不同末端形式下双冷源辐射空调系统模拟研究

刘建峰 梁珍

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

近年来，因辐射空调系统末端具备运行噪声低，节能环保及节省空间等优点[1]，相关研究人员进行了大量研究。Chiang W[2]等人应用CFD 软件对冷顶板辐射系统在亚热带地区办公室的应用进行了热舒适性研究。黄立志[3]等对不同辐射面组合情况下毛细管辐射系统的热舒适和能耗进行了分析。宣永梅[4]则运用EnergyPlus 能耗模拟软件建立了地板辐射加置换通风系统模型，研究了不同送风参数和供水参数下的室内热环境。

目前研究内容的空调主机大多局限于单冷源系统，毛细管辐射末端仅研究单个辐射面或仅对辐射面的组合进行分析，对双冷源辐射空调不同末端形式的热舒适和能耗综合分析的研究很少。

本文使用EnergyPlus 能耗分析软件，建立了顶板/墙面辐射+置换通风+双冷源热泵机组模型，对两种不同的毛细管铺设方式下的热舒适和能耗特性进行了模拟研究，模拟结果与VRV 空调系统进行热舒适性与全年能耗对比，得出系统最佳的末端形式。

1 别墅建筑模型

以上海地区某别墅为研究对象，该别墅为两层，建筑总面积为264 m2，其中一层层高3.5 m，二层3.2 m，空调面积为154 m2。主要包括卧室、客厅、娱乐室、餐厅、厨房等房间[5]，简化后的别墅建筑平面图如图1所示。

图1 别墅建筑平面图

围护结构的基本信息如下：外墙构造：75 mm 聚氨酯挤塑板（外侧）+150 mm 钢筋混凝土。内墙构造：200 mm 加气混凝土砌块。楼板构造：200 mm 钢筋混凝土。屋顶构造：100 mm 聚氨酯挤塑板（外侧）+200 mm 钢筋混凝土。地板构造：30mm 聚氨酯挤塑板（外侧）+150 mm 钢筋混凝土。外窗构造：6 mm Low-e 玻璃（外侧）+12 mm 空气层+6 mm 普通玻璃。

2 空调系统模型

本文的双冷源辐射空调系统，是新一代节能空调系统技术，其原理如图2 所示。通过在空调末端中采用温湿分控技术，同时在冷源中最大限度地使用高温冷水机组或各种自然冷源，可以使空调系统的夏季综合能效得到显著提高，室内空气品质和环境舒适度得到显著改善。

图2 双冷源辐射空调系统原理图

一般与别墅配套的空调系统，不但要求能够提供高舒适的居住空气品质，还要满足在档次、个性、静音、节能等方面的要求[6]。故本文建立如表1 三种空调系统，以多联机系统为模拟参照，对比不同末端形式下热舒适和能耗情况。

表1 空调系统模型表

2.1 顶板辐射+置换通风双冷源空调模型

本模型系统采用两台地源热泵组成双冷源系统，一台热泵机组出水温度18 ℃，承担室内显热负荷及新风负荷。另一台热泵机组出水温度7 ℃，供新风机组深度除湿，承担室内湿负荷。气流组织的形式采用置换通风。毛细管辐射空调系统是一种可代替常规中央空调的新型节能舒适空调。系统以水作为冷媒载体，通过均匀紧密的毛细管席辐射传热。由于该系统所需的夏季冷冻源供水温度只需16 ℃-19 ℃供回水温度，冬季只需32 ℃-30 ℃供回水温度，热泵COP 较高，大大低于常规水空调夏季7 ℃-12 ℃和冬季45 ℃-40 ℃供回水所需的能耗，因而系统更的节能。本系统模型使用EnergyPlus 中的WaterHeater:HeatPump 模块及Zone HVAC:Low Temperature Radiant:Variable Flow模块[7]。

2.2 墙面辐射+置换通风双冷源空调模型

系统所用模块与2.1 节相同，毛细管敷设在室内墙面上，外表面敷设抹灰材料，同样使用双冷源空调机组，通过调节供回水流量控制室内热舒适性。

2.3 多联机空调系统（VRV）模型

多联机空调系统由制冷剂管路连接的室外机和室内机组成，室外机由室外侧换热器，压缩机和其它制冷附件组成。室内机由风机和直接蒸发器等组成。一台室外机通过管路能够向若干个室内机输送制冷剂液体。该空调形式是当前家用中央空调领域，尤其是高档住宅中使用较多的空调方式之一，此模型选择了EnergyPlus 中的HVAC Template:System:VRF 模块，作为本次模拟的参照项进行热舒适及能耗相关模拟。

2.4 空调设计参数

模拟别墅室外设计气象数据采用EnergyPlus 官网美国ASHRAE 标准上海典型气象设计日数据，夏季室外最大干球温度34.9 ℃，冬季室外最大干球温度是-1.9 ℃。系统运行时间设定为全年8760 h[8]，在每年1月1 日至3 月15 日、11 月1 日至12 月31 日空调系统向建筑供暖，4 月15 日至9 月31 日空调系统向建筑供冷，其他时间段空调系统关闭。

3 模拟结果分析

3.1 热舒适性评价指标

热舒适问题是建筑室内环境研究的重点。影响人体热舒适的因素很多，其中空气温度，平均辐射温度，相对湿度，气流速度等四个环境变量与人体活动量，衣着两个人体变量是主要因素。PMV-PPD 指标是Fanger 教授在热舒适方程式的基础上建立起来的，在以对流为主的热环境中以实验测定的方法获得。其中PMV 表示人群对热环境的预测平均评价，它代表了同一环境下绝大多数人的感觉。PPD 表示人群对热环境预测不满意的百分数。

根据建筑季节划分的时间，热舒适性分析数据取自供热季和供冷季的典型代表日：1 月21 日和7 月21日，并且选用日常生活中使用较多的典型房间：卧室及客厅。

由于卧室使用时段有限,人员一般为晚上使用，因此卧室空调系统数据分析为20:00～8:00 时间段，《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中热舒适度规定如表2：

表2 热舒适性等级划分

3.2 热舒适性结果分析

从图3 可以看出，在典型供热设计日空调开启后，模型2 和模型3 于22:00 点同时达到Ⅱ级热舒适标准，PMV 值达到-1 以上，22:00 点之后，模型3 的PMV 曲线在模型2 上方，相对于模型2 舒适度更高，而模型1 达到相同的标准则到了将近0:00 点，多耗用了将近2 h。在整个20:00～8:00 空调运行时间段内，模型1 和模型2 均未达到Ⅰ级热舒适标准，模型3 在6:00 达到了规范要求的Ⅰ级标准。达到相同的热舒适度所用时间：模型1＞模型2＞模型3。整体上模型3拥有更好的热舒适性。

图3 卧室PMV-PPD 值（1 月21 日）

图4 卧室PMV-PPD 值（7 月21 日）

图4 中显示的是供冷设计日的热舒适度指标情况，模型1 在整个空调运行时间段内均未达到Ⅱ级规范要求，从22:00 开始PMV 值无限接近于1，达到相对稳定的热舒适状态用了2 h。模型2 在22:00 点左右达到了Ⅱ级规范要求，之后的PMV 一直维持在0.6～0.8 之间，PPD 值介于15%和25%之间。模型3 开机1 h 后PMV 便处于1 以下，PPD 小于26%，运行到凌晨5:00 点时，PMV 和PPD 值均降至Ⅰ级热舒适范围内。三个模型各自的PMV 值和PPD 值变化趋势相近，按整体热舒适好坏程度排序：模型3＞模型2＞模型1。综上，在卧室典型日运行时间段内，模型3 墙面辐射系统形式热舒适性最佳。

由图5，在供暖设计日内，模型3 热舒适性最佳，其PMV 值为-0.5～-0.9，PPD≤25%，系统运行1 h 便可达到Ⅱ级热舒适标准，但是在运行时间段内没有达到Ⅰ级标准，PMV 值最大时为-0.52。模型2 的PMV在-0.7～-1 之间变化，PMV 最小时为19%，符合Ⅱ级标准。模型1 在上午运行时段的PMV 在12:00 才接近于-1，下午则是在19 点PMV≥-1，PPD≤25%，在三个模型中属于最晚达到Ⅱ级热舒适标准的。

图5 客厅PMV-PPD 值（1 月21 日）

图6 客厅PMV-PPD 值（7 月21 日）

图6 显示供冷设计日，开机运行1 个小时后，模型2 和模型3 的PMV 都小于1，PDD＜25%，满足了规范要求的Ⅱ级热舒适要求，模型1 则用了2 h。上午运行时段三个模型都没有满足Ⅰ级热舒适要求，模型3 的PMV 值最小，所以热舒适性最好。下午运行时段的PMV 和PPD 值变化趋势和上午相似，同样所有模型均未满足Ⅰ级的标准，模型3 拥有三者中最好的热舒适性。

3.3 能耗模拟结果分析

系统模拟分析运行时间为全年8760 个小时，各模型系统运行时段内的各设备耗电量如图7 所示。

图7 各模型分项能耗比较图

从分项能耗比较图中可以看出，在供冷主机能耗方面，辐射系统供冷主机能耗较多联机低，是由于顶板及墙面辐射系统采用18 ℃供水温度，提高了机组的COP。墙面辐射系统供冷主机较顶板辐射节能，主要原因是在同等温度条件下，墙面辐射系统加快了垂直方向上的热传递，所以达到相同的温度所耗电量更少。在供热主机能耗方面，顶板辐射系统的供热能耗较高，主要原因是一方面热空气密度大，房间顶部的热量往下传递需要时间，另一方面供热时需要先加热墙体再与周围空气对流传热。水泵能耗方面，多联机不需要水系统所以没有能耗。风机能耗方面，由于辐射空调系统风机盘管承担的负荷减少，故相比多联机系统风机能耗也降低。

三种空调系统模型的全年运行能耗汇总具体如表3 所示：

表3 全年运行能耗汇总（单位：kW·h）

模拟结果表明，与多联机系统相比：

1）关于全年能耗方面，墙面辐射双冷源系统可降低约1100 kW·h，顶板辐射双冷源系统可降低约208 kW·h。

2）分项能耗方面，墙面辐射双冷源系统全年供冷主机能耗可节约50%，供热主机能耗可节约23%。顶板辐射双冷源系统供冷主机能耗可节约42%，供热主机能耗大，不节能。

3）单位建筑面积能耗方面，墙面辐射系统耗电量为54.1 kW·h/m2，单位建筑面积节约4.1 kW·h。顶板辐射系统为57.4 kW·h/m2，单位建筑面积节约0.8 kW·h。

4 结论

本文建立了不同末端形式的双冷源辐射空调系统模型，基于EnergyPlus 软件进行热舒适性与能耗模拟，与多联机系统进行对比分析后得出：

1）从热舒适性上看，双冷源辐射空调系统两种末端形式都具有更高的热舒适性，达到相同的热舒适度所用时间：墙面辐射系统＜顶板辐射系统＜多联机系统，墙面辐射系统可节约1～2 h。

2）从能耗方面看，墙面辐射系统全年能耗最低，可节约1100 kW·h，单位建筑面积节约4.1 kW·h，全年供冷主机能耗可节省50%，供热主机能耗可节省23%。

3）综合比较，双冷源辐射空调系统能更好的解决高热舒适和低能耗不可同时满足的问题，其中墙面辐射系统又因其热响应速度快,拥有良好的应用前景。结论为双冷源辐射空调系统末端形式的设计提供了一个参考方案。