地槽式散热器在上海地区的适用性分析

陈　刚

（奥雅纳工程咨询（上海）有限公司，上海200031）

地槽式散热器在上海地区的适用性分析

陈刚

（奥雅纳工程咨询（上海）有限公司，上海200031）

地槽式散热器提供空调供热的方式在英国、北欧、韩国等国家和地区广泛使用，但在国内的夏热冬冷地区尚未普及。本文拟对该散热器采暖系统在上海地区高档办公标准层中的适用性进行分析与研究，包括工作原理、舒适度、运行及维护等。

地槽式散热器；工作原理；热舒适模拟分析；运行及维护

0　引言

地槽式散热器（Trench Heater）是替代传统散热器的一种新型末端设备，它一般设置在幕墙周边，利用暗装在地槽内的热水管或电加热管加热室内空气，并通过对流及辐射方式向房间供暖。

地槽式散热器的供热介质为热水或电加热。电加热式地槽式散热器一般只作为一种辅助供热手段。这种方式不节能，但是可以作为VAV系统的一种保障，以满足使用者不同的需求，并避免水患。但是，根据上海市节能规范，这种方式不被允许。因此，以下分析仅针对热水式地槽式散热器。

1　工作原理

地槽式散热器末端对流方式有自然对流和强制对流两种。

自然对流是利用冷空气受热自然上升的原理，在幕墙周边形成一道温暖的空气幕，以满足供热需求并抵消冷表面（如大面积玻璃幕墙）等造成的不适感。自然对流型地槽式散热器属于即时安装的供暖装置，是安装在大面积落地窗前的理想选择。供水采用低压热水，供水温度越高效果越好。

强制对流散热器则是在自然对流的基础上增加风机，这种方式可以极大地增加散热量，但需要注意噪声等问题。带风机的对流型地槽式散热器包括贯流风机型、离心风机型和置换通风型三种。带风机的散热器效果好的风机的噪音约36dbA。

图1　地槽式散热器原理图

根据使用目的，地槽式散热器可分为单制热、单制冷和冷暖两用三类。

在欧美国家，对流式散热器使用有较长的历史，其研究成果及生产水平也处于较领先的地位。[1，2]在国内，尤其在北方地区的公共建筑及商业建筑内，地槽式散热器也逐步得以推广应用，如沈阳财富中心、北京会议中心、天津美术馆、辽宁科技馆、石家庄机场等。

2　系统设计要点

上海位于夏热冬冷地区，春秋较短，冬夏较长。年平均气温15.8℃。7月最热，市区平均气温27.8℃，1月最冷，平均气温市区3.6℃。冬、夏季室外设计温度分别为-2.2℃及34.4℃。

办公室的空调冷热负荷有以下特点：

（1）内热冷负荷：由室内照明、设备和人员的发热量组成的冷负荷，这部分冷负荷较为稳定，不受室外气象因素的影响。

（2）空调外区：直接受外围护结构日照得热、温差传热、辐射换热和空气渗透影响的区域。外区的空调负荷包括外围护结构冷负荷或热负荷以及内热冷负荷。由于地理位置和气候条件的影响，外区有时需要供冷有时需要供热，而这种冷热变化的需求并非完全随季节变化而变化。比如在过渡季节甚至在冬季，东面朝向的房间在早晨受到日照得热需要供冷，而西面朝向的房间由于没有日照得热，则需要供热。

（3）空调内区：与建筑物外围护结构有一定距离，具有相对稳定的内热冷负荷的区域。它不受外围护结构的日照得热、温差传热和空气渗透等影响。内区全年仅有内热冷负荷，随区域内照明、设备和人员发热量的状况而变化，通常全年需要供冷。

从上述介绍可知，办公室的空调负荷特性是存在内外分区和朝向分区的，外区根据气象因素变化有时供冷有时供热，而内区则需要常年供冷。要在过渡季节和冬季同时满足内外区人员的舒适性，就需要采用四管制的空调水系统同时供冷供热。

目前上海高档办公楼主要采用变风量（VAV）空调系统。其工作原理是室内空气及室外新风经过空调箱进行热湿处理后，通过送风管送向布置在不同温度控制区的变风量末端装置，末端装置会根据室内冷热负荷变化自动调节送入室内的空气量。当室内冷热负荷减小时，末端装置会减小送风流量，系统所需总风量也相应减少，这时，自控系统会通过变频器降低空调箱的风机转速，风机用电量减少达到节能的目的。为满足全年内外区人员的舒适性，通常的做法是变风量空调箱全年处于制冷工况，末端变风量装置根据内外区分别布置，在外区需要供热时，通过外区变风量末端上的热水盘管将风机的循环风量再热达到供热效果及较好的气流组织。其系统平面示意图如图2所示。

图2　VAV平面系统图

变风量空调+地槽式散热器系统是在原变风量空调末端的基础上，将外区加热水管移位到地板，即外区变风量末端由并联风机动力型改为单风道型。加热水管布置在下层的吊顶内。与VAV系统相比，此系统在沿窗边增设地槽式散热器，散热器设置在架空地台中，负担外区的热负荷。在冬季，靠近散热器的空气被加热，热空气上升，形成自然对流。经加热的空气沿窗上升，阻止窗边冷气流进入室内，同时给窗玻璃加热，减少其对室内的辐射传热。相比较于采用地台风机盘管系统，避免了外区风机盘管噪音问题，并可显著降低玻璃上的冷凝现象。所需吊顶空间与变风量空调系统一致。

此系统平面示意图如图3所示。

图3　VAV+地槽式散热器平面系统图

根据该系统的原理可知，办公室夏季内外区和冬季内区的冷负荷由变风量空调系统承担，冬季外区的热负荷由地槽式散热器供热系统承担。由于冬季冷热分开处理，使得内外分区在冬夏季略有区别，冬、夏季外区进深分别为3m、5m。因此该系统外区风口设置在冬季的内外区分界处（3m），即在冬季，VAV系统全部处在内区，但需提供外区所需新风量。

综上所述，VAV+地槽式散热器是以VAV为基础的一种优化方案，它解决了VAV系统的噪声问题，并在热舒适度上有进一步的提升，运行费用更低且不增加安装空间。

3　热舒适度分析

空气在房间里的流动涉及到气体流动、传热传质等多方面的内容[3]。本文使用流场计算软件Phoenics对室内气流的流动进行模拟计算，以比较VAV+地槽式散热器与VAV系统的性能。在计算时，采用混合格式、κε湍流模型，并考虑重力的影响。

该模型采用如下设置：

（1）模拟的房间尺寸为20m×20m×3.2m；

（2）除外区作为参照物的一名人员外，本模拟不考虑内热；

（3）室内温度设计点定为22℃（热舒适温度，operative temperature），送风量及送风温度均根据模型实际负荷确定；

（4）外围护结构负荷根据通过软件计算确定，根据计算结果，围护结构每延米的负荷约为228W/m；

（5）在VAV模型中，外围护结构负荷由外区VAV承担。外区送风量为10800m3/h，送风温度为27℃；由于不考虑内热，内区送风量为6075m3/h，送风温度为22℃；

（6）在VAV+地槽式散热器方案中，外围护结构热负荷由地槽式散热器承担。由于不考虑内热，外区送风量为10800m3/h，内区送风量为6075m3/h，送风温度均为22℃；

（7）热水供回水温度为55/45℃；

（8）检测点取在内外区交界处的工作区域（离地面高度为1.2m）；

（9）为降低噪声，选用自然对流式地槽式散热器。

模拟使用的模型如图4、图5所示。

图4　VAV方案

此方案外区VAV冬季再热后供热，内区为单风道，冬季供冷。

图5　VAV+地槽式散热器方案

VAV末端均为单风道，内外区送风温度相同。外区设置地槽式散热器。

两方案的模拟结果对比如下：

3.1温度分布

图6　VAV方案温度分布

由于热量随送热风从吊顶进入，因此竖向温差较大，人员所在高度范围内，竖向温差达到1.5℃，人体头部所在环境温度较高。此外，为达到22℃的设定热舒适温度，室内空气温度较高，约为23.5℃。

图7　VAV+地槽式散热器方案温度分布

由于热量由地槽式散热器提供，因此竖向温差较小，人员所在高度范围内，竖向温差约为0.5～1℃，人员下肢温度较高。此外，由于地槽式散热器的存在，较低的空气温度（22℃）即可达到较高的舒适温度。但由于进出水温较低，因此加热的空气沿窗上升，阻止窗边冷气流进入室内的效应虽存在，但并不明显。

3.2流速

图8　VAV方案流速分布

图8在模拟条件下，气流组织较高，人员所在范围内，空气流速约为0.04m/s，吹风感较小。

图9在模拟条件下，气流组织较好，人员所在范围内，空气流速约为0.05m/s，吹风感较小。

3.3PMV

图10由于内外区送风温度不同，检测面的PMV分布差异较大。检测点PMV值为0.35左右。

图9　VAV+地槽式散热器方案流速分布

图10　VAV方案PMV分布

图11　VAV方案PMV分布（工作平面）

图11工作平面PMV分布较为均匀，PMV值均在0.3左右。

图12方案下检测面的PMV分布差异较小。检测点PMV值为0.03，舒适度较高。

图13工作平面PMV分布较为均匀，PMV值在0～0.1之内。

图12　VAV+地槽式散热器方案PMV分布

图13　VAV+地槽式散热器方案PMV分布（工作平面）

由模拟结果可知，VAV+地槽式散热器方案较常规VAV系统更为舒适。此外，地槽式散热器主要通过对流与辐射换热，因此即使整体平均空气温度较低，但人员活动区域可达到较高的舒适度，较VAV系统更为节能。

4　清洁维护及防水患措施

4.1清洁维护

由于风口设置于地面，细小杂物容易通过条形风口掉入管槽内，此外长期积灰容易影响散热器的散热性能，需要进行定期的清洁维护。该设备的清洗较为方便，将顶部格栅拆卸后可通过吸尘器等进行清洗。

此外，在夏季等不需要采暖的季节，顶部可用覆盖板覆盖，从而避免散热器受到污染。

4.2防水患措施

根据考察项目的物业管理经验，如果安装质量控制好及系统维护好，该系统漏水可能性较小。实际应用中可采取以下措施防止或减少水患：

（1）设置漏水传感器；

（2）散热器与架空地台间可设置隔板以减小水患对地台内管线的影响；

（3）局部进行降板处理，设置地漏。

5　结语

VAV+地槽式散热器方案在传统变风量系统基础上，营造良好的冬季室内热环境，提高了舒适度。标准层周边散热器可与地台结合，满足净高的需求；初投资成本较VAV系统虽有增加，但舒适度高且系统运行费用低。

根据模拟结果，在热水供回水温度为55/45℃的条件下，室内温度波动较小，垂直温差也较小，此时既可满足舒适度要求，又可以有效降低能耗。

总体而言，在上海地区，VAV+地槽式散热器易与建筑配合、外形美观，并且可以以较低的供回水温实现较高的舒适度，是一种值得推荐的高效采暖空调末端方案。

[1]张伟，等.低温地板采暖与散热器采暖效果的对比分析[J].太阳能学报，2005，26（3）.

[2]汪建生，等.四种供暖方式的分析比较[J].暖通空调，2005，35（4）.

[3]张志强，等.室内空气自然对流换热的数值模拟研究[J].暖通空调，2004，34（3）：10～12.

Feasibility Study on Trench Heating System in Shanghai Area

CHEN Gang
（Arup Consultant Company Shanghai，Shanghai 200031，China）

Trench heating system has been widely used in the UK，North Europe and Korea，but is relatively less applied in hot-summer and cold-winter districts of China.A feasibility study has been performed to investigate trench heaters’feasibility in high-end offices in Shanghai.In this study，working principle，comfort level，operation and maintenance issues have been taken into consideration.

trench heater；working principle；comfort level；operation and maintenance

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.019

TU83

B

2095-3429（2015）05-0084-05

陈刚（1973-），男，工学学士，暖通工程师。

2015-10-08

2015-10-20