尽管热流密度很小，但由于建筑围护结构保温性能很好，室内空气温度仍可以保证在21 ℃左右(见图6)。

4.2 对流换热

在本次测试中，各工况环境参数相对稳定(见图4～6)，因此，逐时计算表面传热系数。表面传热系数基于自然对流换热准则关联式计算[7]：

Nu=C(Gr·Pr)n

(6)

式中Nu——努塞尔数

C——实验确定的常数，顶棚对流换热时，C为0.58；地面对流换热时，C为0.54

Gr——格拉晓夫数

Pr——普朗特数

n——实验确定的常数，顶棚对流换热时，n为0.2；地面对流换热时，n为0.25

根据公式(6)可计算得出Nu，根据Nu可计算表面传热系数：

式中hc——表面传热系数，W/(m2·K)

λ——空气热导率，W/(m·K)

l——定型尺寸，取围护结构表面长和宽的平均值，m

顶棚表面传热系数见图10。

图10 顶棚表面传热系数

由图10可知，顶棚表面传热系数随着供水温度的升高而升高，与辐射换热系数的变化趋势一致。对比图8和图10可知，辐射换热系数比表面传热系数高一个数量级。

根据公式(8)可计算顶棚对流热流密度。

qc=hc(Ts，1-Ta)

(8)

式中qc——对流热流密度，W/m2

Ta——室内空气温度，K

顶棚对流热流密度见图11。

图11 顶棚对流热流密度

由图11可知，工况1～4的平均对流热流密度日平均值分别为0.3 W/m2、1.42 W/m2、1.89 W/m2、2.13 W/m2。

4.3 地面热流密度

类似于顶棚传热计算，可以得到地面辐射与对流热流密度，结果见表2。

表2 地面辐射与对流热流密度

由表2可知，工况2～4地面辐射热流密度日平均值均为负值，对流热流密度日平均值为正值，这是由于此时地面表面温度低于平均辐射温度，但高于室内空气温度。总体来说，总热流密度为负值，即室内向地面传递少许热量。这说明在此楼板构造中，热量通过顶棚向下传递。

4.4 总热流密度与顶棚表面温度的关系

总热流密度包括辐射热流密度和对流热流密度。

通过第4.1节和4.2节的计算，可以得到4个工况下的顶棚辐射、对流以及总热流密度，结果见图12。

图12 辐射、对流热流密度及总热流密度与顶棚表面温度之间的关系

由图12可知，工况1～4的辐射换热占比分别为89.7%、91.5%、91.6%、91.4%。对于供暖工况2～4，辐射换热占比约为91.5%，与文献[5]结论一致。

总热流密度随着顶棚表面温度(或供水温度)的升高而升高。对总热流密度与顶棚表面温度的关系进行线性回归，得到这两者的关系，见公式(9)、(10)。

qt=3.26ts,1-67.62

(9)

R2=0.988

(10)

式中qt——总热流密度，W/m2

ts,1——顶棚表面温度，℃

R——相关系数，其表明变量之间线性相关程度

R2——决定系数，其值越接近于1，表明自变量对因变量的解释程度越高

由图12可知，总热流密度和顶棚表面温度之间的线性关系强。因此，通过测试顶棚表面温度，即可预估通过顶棚传递的总热流密度。

5 结论

本文对严寒地区某被动房样板间的楼板传热性能进行了实测，实验样板间位于第3层，仅南墙为外墙，室外空气温度在-8.9～-2.1 ℃范围，供水温度在30.0～31.6 ℃范围，得到以下结论：

① 当室外温度为-2.1 ℃，邻户正常供暖，但该样板间未供暖时，其室内空气温度也能达到21 ℃左右。供暖开启后，供水温度在30.0～31.6 ℃范围内每上升1 ℃，室内空气温度上升1.3 ℃。

② 该被动房为顶棚辐射供暖，辐射换热占比约为91.5%。在顶棚辐射换热量计算中，可以根据辐射热流密度估计总热流密度。辐射换热系数和表面传热系数随供水温度的升高而升高，且辐射换热系数比表面传热系数高一个数量级。

③ 顶棚辐射供暖中，总热流密度随顶棚表面温度(或供水温度)的升高而升高。总热流密度和顶棚表面温度之间存在很强的线性关系。