地板辐射供冷系统的实验与分析

2013-01-15周致田李琦芬赵林辉孙伟东赵立峰

上海电力大学学报 2013年4期

周致田，李琦芬，赵林辉，孙伟东，赵立峰

(上海电力学院能源与机械工程学院，上海 200090)

地板辐射供冷作为一种新型的空调方式，具有节能、无吹风感、室内温度分布均匀，以及与地板辐射供暖相结合时可以减少系统初投资［1-3］等优点.地板辐射供冷与置换通风系统［4，5］二者结合，已经成为建筑物节能的新举措.配合置换通风的进行，可以大大降低地板结露的可能性、提高地板供冷能力，又可以充分发挥其舒适、健康、节能的优势，是新型节能空调系统的发展趋势.

1 地板辐射供冷的节能特点与热舒适性

1.1 地板供冷系统的节能特点

地板供冷系统以辐射换热为主，更加符合人体散热的特点.采用地板供冷系统，可以降低房间围护结构的温度，增大人体相应的辐射散热量，使人体的实际感受温度比室内实际空气温度降低2℃，因此室内空气温度30℃时相当于采用传统空调方案时房间温度为28℃.与传统空调系统相比，在相同的热感觉前提下，地板供冷系统可以将室内设计温度提高1～2℃，而且其冷负荷比常规系统的冷负荷要低10%～20%.

另外，由于地板供冷系统会首先冷却房间的围护结构，蓄冷量较大，短时间的开门或开窗对室内温度基本没有影响，这样制冷系统就无需频繁启动.

1.2 辐射换热的热舒适性

地板供冷配合置换通风的复合系统在提高室内空气品质方面有许多固有的优势.在舒适条件下，人体产生的全部热量是以一定的比例散发的，大致为:对流散热占30%，辐射散热占45%，蒸发散热占25%［6］.可以看出，辐射换热对人体的舒适感是很重要的.而地板供冷/置换通风复合系统中的地板辐射供冷弥补了传统空调以对流传递冷量为主的缺陷，增加了人体的辐射换热量，减少了吹风感，有助于提高室内舒适度.

2 环境热舒适性的评价方法

对室内空间而言，可以将地板冷表面看作一个恒定的冷表面，它与室内的人员、维护结构，以及其他表面进行换热，应根据不同的地域，综合考虑纬度、气候等所导致的室内维护结构和温度的变化来判断环境舒适性.

丹麦工业大学的FANGER教授基于人体热平衡原理提出了稳态热环境下描述和评价热环境的PMV-PPD(predicted mean votepredicted percentage of dissatisfied)评价方法.其中，关于人体热反应(冷、热指标)的评价指标综合考虑了人体活动情况、着衣情况、空气温度、相对湿度、气流速度、平均辐射温度等6个因素［7］.热舒适性指标(PMV)代表了同一环境下绝大多数人的热舒适感，采用了7级分度，具体如表1所示.

表1 热舒适性指标分级

PMV值的计算公式为:

式中:M——人体新陈代谢产热量，W/m2;

W——人体做功量，W/m2;

Pa——人体周围空气的水蒸气分压力，kPa;

ta——空气干球温度，℃;

fcl——服装面积系数;

Icl——服装热阻，(m2·K)/W;

tcl——着衣人外表面温度，℃;

hc——表面换热系数，W/(m2·K);

v——空气流速，m/s;

Ai——i表面面积，m2;

ti——i表面辐射温度，℃.

这一方法已被国际标准化组织采用，并作为评价和测量室内热湿环境的新标准(ISO7731标准)，本文也将采用此标准来分析地板辐射供冷的舒适性.

3 环境热舒适性关键参数的确定

3.1 室内设计温度

根据我国GB 50019—2003《采暖通风与空调设计规范》中的相关规定，夏季室内空气温度一般取25～27℃，相对湿度取55% ～65%.根据焓湿图分析，对应条件下空气的露点温度为15.3～19.9 ℃，对应关系如图 1 所示［8］.因此，在设计地板辐射供冷系统的室内温度时，要考虑防止结露的出现.

图1 相对温度下对应的露点温度值

与传统空调方式相比，采用地板供冷时室内作用温度相当于降低1～2℃，因此室内供冷设计温度可以相应提高1～2℃，推荐值见表2［6］.

表2 采用辐射供暖、供冷时室内参数推荐值

3.2 室内围护结构内表面的温度

室内环境的舒适度主要由室内空气温度、湿度、风速，以及平均辐射温度、服装热阻、人的新陈代谢情况等因素决定.其中，平均辐射温度是室内环境舒适性的最主要的影响因素.

室内空气的平均辐射温度受围护结构内表面温度的影响较大，而围护结构内表面的温度决定于室内空气温度和室外环境温度.围护结构的传热模型［9］如图2所示.

图2 围护结构的稳态传热模型

当围护结构传热过程处于稳态时，其内表面温度与外界温度的关系为:

式中:to——室外温度，℃;

tw——围护结构的内表面温度，℃;

tf——地板表面温度，℃;

ta——室内设计温度，℃;

Ro——室外空气与围护结构外表面的对流换热热阻，(m2·K)/W;

Rd——围护结构的导热热阻，(m2·K)/W;

Rn——围护结构内表面与室内空气的对流换热热阻，(m2·K)/W;

Rf——室内地面和维护结构的辐射热阻，(m2·K)/W;

hr——地面与墙体之间的辐射换热系数，W/(m2·K);

Ff-pi——地面对i围护结构单位面积的角系数.

因此，围护结构内表面温度可表示为:

当建筑的东西南3面墙全部采用low-e玻璃时(本文算例中的情况)，需要加入太阳辐射作用下的综合温度，其表达式为［10］:

式中:αw——围护结构外表面与室外空气间的换热系数，W/(m2·K);

I——围护结构外表面接受的总的太阳辐射强度，W/m2;

ε——围护结构外表面的长波辐射系数;

ΔR——围护结构外表面向外界发射的长波辐射与由天空及周围物体向围护结构外表面发射的长波辐射之差，W/m2.

4 实验过程与结果分析

本辐射供冷系统实验选择在上海电力学院浦东校区艺术厅进行.

该建筑结构为:东南西3面为双层low-e玻璃;屋顶铺设太阳能光伏板(有相应的隔热装置)，北墙为钢筋混凝土材质，属于内墙;房间(长17 m，宽10 m，高2.6 m)内采用木质地板，地板下面铺设双回形盘管，地板送风，采用条形风口，风口布置在距离南墙50 cm处.实验时间为2011年8月1日.

4.1 舒适性分析关键参数的测定

控制地板进水水温，降低地板表面温度，以实现室内温度的调节.室内的空气温度采用6根热电偶进行测试，间隔为40 cm，底部测试点距离地板高度为40 cm，测试装置如图3所示.地板和壁面温度也用热电偶进行测试，测试时用棉布覆盖在热电偶表面，并使热电偶紧贴测试壁面.所有热电偶在测试之前都用冰水浴进行校核.

对典型时间的实验测量数据进行汇总，结果如表3所示.

图3 室内温度梯度测试装置

表3 典型时间实验测试数据

根据ISO7730，人在站立时的新陈代谢量M=1.2 met=72 W/m2;根据文献［11］，人体做功量取为零;根据ISO7730，实验员着短袖衬衫和长裤时，服装热阻取为 Icl=0.5 clo=0.08 m2·K/W.(clo为服装热阻的单位，其中1 clo=0.155 m2·K/W，其定义是一个静坐者在21℃空气温度、空气流速不超过0.05 m/s，以及相对湿度不超过50%的环境中感到舒适所需要的服装热阻，相当于内穿衬衣外穿普通外衣时的服装热阻.)空气流速 v=0.2 m/s.