辐射-新风复合系统室内热环境影响因素模拟研究

黄 萍， 曲明璐， 黑迎晓， 张 娆

（上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093）

在辐射空调系统中，室内引入新风系统不仅能除去室内的潜热负荷，而且还能满足除湿、通风及防止结露的要求，从而满足人们对于室内环境的要求[1]。孙凯[2]通过模拟研究表明，在其他条件都相同的情况下，地板辐射加置换通风系统比其他系统舒适度更高。陈剑波等[3]研究发现，多联机户式辐射空调系统比其他常规系统更节能。刘杰等[4]通过研究发现，辐射-新风复合系统要求的送风含湿量比常规空调系统更低。陈付齐[5]对户式辐射空调系统进行了研究，在保证新风除湿的要求下提高供水温度会降低建筑能耗。刘前龙[6]研究发现，在辐射空调系统运行过程中对换热能力影响较大的参数为供水温度。崔新阳等[7]研究了系统运行过程中毛细管间距和供水温度这2个参数对毛细管顶棚温度场的影响。隋学敏等[8]对辐射供冷空调室内热环境控制变量的选择进行了研究。吴长风等[9]研究了在不同启动模式下，辐射顶板加新风系统的辐射顶板表面温度和室内空气露点温度等参数的动态特性。

供水流量和供水温度是空调系统的重要参数，供水流量和供水温度的改变直接会对空调系统的回水温度、系统中水泵的耗电量造成影响，同时影响室内温度和舒适度。本文采用数值模拟方法对夏热冬冷地区住宅内的辐射-新风复合系统进行研究，研究在夏季工况下室内设定温度、辐射末端供水温度和供水流量的改变对室内热环境的影响，可为辐射-新风复合系统的运行和调控提供理论基础。

1 系统原理及实验设置

1.1 实验系统

本辐射-新风复合系统的辐射末端形式为顶板毛细管网，新风系统采用下送上回，系统如图1所示。辐射-新风复合系统由空气源热泵机组、水-水板式换热器、新风除湿机、分水器、集水器和毛细管网辐射末端组成。其中，空气源热泵机组作为冷源、热源同时对辐射末端和新风除湿机供冷/供热。系统可实现温度、湿度独立控制，房间温度通过调节辐射末端水流量进行控制，房间湿度通过调节新风除湿机水流量和新风量进行控制。

图1 辐射-新风复合系统原理图Fig. 1 Schematic diagram of radiation-fresh air composite system

1.2 实验设置

实验建筑为位于苏州市工业园区内的某8层住宅，实验的样板房位于第6层，层高为3 m，建筑面积为120 m2，空调面积为94.2 m2，主要包括客厅、主卧、次卧及书房等，样板房的平面图如图2所示。

图2 样板房的平面图Fig.2 Plan of model house

图2中框选出的次卧室为本次实验研究的对象。实测数据都来自于对次卧室的实测，次卧室围护结构参数如表1所示。

表1 次卧室围护结构参数Tab.1 Parameters of secondary building envelope

夏季实验时间为2018-08-07—2018-08-10，实验期间室内温度设为24 °C。主要对室外温度、次卧室的室内温度、吊顶表面温度、西墙壁温度进行实测。使用温度传感器来测量西墙内表面温度和顶板表面温度，温度传感器为T型热电偶。实验数据通过安捷伦34901A数据采集仪进行采集。住宅内装有后台智能控制系统，室内温度和室外温度通过该系统读取和记录。

2 模型

2.1 系统模型

根据实际建筑中次卧室具体的围护结构参数，运用TRNSYS软件建立所需要的系统模型。如图3所示，模型中的建筑（即Type56）部件是实际建筑中的次卧室，其具体的围护结构参数设置是参照次卧室的围护结构来进行逐步设定的。气象参数通过Weather data模块（TMY2）来设置，该模块可通过读取天气文件数据库中苏州地区的气象参数，并将室外空气温度、室外空气相对湿度等气象参数连接到后续模块中，以保证室外动态气象参数的输入。在Type108模块中，设置系统设定的温度，并允许有±0.5 °C的波动。在 “新风” 、 “供水流量及温度” 、 “温度” 、 “边界温度” 、“启停” 以及 “服装热阻” 等计算器内输入相应的参数，将输入部件与输出部件进行连接，系统正常运行后，在 “温度” 、 “热流密度” 、 “PMV-PPD”等输出部件中会输出相应的数据和图像，便于后续的进一步分析。

图3 辐射-新风复合系统模拟图Fig.3 Simulation diagram of radiation-fresh air system

根据已有的实验和实测结果[10-11]，系统中的新风机可以承担湿负荷，保证系统不结露，因此，将新风参数设置为固定值，新风干球温度为22.0 ℃，相对湿度为60%，风速为0.3 m/s，本文仅研究改变辐射末端参数对室内热环境的影响。模拟中设定室内人数为1人，夏季服装热阻为0.5 clo，新陈代谢率1.2 met。采用预计平均舒适度PMV和预计不满意率PPD来评价人体热舒适，在《民用建筑室内热湿环境评价标准》GBT50785-2012[12]中规定：当-0.5≤PMV≤+0.5，PPD≤10%时室内热舒适等级为Ⅰ级。当夏季供冷，热舒适等级为Ⅰ级时，相对湿度应为40%～60%之间。

2.2 实验验证

为验证所建模型的可靠性，根据夏季实测条件，选取2018-08-10的室外气象参数，通过Weather data模块输入，系统实测运行时间为8:00—21:00，选取该时段进行模拟。在保证外部参数一致的情况下，按照表2的实测参数作为系统输入参数，对模型进行仿真模拟，输出结果，将室内温度、西墙内表面温度和屋顶内表面温度的模拟数据与实测数据进行对比分析。

表2 实测参数Tab.2 Measured parameters

由图4可以看出，室内温度、西墙内表面温度和屋顶内表面温度的实测值与模拟值的趋势基本一致，室内温度的实测平均值为23.74 °C，模拟平均值为23.68 °C，实测平均值与模拟平均值之间的相对误差为0.25%。西墙内表面、屋顶内表面温度的实测平均值与模拟平均值之间的相对误差分别为0.3%和0.17%。模拟得出的数值与实测数值之间的误差较小，数据基本吻合，因此，本模型合理、可靠，可以用来进行下一步的模拟工作。

图4 实测结果与模拟结果对比Fig.4 Comparison of measured and simulated results

3 模拟及结果分析

3.1 不同室内设定温度模拟结果分析

选取夏季工况，在其他参数不变的情况下，设定不同的室内温度时，对系统开启后室内热环境及热舒适的动态变化情况进行研究，具体模拟参数设置如表3所示。

表3 夏季不同室内设定温度时参数设置Tab.3 Parameter setting under different indoor setting temperatures in summer

选取2018-07-28进行模拟仿真。未开启系统时，室内的初始温度为30.0 °C，0:00开启系统并观察在不同室内设定温度下的室内温度变化趋势。在整个模拟过程中，室内温度波动范围为设定温度的±0.5 °C。

由图5可知，当室内设定温度为25.0 °C时，系统开启后，室内温度一直下降，到10:00时，室内温度降为25.5 °C，主要原因是辐射换热方式供冷能力较弱、处理负荷速度较慢，不能在较短的时间内使室内温度达到设定值。当室内设定温度为26.0 °C时，在5:00时，室内温度达到26.5 °C，此后温度在25.5～26.5 °C之间波动；当室内设定温度为27.0 °C时，在3:00时，室内温度为27.3 °C，随后室内温度在26.5～27.5 °C之间波动；当室内设定温度分别为28.0 °C和29.0 °C时，在1:00左右，室内温度均达到了设定的温度，并且在后续运行时间内，室内温度一直在设定温度的波动范围内。由于辐射空调系统具有一定的热惯性，辐射末端系统开启后室内温度达到设定温度的时间较长。

图5 夏季不同室内设定温度时室内温度变化Fig. 5 Variation of indoor temperature under different indoor setting temperatures in summer

由图6可知，当系统稳定后，室内设定温度为28.0 °C时，PMV在0.5左右波动，这个值是标准规定的人体Ⅰ级舒适的临界值，该温度下人体也会感觉到比较舒适，PPD的范围为5%～10%，在Ⅰ级舒适范围内。而当室内温度低于28.0 °C时，室内环境稳定后，PPD的值大于10%，不能满足Ⅰ级舒适要求。当温度为29.0 °C时，PMV已经超过了0.5，人体会感觉偏热。综合考虑室内温度变化和舒适性，推荐夏季室内温度设为28.0 °C。

图6 夏季不同设定温度时室内PMV，PPD变化Fig. 6 Variation of indoor PMV and PPD under different setting temperatures in summer

3.2 不同辐射末端供水流量下模拟结果分析

选取夏季工况，将夏季室内温度设定为28.0 °C，辐射末端供水温度为17.0 °C，仅改变辐射末端供水流量，并且控制系统运行过程中其他参数不变，实测时供水流量为240 kg/h，模拟时在240 kg/h上下取值，将供水流量分别设定为220，230，240，250，260 kg/h。

由图7可知，当供水流量设为220 kg/h时，在系统开启2 h内，室内温度下降较快，2 h后室温达到28.5 °C，然后缓慢下降，一直在27.5～28.5 °C之间波动。当供水流量设为260 kg/h时，在系统开启1 h内，室内温度达到28.3 °C，1 h后室内温度一直在室内设定温度波动范围内。当供水流量从220 kg/h增加到260 kg/h时，供水流量提高了大约18.2%，室内温度达到室内设定温度波动范围的时间提前了1 h。

图7 夏季不同辐射末端供水流量时室内温度变化Fig. 7 Variation of indoor temperature under different water supply flow at radiation end in summer

由图8可知，在不同工况下，平均辐射温度在27.5～28.5 ℃之间上下波动。

图8 夏季不同辐射末端供水流量时室内平均辐射温度变化Fig.8 Variation of indoor average radiation temperature under different water supply flow at radiation end in summer

由图9可知，当供水流量设为220 kg/h时，在2:00后PMV≤0.5，当供水流量设为230 kg/h时，PMV在2:00时达到0.5，当供水流量设为240～260 kg/h时，在1:00后PMV≤0.5。当供水流量为220～250 kg/h时，在3:00后PPD＜10%，当供水流量为260 kg/h时，在2:00后PPD＜10%，由此可见，供水流量不同，PMV，PPD达到Ⅰ级舒适范围的时间并不相同，改变供水流量会对夏季室内热环境及热舒适产生一定的影响。但是，同一时刻，不同工况下的PMV，PPD值相差较小。

图9 夏季不同辐射末端供水流量时室内PMV，PPD变化Fig. 9 Variation of indoor PMV and PPD under different water supply flow at radiation end in summer

3.3 不同辐射末端供水温度下模拟结果分析

在系统运行过程中，将夏季辐射末端供水流量设定为240 kg/h，室内温度设定为28.0 °C，仅改变供水温度，其他参数保持不变，实测时供水温度为17.0 °C，模拟时在17.0 °C上下取值，将供水温度设定为16.0，17.0，18.0，19.0 °C。

由图10可知，在系统开启到室内温度稳定的阶段，供水温度越低，室内温度达到室内设定温度的时间就越短，反之亦然。当供水温度为16.0，17.0 °C时，系统开启后1 h，室内温度就达到了室内温度设定范围，而当供水温度设置为18.0，19.0 °C时，系统开启2 h，室内温度才达到室内温度设定的范围27.5～28.5 °C。室内温度稳定后，室内温度在室内设定温度的范围内波动。

图10 夏季不同辐射末端供水温度时室内温度变化Fig. 10 Variation of indoor temperature under different water supply temperatures in summer

图11为夏季不同的辐射末端供水温度下，在系统运行过程中，平均辐射温度一直处于27.5～28.5 ℃范围内。

图11 夏季不同辐射末端供水温度时平均辐射温度的变化Fig. 11 Variation of mean radiation temperature under different water supply temperatures at radiation end in summer

由图12可知，当供水温度为16.0，17.0，18.0 °C时，在1:00后，PMV＜0.5。当供水温度为19.0 °C时，在2:00后，PMV＜0.5，水温越低，PMV达到Ⅰ级舒适范围的时间越短。同样，供水温度为19.0 °C时，在2:00后，PPD＜10%，达到Ⅰ级舒适范围的时间最长。供水温度设定为16.0，17.0，18.0，19.0 °C时，系统稳定后，室内PMV和PPD指标均在Ⅰ级舒适范围内波动，均满足室内舒适要求，但综合考虑室内热环境稳定所需时间、PMV的整体变化和辐射的影响，推荐夏季系统运行过程中，供水温度设为18 °C。

图12 夏季不同辐射末端供水温度时室内PMV，PPD变化Fig. 12 Variation of indoor PMV and PPD under different water supply temperatures at radiation end in summer

由上述分析可知，由于辐射系统具有热惯性，室内温度达到设定温度的时间和室内达到热舒适要求的时间较长，因此，为了满足室内舒适性的要求，有必要研究提前开启系统时室内热环境和热舒适的情况。

3.4 夏季系统提前开启时模拟结果分析

研究的夏季工况在13:00时室外温度为34.9 °C，5:00时室外温度为28.0 °C，分别为该天的室外最高温度和最低温度。由于该建筑为住宅，因此，在工作日时，设定人在18:00时到家，即在18:00时正常开启系统。在18:00前开启系统对室内温度进行预冷。分别对不提前以及提前0.5，1.0，1.5，2.0 h开启系统进行模拟，研究不同工况下室内热环境和热舒适的动态变化。只选取系统开启前、后几个小时来进行分析，具体的参数设置如表4所示。

表4 夏季系统提前开启时参数设置Tab.4 Parameter setting for early start of system in summer

图13为夏季提前开启系统时室内温度变化情况。由图13可知，系统提前开启的时间越长，18:00时室内温度就越低，达到室内设定温度后在27.5～28.5 °C之间波动。在不同工况下，18:00室内温度分别为27.8，28.1，28.8，29.3，29.9 °C。

图13 夏季系统提前开启时室内温度变化Fig. 13 Variation of indoor temperature when the system is turned on ahead of time in summer

图14分别表示夏季系统提前开启时室内PMV和PPD的变化情况。由图14可知，在不同工况下，18:00时室内PMV的值分别为0.1，0.2，0.5，0.9和1.1，PPD的值分别为5.1%，5.8%，10.7%，23.8%和27.0%。

图14 夏季系统提前开启时室内PMV，PPD变化Fig.14 Variation of indoor PMV and PPD when the system is turned on ahead of schedule in summer

结合以上分析可知，在系统提前1.0 h开启时，18:00室内温度为28.8 °C，PMV和PPD指标分别为0.5和10.7%，室内温度以及热舒适均略高于室内设定温度和室内Ⅰ级舒适的指标。而在提前1.5 h开启系统，18:00时室内温度在设定温度的波动范围内并且室内热舒适处于Ⅰ级舒适范围，因此，夏季时可以考虑提前1.0～1.5 h开启系统。

4 结论

模拟研究了在夏季工况下，改变辐射末端供水流量和供水温度对室内热环境的影响，得出结论：

a. 供水流量从220 kg/h增加到260 kg/h，室内温度达到室内设定温度的时间提前了1 h，对PMV和PPD达到Ⅰ级舒适范围的时间也有一定的影响；供水温度不同时平均辐射温度、PMV和PPD变化较大，供水温度对室内热环境的影响较大，供水温度越低，室内温度的滞后时间越短，室内热环境达到稳定的时间越短。

b. 针对苏州地区夏季工况的模拟研究，综合考虑PMV和PPD的整体变化和辐射的影响，推荐夏季辐射末端供水温度为18.0 ℃。

c. 辐射系统具有一定的热惯性。在不同室内设定温度下，室内温度达到室内设定温度的时间均大于或等于1 h；为了达到室内热舒适的要求，可以提前1.0～1.5 h开启系统预冷。