毛细管辐射复合空调系统舒适性试验研究

蔡英康

(中铁十二局集团建筑安装工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

辐射空调系统因为具有舒适性高、无噪声、节能卫生等优点越来越受到人们的关注。其应用形式之一辐射吊顶加置换通风空调系统是一种温湿度独立控制的空调系统，房间内的显热负荷由辐射吊顶承担，湿负荷则由经过干燥处理后的新风承担，这种空调系统比传统集中式的中央空调系统节能30%左右[1－3]。此外，辐射空调营造的热环境温度分布均匀、无吹风感、噪声低，具有较高的舒适性[4－6]。Catalina等[7－9]研究了辐射空调冷却顶板作用下的空调室内热舒适性表现，结果显示，以侧送风方式提供新风时，室内工作区空气流速不超过0.1 m/s，室内垂直温度梯度不超1℃/m，计算预测平均评价(PMV)值分布均匀，室内具备良好的热舒适性。徐照南[10－12]以采用混凝土辐射顶板加独立新风系统集中供冷供暖的居住建筑为研究对象，通过现场试验、问卷调查以及计算液体动力学(CFD)模拟对该建筑的不对称辐射环境中的热舒适性进行系统研究，从垂直温差、吹风感、平均辐射温度和辐射不对称性等方面分析辐射环境热舒适特征。研究结果表明在混凝土辐射吊顶与独立新风系统调节下人员活动区域垂直温差不超过1℃，温度梯度小，风速低于0.05 m/s，基本没有吹风感。

国内对于复合空调系统的研究，主要是利用CFD软件对顶板辐射供冷的室内热环境模拟分析，或者通过试验的方法，对试验小室进行热环境分析，而对于实际建筑的研究比较少。与试验小室不同，实际建筑室内热环境会受到室外温度、太阳辐射以及围护结构等多个因素的影响。因此，实际建筑室内热环境的研究对于复合空调系统的设计和运行更具有指导意义。

2 试验概况

(1)试验房间

本文试验房间物理模型见图1，房间尺寸为8×4.7×2.8 m。地板送风口为两个单层百叶风口，尺寸为100×400 mm；回风口是一个200×400 mm的单层百叶风口。房间维护结构采用内保温形式。建筑围护结构构造见表1。

图1 试验房间物理模型及测点布置

表1 A户型房间围护结构构造

如图2所示，试验房间的辐射末端采用毛细管网栅。毛细管网敷设在天棚内表面上，再抹一层5 mm厚的水泥砂浆进行固定。所采用毛细管规格为4.3 mm×0.8 mm，毛细管之间的间距为10 mm，每平方米毛细管网栅的散热面积为1.35 m2。

图2 毛细管网现场施工

(2)试验设备

本试验采用的设备及相关参数见表2。

表2 试验设备及参数

(3)测点布置

如图1所示，试验房间共布置34个测点，测点空1、空2、天2、天5和天8位于客厅天棚中心的界面上。空1测点距北墙3 m，空2测点距北墙6 m。为了测量室内空气垂直温度分布，测点空1和测点空2在垂直方向上各布置了8个测点，高度分别为:①贴地板(距地面0 m)；②距地面0.1 m(相当于人的脚踝高度)；③距地面0.6 m；④距地面1.1 m(相当于人坐着时头部的高度)；⑤距地面1.8 m(相当于人站着时头部的高度)；⑥ 距地面2.5 m；⑦距地面2.75 m；⑧贴附于顶棚(距地面2.8 m)。其余测点各布置一个T型热电偶，其中，天1～天9贴附于天棚表面上，用来测量天棚表面温度；测点东1、西1、南1、南2、北1和窗1贴附在对应的围护结构表面，距地面高度为1.4 m，用来测量对应的维护结构表面温度；风1、风2和风3温度探头深入风口内部，用来测量送、排风温度。

3 试验结果及分析

本文试验在冬季进行，因此测试的数据是供暖工况下的数据。

3.1 热泵机组运行参数

稳定状态下，热泵机组在实际运行时的相关参数见表3。

表3 供暖工况下热泵机组运行参数

毛细管供回水温度、地板新风口送风温度与室外空气温度在48 h内变化曲线见图3。由图3可知，毛细管供水温度在31℃ ～33℃范围内波动，平均供水温度为31.85℃，略小于设定温度32℃；毛细管回水温度在28℃ ～30.5℃范围内，平均回水温度为29.0℃。毛细管平均供回水温差为2.85℃。送风温度在22℃ ～25℃内波动，平均送风温度为23℃。毛细管供回水温度及新风送风温度基本保持稳定，室外空气温度对毛细管供回水温度以及新风送风温度的影响较小。

图3 供暖工况下毛细管供回水与新风温度变化趋势

3.2 室内空气温度分布

图4为24 h内室内空气温湿度变化趋势。根据图4可知，室内空气温度波动较小，基本保持稳定，平均温度为22℃；室内空气相对湿度在35% ～42%范围内，平均相对湿度为37%。室内温湿度达到我国《暖通规范》中的Ⅰ级热舒适度。

图4 供暖工况下室内空气温湿度变化趋势

图5为室内空气温度与室外温度在48 h内的变化趋势，室内空气温度数据选用测点空1的数据。根据图5，室内空气温度均介于天棚温度和地板温度之间。由于天棚温度较高、地板温度较低以及热空气上升、冷空气下沉的影响，在垂直方向上室内空气温度分层比较明显。48 h内各点空气温度变化趋势一致，各点温度没有出现交叉现象。在人员主要活动区域，即距地面高度0.1 m至1.8 m，室内空气温度在18℃ ～24.6℃，平均温度为21.5℃。

图5 供暖工况下室内空气温度与室外空气温度变化趋势

从图5可以看出，室外空气温度的变化对室内温度也有一定影响，室内空气温度随着室外温度的变化而变化。相对于室外温度的变化幅度，室内温度的变化幅度较小，这是因为一方面建筑维护结构采用了保温材料，使得试验房间具有较好的保温性能；另一方面辐射系统具有“自调节”功能。从室内外温度变化的时间来看，室内空气温度的改变滞后于室外温度，滞后约2 h，这是因为维护结构有一定的热惰性，室外温度的变化传递到室内需要一定的时间。

为进一步了解室内空气的垂直温度分布情况，选取00:01至02:01时间段内的数据进行分析。期间，室外空气平均温度为7℃，毛细管平均供水温度为32℃。图6为2 h内空1测点处各点温度的变化趋势，数据每隔10 min选取1组，共选取12组数据；图7为测点空1和测点空2处的垂直温度梯度分布情况。图中各点的温度取该点在2 h内的平均温度。

图6 供暖工况下2 h内室内温度变化趋势

图7 供暖工况下室内垂直温度分布

由图6可以看出，2 h内各点空气温度保持稳定，有明显的分层现象。根据图7，在距地面0 m至0.1 m的平均空气温度梯度为14 K/m；距地面2.5 m至2.8 m的温度梯度最大，平均温度梯度为14.7 K/m；在距地面0.1 m至1.8 m范围内，室内空气温度在19.7℃～22.4℃之间，温度梯度较小，平均为0.82 K/m。t1.1－0.1为1.4℃，满足ISO 7730标准中小于3℃的要求，计算得出头足温差不满意率为1.03%。测点空1和测点空2温度梯度趋势一致，等高度的各点温度比较接近，只有在距地面2.75 m处温差最大，为0.8℃，其余等高度点的温差都在0.3℃以内，说明在水平方向上室内的温度梯度比较小。

3.3 维护结构表面温度及辐射不对称性

对于大多数房间来说，各维护结构表面温度并非完全一致，如果各个表面之间的温差过大，将会降低房间的舒适性，这是因为各表面温度的差别会造成辐射的对称。比如冬季背部靠近窗户，即使窗户密闭性良好，没有冷风渗透，还是会觉得背部寒冷。这是由于窗户内表面温度大大低于围护结构其余内表面的温度，人体背部的辐射散热远大于朝向其他表面的身体其余部分的散热造成的。

辐射不对称性的定量评价通常可使用所谓半空间辐射温度来衡量，即将房间分为两个“半空间”，分别计算其平均表面温度，这两个平均温度之差越大，说明辐射不对称越大。其数学表达式为:

式中，ts1、ts2分别为半空间1和半空间2的表面平均温度。

图8为48 h内房间围护结构表面温度与室外空气温度的变化趋势。由图8可知，天棚表面温度受室外空气温度变化的影响最小，主要受毛细管供回水温度的影响。结合图3，毛细管供回水温度保持稳定，使得天棚表面温度比较稳定。东墙、西墙及北墙为内维护结构，墙体两侧房间均为空调房间，其表面温度受室外温度变化的影响较小，温度波动较小。北墙虽然也是内墙，但其表面温度变化比东、西内墙表面温度的变化幅度要稍大些，这是因为与北墙相邻的功能房间是卫生间和厨房，两房间均是非空调房间，室外空气温度的变化对这两个房间的温度影响较大，从而间接影响到北墙表面温度。南墙和南窗为外围护结构，受室外温度变化的影响显著，由于墙体的热惰性大，使得南墙表面的温度波动幅度小于南窗。房间地板表面温度也存在着一定的波动，在中午温度较高，夜间温度较低，这是由于通过南窗的太阳辐射直射到地板上，使得地板表面温度升高。

图8 供暖工况下房间围护结构与室外温度变化趋势

可以看出，各围护结构表面的温度存在着一定差别，这会造成辐射不对称性，使得房间舒适性降低。沿距地面1.4 m高度的水平界面将房间分为上下相等的两个半空间。根据图8，夜间各围护结构内表面的温度波动较小，基本上保持稳定。选取图8中间一天00:01至02:01时间段内的数据进行分析。围护结构表面温度为2 h内的平均温度，具体见表4。

表4 维护结构表面温度

根据式(1)可得 Δts＝｜ts1－ts2｜＝5.13 ℃。结合图9可知试验房间辐射不对称引起的不满意率为7%，稍大于ISO 7730规定的5%。这主要是由于天棚和地板之间的温差较大引起的，天棚与地板表面的温差接近10℃。温差较大的原因是试验建筑为单层建筑，地板结构直接与土壤接触，使得地板不容易被加热。如果是多层建筑，除第一层外，其余各层的地板均为内维护结构，考虑下层天棚温度的影响，地板温度将会高于或者接近墙体表面温度，室内天棚与地板表面的温差将会减小，从而会降低辐射不对称引起的不满意率。

图9 头足温差与不满意率关系试验结果

4 结论

本文对辐射吊顶＋置换新风复合空调系统供暖工况下室内热环境在稳定状态下的试验数据进行了分析。根据试验数据可以得出以下结论:

(1)供暖工况下室内空气温度波动较小，当天棚表面为28.3℃左右时，室内平均温度为22℃，平均相对湿度为37%，室内温湿度符合我国《暖通规范》中的Ⅰ级热舒适度。

(2)垂直方向上存在温度分层现象，距地面高度1.1 m与0.1 m的平均温差为1.4℃，满足ISO 7730标准中小于3℃的要求，具有较好的热舒适性。

(3)由于天棚表面与地板表面温差较大，使得试验房间辐射不对称引起的不满意率为7%，大于ISO 7730中规定的5%。