辐射空调房间室内空气分布特性实验研究

(1 大连大学建筑工程学院 大连116622； 2 大连理工大学土木工程学院 大连116024； 3 西安交通大学人居环境与建筑工程学院 西安710049)

随着科技的进步及人们对生活品质要求的提高，人们对建筑室内的空气品质及舒适度也有了更高的要求。顶板辐射供冷系统通入冷水后很快降温形成辐射面，通过辐射与围护结构进行换热实现降温，在实现较高的舒适性要求的同时还可以节约能源，但由于表面易结露结霜等原因，其供冷能力有限，且不能满足室内新风要求[1]。混合通风系统是一种将送风口设置在工作区上方顶板处的一种上送风方式，通入的新风可以承担内全部湿负荷[2]。因此，将混合通风系统与顶板辐射供冷系统结合起来组成了典型辐射空调系统。顶板辐射供冷系统主要通过降温维持室内温度，而混合通风系统主要负责除湿及维持室内空气质量[3]。此外，混合通风还能提高顶板辐射供冷表面对流换热及供冷量[4]。

国内外部分学者对顶板辐射供冷与混合通风房间室内空气分布特性进行了相关研究。黄翔[5]采用计算流体力学(CFD)方法对顶板辐射供冷不同送风方式下的室内空气品质进行研究，结果表明采用混合通风-顶板辐射供冷系统时能更有效地排除污染物，并使室内污染物分布更加均匀。P. Mustakallio等[6]对冷却顶板-混合通风空调系统进行了实验研究，结果表明冷却顶板-混合通风系统能更有效地覆盖人工环境室内热负荷的中心位置。S. P. Corgnati等[7]对比分析了单独使用混合通风空调系统和使用顶板辐射-混合通风空调系统，结果表明顶板辐射-混合通风空调系统可以有效地解决全空气系统不能维持室内热舒适性的问题。O. Kanzanci等[8]通过实验的方法研究了顶板辐射+混合通风空调系统的室内环境，结果表明室内舒适度良好。C. Teodosiu等[9]基于CFD技术，对有混合通风-顶板辐射供冷系统的建筑物的热舒适性和冷凝风险进行研究，结论显示当在房间内供应干燥凉爽空气时，混合通风-顶板辐射供冷系统无论是在热舒适性还是在冷凝风险方面均有优异的表现。P. Mustakallio等[10]基于人体模型的等效温度，通过使用两种热人体模型对顶板辐射-混合通风空调系统(CCMV)进行研究，结果表明与其他系统相比，CCMV提供了更加均匀的热环境。M. Behne[11]的研究表明，当顶板辐射供冷用于去除显热冷负荷的主要部分时，置换通风在空气质量方面的优势可能会消失，因此顶板辐射供冷与混合送风系统的组合可能更合适。

目前，国内外部分学者研究顶板辐射供冷与混合通风房间内空气分布特性时均忽略了外围护结构传热的影响，而外围护结构传热对空调房间内空气分布具有一定影响[12]，尤其对于辐射空调房间，外围护结构传热对室内热舒适度的影响不可忽略[13]。因此，本文在人工环境室中设置电热膜模拟外围护结构传热，实验研究典型辐射空调(顶板辐射供冷+混合通风)房间室内空气分布特性，研究结果为辐射空调系统的设计及运行控制提供指导。

1 室内空气分布的实验方法

1.1 人工环境室及测试系统

人工环境室的长、宽、高分别为3.7、2.8、2.6 m，如图1所示。三面墙壁由75 mm厚带有中心夹层为保温发泡材料的彩钢复合板构成，其中一面墙壁上开有1.2 m×1.2 m的双层塑钢玻璃窗户；另一面墙壁和门窗由双层塑钢玻璃构成，塑钢玻璃表面贴了一层厚度为6 mm的保温材料。将功率为1 500 W的电热膜均匀铺设在整面外墙上来模拟外围护结构传热，电热膜的整体尺寸约为2.6 m×2.8 m，电热膜表面贴有9 mm厚的石膏板以使表面温度更加稳定，其功率变化范围为0～1 500 W。室内热源包括散热假人、电脑及灯等。两个假人用尺寸为400 mm×250 mm×1 200 mm(L×W×H)的铁箱子模拟，假人内部装有3个60 W的白炽灯泡，其功率调节范围为0～180 W。电脑用两个尺寸为400 mm×400 mm×400 mm(L×W×H)的铁箱子模拟，电脑内放置了两个100 W的灯泡，其功率可以在0～200 W间调节。在吊顶装有两个功率为72 W的节能灯。

实验的测试系统由顶板辐射供冷系统和混合送风系统组成。顶板辐射供冷系统末端由11块尺寸为600 mm的金属辐射板组成，覆盖率约为76%。金属辐射板由保温层、石墨板、铜管、纤维棉和镀锌钢板组成。混合送风口采用尺寸为600 mm×600 mm的散流器。

图1 测试房间Fig.1 Test room

图2 测线布置(单位：mm)Fig.2 The measurement lines(Unit: mm)

1.2 测点布置及测试仪器

测线的布置如图2所示，其中测线L2、L4、L5和L6测试人体附近的二氧化碳浓度、温度和速度分布。L1、L3、L7和 L8测试室内工作区的二氧化碳、温度和速度分布。

表1 顶板辐射供冷+混合通风实验工况Tab.1 The experimental operating conditions of system

实验在高度方向上布置Swema03(精度：±0.2 ℃，±0.02 m/s)以测室内温度与空气速度，测线测点高度分别为0.1、0.6、1.1、1.3、1.7、2.5 m(如图3所示)，其中0.1 m 和2.5 m测量地面和辐射板附近的温度和速度分布，0.6 m处的测量值作为室内温度参考点，该点温度被控制在26 ℃左右。用TES1370(精度：±50 mg/kg或3%读值)测CO2浓度，测线测点高度分别为0.9、1.1、1.3 m(如图4所示)，用这3个高度的二氧化碳浓度来代表呼吸区的二氧化碳浓度值。在每个假人正前方1.1 m处有一个直径为8 mm的小孔，从小孔以320 mL/min的流量释放CO2[14]。

图3 速度和温度测点布置Fig.3 The measurement point of velocity and temperature

图4 CO2测点布置Fig.4 The measurement point of CO2

1.3 测试工况

本实验中，室内热源设为430 W，电热膜设为430 W和720 W。混合送风系统送风温度为22 ℃，辐射顶板温度为17～23 ℃，通过调节混合送风量控制室内参考温度(ta)保持为26 ℃(具体为房间中心离地0.6 m处的空气温度)，送风温度(ts)为22 ℃，如表1所示。

由表1 可知，不同围护结构传热或电热膜功率下，外围护结构的内表面温度变化较大。当电热膜功率由430 W增至720 W时，外围护结构表面温度由34 ℃增至40 ℃，对应的其它围护结构内表面温度增大至少1 ℃。

1.4 测试参数计算公式

本文分别采用垂直温差、空气紊流强度及除污效率评价室内垂直温度、速度及污染物浓度分布，如式(1)、式(2)及式(3)所示[15-17]：

ΔTa0.1-1.1=Ta1.1-Ta0.1

(1)

式中：Ta1.1为距离地面1.1 m处测试周期内空气温度的平均值，℃；Ta0.1为距离地面0.1 m处测试周期内空气温度的平均值，℃。

(2)

(3)

式中：cp、cz、co分别为测试周期内排风污染物浓度、呼吸区污染物浓度、送风污染物浓度的平均值，mg/kg。

图5 冷负荷为83 W/m2室内空气温度分布Fig.5 Temperature distribution of the air when indoor cooling load is 83 W/m2

2 室内空气分布测试结果与分析

2.1 室内空气温度测试结果与分析

图6 冷负荷为111 W/m2室内空气温度分布Fig.6 Temperature distribution of the air when indoor cooling load is 111 W/m2

图5和图6所示为不同冷负荷下顶板表面温度对室内空气温度分布的影响。由图5及图6可知，当顶板表面温度变化范围分别为17～23 ℃和15～20 ℃时，室内垂直方向1.7 m以下空气温度分布呈现正温度梯度，1.7 m以上呈现负梯度分布，且在室内顶板及地板附近空气温度较为发散，在工作区较为均匀。这是因为室内空气温度分布受上升热羽流、下沉冷气流和送风射流的共同影响。在1.7 m以下，地板附近空气主要受下降到地板附近的冷气流影响，因此温度较低且发散，而随着高度上升，热源的影响逐渐加强，温度逐渐升高，在工作区附近的空气受送风射流与上升的热羽流的共同作用，使空气更有效的扩散，温度分布均匀。在1.7 m以上，由于冷却顶板温度较低及存在下降冷气流，因此越靠近顶板空气温度越低，而由于送风口采用方形散流器，因此顶板附近也会受送风射流直接影响，导致其附近空气温度较为发散。

表2所示为各测点的头部(1.1 m)和脚踝(0.1 m)处垂直空气温差。当顶板表面温度变化范围分别为17～23 ℃和15～20 ℃时，平均室内垂直空气温差分别为0.2 ℃左右和0.1～0.2 ℃。由表2可知，测线L4上的垂直温差普遍较大，这主要与测线4的位置布置有关，测线4位于假人与电脑之间，L4上1.1 m处附近的空气受热源影响较大，相对同高度处其他测点温度较高，而在0.1 m处受下降到地板附近的冷气流影响较大，其附近温度较低，因此导致测线L4上垂直温差较大。测线L3及L7上垂直温差小，主要是其测点布置在假人后方，1.1 m附近空气受热源影响较小。可以发现个别出现负值的情况，原因可能在于1.1 m处受下降冷气流、送风射流的影响大于热源对其影响。即使各垂直温差有大有小，但每个工况各测线的垂直温差均能满足ASHRAE 55—2013中垂直温差<3 ℃的要求。

表2 内垂直空气温差计算结果(℃)Tab.2 The computation of indoor vertical air temperature difference(℃)

2.2 室内空气速度测试结果与分析

图7和图8所示为不同冷负荷下顶板表面温度对室内空气速度分布的影响。由图7及图8可知，当顶板表面温度变化范围分别为17～23 ℃和15～20 ℃时，室内垂直方向1.7 m以下空气速度分布呈负梯度分布，1.7 m以上呈现正梯度分布，在室内工作区附近空气速度均匀，在顶板及地板附近速度发散。这是因为在1.7 m以下，地板附近的空气主受下降到地板附近的冷气流影响，速度较大，而随着高度的增加，热羽流和送风射流起主导作用，空气混合比较均匀；在1.7 m以上，下沉冷气流及送风射流起主导作用，越靠近顶板，送风射流作用越明显，空气速度越大。

表3所示为室内空气紊流强度计算结果。由表3紊流强度平均值可知，室内空气紊流强度普遍受顶板温度变化影响较小，平均紊流强度变化范围分别为32%～36%及32%～38%。对比两种负荷下的工况1～工况3和工况4～工况6可知，冷负荷变化对室内空气紊流强度影响较小。不同工况下热源附近紊流强度普遍较大，主要原因是受热羽流的干扰。

图7 冷负荷为83 W/m2室内空气速度分布Fig.7 Velocity distribution of the air when indoor cooling load is 83 W/m2

图8 冷负荷为111 W/m2室内空气速度分布Fig.8 Velocity distribution of the air when indoor cooling load is 111 W/m2

表3 室内空气紊流强度计算结果(%)Tab.3 The calculation results of indoor air turbulence intensity (%)

2.3 室内污染物浓度测试结果与分析

图9和图10所示为不同冷负荷下顶板表面温度对室内CO2浓度分布的影响。由图9和图10可知，CO2沿水平方向的分布较为均匀，在工作区附近的CO2浓度较高，而在顶板及地板附近浓度较低，主要是因为假人排放的CO2主要集中在工作区，而在顶板及地板附近由于下降冷气流与送风射流的作用浓度较低。顶板表面温度的变化对室内CO2浓度分布影响很小。表4所示为除污效率的计算结果。

由表4可知，在低负荷下顶板表面温度的变化对除污效率影响较小，当顶板表面温度由17 ℃增至23 ℃时，除污效率的变化范围为0.76～0.84。在高负荷下，随着顶板表面温度由15 ℃升至20 ℃，除污效率也随之增加，其范围为0.62～0.86。当顶板表面温度为15 ℃时，除污效率最低，很可能是由于强烈的下沉冷气流及低送风量阻碍了空气污染物的扩散，导致呼吸区污染物浓度较高。一方面，由于顶板表面与空气的对流换热产生的冷气流增大，下沉至人员活动区后会阻碍污染物向上扩散；另一方面，低风量送风产生的惯性力较弱，如此污染物随着空气向上流动的动力较小，不利于污染物扩散。因此，顶板表面温度较低或送风量较小均不利于污染物的扩散，导致活动区污染物浓度增加，通风系统除污效率减小。

表4 除污效率Tab.4 The contaminant removal effectiveness

图9 冷负荷为83 W/m2室内CO2浓度分布Fig.9 CO2 concentration distribution of the air when indoor cooling load is 83 W/m2

图10 冷负荷为111 W/m2室内CO2浓度分布Fig.10 CO2 concentration distribution of the air when indoor cooling load is 111 W/m2

3 结论

本文以混合通风与顶板辐射供冷房间为研究对象，在冷负荷分别为83 W/m2及111 W/m2条件下，通过实验测试及实验数据对比研究顶板辐射+混合通风供冷房间室内空气热环境参数分布、紊流强度、除污效率,当辐射顶板表面温度变化范围为17～23 ℃及送风温度为22 ℃时，得到如下结论：

1)室内工作区垂直方向空气温度及速度分布较为均匀，在顶板及地板附近温度分布较为发散；

2)顶板表面温度的变化对室内垂直空气温度及速度分布影响较小；

3)顶板表面温度对室内污染物浓度分布影响较小，但对除污效率影响较大；顶板温度越低，送风量越小，污染物扩散条件越差，导致活动区污染物浓度越高，除污效率越低。

本文受中央高校基本科研业务费(DUT17RC(3)086)和大连大学博士启动专项基金(20172QL020)资助。(The project was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No.DUT17RC(3)086) and the Doctoral Scientific Research Foundation of Dalian University (No.20172QL020).)