夏热冬冷地区低温散热器与空调供暖室内温度分布特征研究

2018-10-08程海峰许洁王庚唐光明

安徽建筑大学学报 2018年4期

程海峰，许洁，王庚，唐光明

(安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥 230022)

0 引言

随着人居生活水平的的提升，人们对建筑室内供暖方式的选择呈现多样化[1]。散热器系统作为传统的集中供暖末端，使用安全方便，在北方地区应用广泛，但其由于高温热水散热器表面温度过高，灰尘产生焦糊味的有害物质会使室内空气品质下降[2]。夏热冬冷地区为非集中供暖区，其冬季湿冷，有供暖的需求和必要性，空调供暖作为夏热冬冷地区主流的供暖模式，其造成室内温度分布上高下低，使室内空气干燥且有吹风感等热舒适程度低、空气品质较差的问题[3-4]。

为了能够提升室内环境的热舒适性，近几年，对低温散热器供暖系统的研究不仅在我国形成一定的热度，而且在国外已经得到广泛应用。A.Hasan[5]等对名义供回水温度为45℃/35℃的低温热水散热器供暖系统房间热舒适度进行了实验和仿真模拟，得到散热器低温运行能够保证室内温度在20℃以上，且室内垂直温差较小；A.Hesaraki和S.Holmberg[6]通过现场实测和CFD模拟技术，对瑞典的五个房间采用低温散热器系统进行舒适度分析，得出基于PMV的PPD为12%，供暖房间平均温度在20～25℃之间变化。Jonn Are Myhren[7]等通过模拟分析了高温散热器供暖、中低温散热器供暖、地板辐射供暖、墙体辐射供暖方式下房间的舒适性，得出采用中低温散热器供暖在房间气密性较差时舒适性最好。吴辉敏[8]等对散热器低温供暖的优势、应用技术和实施进行了分析，提出了散热器低温供暖系统应进行连续供热以达到供暖效果。李庆娜[9]等测试了现有居住性节能住宅采用供回水温60℃/45℃散热器采暖系统，在连续供热时可满足热用户用热需求[3]。曹宇婷和杨强[10]通过实测农村地区采用空气源热泵散热器系统供暖，可使测试供暖房间平均温度维持在16.91～18.65℃。杨茜[11]等采用Airpak软件，模拟了北京地区农村住宅低温散热器供暖系统房间，得出了该供暖系统可满足热舒适性要求的结论。

多数研究者所设计的实验和数值模拟计算，是以严寒或寒冷地区冬季室外环境为设计环境，而对于低温散热器系统在夏热冬冷地区冬季特定的湿冷环境下应用研究不多。基于前人对低温散热器系统的研究，本文通过设计对比实验，实测合肥地区冬季采用供回水温45℃/40℃的低温热水散热器供暖系统与常用热泵空调供暖系统房间温度场分布，分析两种不同供暖系统室内温度分布特征差异，对于夏热冬冷地区供暖系统方案设计及改善室内热环境具有现实意义。

1 实验及方法

1.1 实验条件

本实验在位于合肥市某研究院三楼的室内宜居环境技术研究实验室中进行。该实验室内部净尺寸为 8 m×6 m×3 m(长×宽×高)，东南西三面为外墙，北面为内墙并含一扇1.6 m×2 m的双开玻璃门，连通毗邻的内走廊，无窗。实验室内西墙上部布置一台侧送风热泵空调室内机，送风方式为上送上回，送风口为双层百叶风口，尺寸为1 m×0.2 m，回风口在机组底面，距离地面2.7 m。实验室中设置7组散热器，东墙下设置一组，其它三面墙各设两组。采用空气源热泵提供供回水温度为45℃/40℃的低温热水。散热器的材质为铸铁，每组散热器含有散热片18个，散热器的尺寸均为1.3 m×0.1m×7m(L×W×H)，下端距离地面 0.15 m。

图1 房间物理模型图(左：低温散热器供暖；右：空调供暖)

1.2 实验方法

为了反映房间温度场的实际分布，在室内宜居环境技术研究室内均匀布置8个同样规格的测杆。由于人体的脚踝、膝盖和头等部位对温度的感受要求不同，不适宜的垂直温度梯度不仅会增加室内气流组织运动，而且会导致人员不舒适感[12]，故在每个测杆的0.1 m、0.7 m、1.5 m和2 m高度处设置温度测点，总共32个测点。图2为侧杆在整个房间的水平位置分布和垂直测点编号。对于某一测杆x(x 为 a、b、c、d、e、f)，x1～x4 分别为 0.1 m、0.7 m、1.5m和2m高度的测点。

图2 房间内侧杆的平面位置和垂直测点编号

房间内空气温度的监测采用2×0.5 mmK型热电偶(可测温度范围0～600℃)，由JTDL-80型多通道热电偶采集模块(测量精度为±0.5℃)实现测点数据自动采集和储存。图3为实验室房间内实验仪器和部分测杆、测点的现场布置。

本实验的测试时间为2017年1月18日与2017年1月20日。房间采用空调供暖方式实验从18日10：00开启到17：00停机，室内设计温度24℃；低温散热器供暖实验在20日的10：00开启至17：00停机，热水供回水温度为45℃/40℃，两天的室外温度均为-2℃。测试数据采取各个工况稳定时段进行分析，即13：00～17：00采集的逐时温度。室内平均温度是供暖房间的重要参数，其计算公式[13]如下：

式中，trm是检测持续时间内受检房间的室内平均温度(℃)；trm，i是检测持续时间内受检房间第i个室内逐时温度(℃)；n是检测持续时间内受检房间的室内逐时温度的个数；ti，j是检测持续时间内受检房间第j个测点的第i个温度逐时值(℃)；p是检测持续时间内受检房间内布置的温度测点的个数。

2 实验结果与分析

2.1 两种系统供暖效果测试分析

2.1.1 低温散热器系统供暖效果测试分析

图4反映了低温散热器系统房间中部c测杆各点温度随时间的变化，当系统运行保持基本稳定的状态时，供暖房间0.1 m、0.7 m、1.5 m和2.0 m高度上的温度呈现周期性变化，约30分钟一个周期，这是由于空气源热泵机组的启停导致温度随时间的波动。图5为低温散热器房间在13：00～17：00各测点的平均温度分布，由于a测杆靠近房间玻璃门，受冷风渗透的影响，a测杆0.1 m处测点平均温度略低。0.1 m高处水平温度分布不均匀性较大，这是空气与地面的对流换热以及各点距散热器远近受热压影响不同导致的。0.7 m、1.5 m和2.0 m高处水平温度稳定，基本保持在21.5～23℃之间，其中0.7 m与1.5 m的垂直温差在1℃左右，1.5 m与2.0 m的垂直温差在0.5℃以下，这说明低温散热器系统供暖房间内人员在保持坐姿或站立时呼吸区的温度较均匀。而且房间内各点的平均温度在18.9～23.4℃之间，满足国家标准对于舒适性空调人员长期逗留区域室内温度要求[14]。

图3 实验仪器和测点的现场布置

图4 低温散热器系统C测杆各点温度变化

图5 低温散热器房间各测点平均温度分布

2.1.2 空调系统供暖效果测试分析

图6为空调系统房间中部C测杆各点温度变化，可以看出0.7 m、1.5 m和2.0 m高处的温度随时间呈明显周期性波动，约10分钟一个周期，波峰波谷明显，而在0.1 m高处的温度变化较平稳。分析图7空调系统供暖房间温度出现明显垂直分层现象，其中高度0.1 m与0.7 m间垂直温差均超过3.5℃，不能达到ⅠSO7730标准对于工作区内距离地面上方1.1 m和0.1 m间温差不应大于3℃的温度梯度要求[15]。而且1.5 m和2.0 m高处水平温度分布不均匀性大，但0.1 m和0.7 m高处水平温度分布较均匀，故总体呈现上部波动、下部稳定的现象。造成这种分布特征的原因，是因为空调系统供暖采用上送上回的送风方式，从送风口送出的热风与房间内空气存在一定的温差，由于热风上浮，在顶板形成贴附射流；本测试为了减小热量聚集在顶板面而产生的热损失，将送风百叶向下进行了倾斜，此时热风的射流范围扩大，房间上部空气受到的扰动较大，由于墙壁的阻挡和回风口的负压作用下形成回流，房间下部处于热风回流区，该区域温度较射流区温度平稳。

图6 热泵空调系统C测杆各点温度变化

图7 热泵空调房间各测点平均温度分布

2.2 两种供暖系统对比分析

当房间温度达到基本稳定的状态时，采用低温散热器系统供暖的房间温度波动平缓，各测点温差波动小于1℃；而空调系统供暖房间温度波动幅度较大，最大波动温差可达3.2℃，见图5、图7。造成如此明显的差异主要是由于不同供暖方式对室内气流组织造成的影响不同。散热器低温运行，与室内空气进行对流换热，室内空气被加热形成自然对流；热泵空调送风口送出一定速度的热风与室内空气混合进行热交换，对室内气流产生较大的扰动。

分析对比图5和图7：①由于a测杆靠近房间玻璃门，受冷风渗入影响，在两种不同供暖方式下，该测杆0.1m高度测点温度均比同一高度下其他测点的温度低2～3℃。②水平方向上：空调供暖房间(图7)在距离风口最远的a测杆各点相对温度最高，而与a测杆相对称的b测杆由于房间上部有隔断板的阻挡，温度略低于a测杆，其他工作区的水平温度稳定，但相较于低温散热器供暖房间(图5)，其水平温度梯度较大；低温散热器供暖房间温度在f4点处相对温度最高，这与各测点与散热器距离不同热压影响不同造成的，特别的由于热压加上维护结构的边界效应，低温散热器房间靠近地面处的水平温度波动略大。③垂直方向上：相比空调供暖房间，低温散热器供暖房间内垂直温度梯度明显变小，0.7 m与1.5 m高度间的温差缩小最为显著；而且低温散热器房间内各点的平均温度在18.9～23.4℃之间，空调供暖房间内各点平均温度在15.6～23.4℃之间，所以采用低温散热器供暖方式，房间温度区间缩小，0.1 m高度温度平均提高达19℃，提高了3℃，处于人体脚踝处的温度增高，对于人体的舒适感起到提升作用。