辐射诱导送风一体化空调系统控制特性实验研究

司 强，李 渊，彭佑钢，沈阿雷

（1.常州工程职业技术学院建筑工程学院，江苏常州；2.智方设计股份有限公司，江苏南京；3.江苏克力空调有限公司，江苏常州）

引言

辐射空调系统比采用对流末端的传统空调系统具有更高的舒适性、稳定性和节能性[1-2]，但是无法处理室内新风和潜热负荷[3]。为了解决这个问题，充分发挥辐射空调系统的优势，目前主要采用同时安装辐射和新风两套冷热源和末端系统的方案，并且通过温湿度独立和预除湿的方法进行控制[4]。然而新风系统的送风末端和与辐射末端的组合难度大，有控制系统复杂、设备占用空间多、施工与检修难度大等缺点，并且新风系统的送风温度较低，需要再热或气流组织以防止降低室内舒适性，送风形式受很大局限。

辐射诱导送风一体化空调系统是一种辐射空调和送风的新型耦合系统，具有大幅度简化复合系统，容易控制和更有效防止结露等优势，并且在启动特性实验中显示了响应速度快的特点[5]。本文进一步通过实验研究辐射诱导送风一体化空调系统的室内舒适性。通过调节送至辐射诱导送风一体化末端的一次风量和温度，研究其对室内温度分布、PMV 指标等的影响。

1 实验系统描述和运行原理

本文的实验系统建于一间办公室内，该办公室尺寸为6.5 m(d)×6 m(w)×2.6 m(h)。墙面为抹灰表面的蒸压加气混凝土砌块，北墙安装有采光窗。图1 为辐射诱导送风一体化末端(以下简称一体化末端)。实验室内一共安装有4 台一体化末端并且均可以独立控制一次风量。一体化末端的箱体上部接静压箱，内部有混合室、诱导风道和底部的开孔辐射板等部件。其运行原理为，一次风通过静压箱的条形喷嘴以平面射流的形式送入混合室内，从而在喷嘴和混合室入口之间形成负压，诱导室内回风进入辐射板两侧的诱导回风口，然后通过诱导风道进入混合室内和一次风混合。混合空气与开孔辐射板换热后通过辐射板上的送风孔进入室内。

图1 一体化末端剖面图

图2 辐射诱导送风一体化空调系统图

2.1.1 垂直温度分布

图3 给出了夏季不同一次风量下的垂直温度分布。可以看出，室内温度分布为天花板温度较高，工作区内随着高度降低温度先升高后逐渐稳定，高度1.8 m 以下垂直方向温度差小于0.5 ℃。温度分层主要出现在一体化末端下方至2 m 高度之间，一次风量对温度分布的影响也主要体现在这个区域，一次风量越大，温度梯度越小。

图3 夏季上回风口时的垂直温度分布

实验系统如图2 所示，除了安装于办公室内的一体化末端以外，系统还包括空气处理机组以及采用非共沸混合制冷剂的双蒸发器制冷机组，该机组制冷时可提供6～18 ℃的冷媒水。机组内安装有低温蒸发器和高温蒸发器，可以将通过高温套管式蒸发器和低温套管式蒸发器连续蒸发换热所得的低温冷媒水送至分段式空气处理机组的表冷段对一次风进行达到冷却除湿。

2 实验结果与分析

2.1 室内温度分布

从一体化末端运行原理可以看出，可控制且影响室内温度场分布的因素主要有一次风量和一次风温度，本文通过实验研究一次风量、一次风温度和回风口位置对室内温度分布的影响规律。对于结构一定的喷口，其诱导比随着一次风量的增大而增大，当一次风量增至一定值时，诱导比即不再变化。定义诱导比初次达到最大值时的一次风量为特征一次风量，以此为特征参量，将一次风量无因次化并定义为一次风量系数φp=Gp/Gsp，其中Gp为一次风量，Gsp为特征一次风量。实验过程中启动室内4 台一体化末端，设定条形喷口开口尺寸均为6 mm，其对应的特征一次风量为200 m3/h，选取0.75、1.00、1.25、1.50 和1.75 的5 种一次风量系数φp进行测试。夏季工况时，一次风温度为16 ℃，室内热环境稳定时室外温度为32±1 ℃。

2.1.2 水平温度分布

图4 给出了夏季一次风量对室内水平温度分布的影响。由于办公室内人员大部分时间为坐姿，因此选取坐姿时头部高度1.1 m 进行研究。可以看出，不同一次风量下室内水平方向温度分布规律基本相同。当系统运行至室内热环境稳定后，邻接室外环境的北外墙温度最高，沿南北方向逐渐降低，一体化末端正下方温度最低。随着一次风量的增加，一体化末端正下方温度变化幅度不大，但是以温度最低点为中心，周边温度场逐渐趋于均匀。φp=0.75 时室内温度水平方向最大温度差为1.73 ℃，φp=1.50 时室内温度水平方向最大温度差为1.22 ℃，一次风量的增大可以改善室内水平方向温度分布的均匀性，但是无法消除一体化末端下方和北外墙附近之间的温度差。

图4 夏季一次风量对室内水平温度分布的影响

2.2 一次风对PMV(预计平均舒适度,Predicted Mean Vote)指标的影响规律

图5 给出了冬夏季PMV 指标随着一次风量系数φp的变化规律。夏季PMV 指标随着φp的增大逐渐减小，且变化幅度越来越大。当φp在1.25 以下时，室内舒适度随着φp的增大而提高，但是φp达到1.5 时，室内舒适度降低，并且随着φp增加至1.75，PMV 低于-0.5，超出了ASHARE 规定的舒适性标准。冬季PMV指标随着一次风量系数φp的增大逐渐增大，而变化幅度越来越小。室内舒适度随着φp的增大逐渐提高，但是φp达到1.5 时，提升幅度减小。当室内处于舒适状态时，风速对PMV 指标的影响不大，但是可以看出，当φp达到1.5 以上时，风速对测点所测得的PMV 指标产生了明显的影响。过大的一次风量在夏季使室内环境过冷，在冬季则抑制了室内环境随着一次风量增加而变暖的趋势。

图5 PMV 指标随着一次风量系数φp 的变化规律

定义温差系数△tnon为室外环境温度与一次风温度之差与室内温度与一次风温度之差的比值，即：

将在所有实验工况中PMV 指标在-0.5 至+0.5之间，满足舒适性标准的一次风量系数和一次风温度以及相应的室内外温度和温差系数整理后，进一步将一次风量系数φp和温差系数△tnon绘制成曲线图，可以发现两者之间呈现线性变化的趋势，如图6 所示。

图6 一次风量系数φp 和温差系数△tnon 之间的关系

通过式（2）和式（3），可以根据冬夏季的室外温度和室内设计温度得出满足舒适性标准的一次风量和温度。

3 结论

本文通过实验研究了辐射诱导送风一体化空调系统的室内舒适性，得出了以下结论：

（1） 夏季一次风量对温度分布的影响主要体现在一体化末端下方至高度2 m 之间，温度梯度随着一次风量的增大而减小。夏季工况下地板附近空气温度之间的差值小于0.3 ℃。室内水平方向温度分布的均匀性随着一次风量而提高，最大温差始终在一体化末端下方和北外墙附近之间。

（2） 夏季PMV 指标随着φp的增大逐渐减小，且变化幅度越来越大。冬季PMV 指标随着一次风量系数φp的增大逐渐增大，而变化幅度越来越小。冬夏季均在φp达到1.50 时PMV 指标的变化规律出现转变。冬夏季PMV 指标均随着一次风量温度的提高而线性增长。根据满足舒适性标准的一次风量系数和一次风温度，以及相应的室内外温度和温差系数发现一次风量系数φp和温差系数之间呈现线性变化的趋势。