基于Trnsys的辐射供冷系统模拟研究

2019-12-30付桐玮徐鹏飞2翟晓强

制冷学报 2019年6期

付桐玮李斌徐鹏飞2 翟晓强

(1 上海交通大学制冷与低温工程研究所上海 200240； 2 上海船舶研究设计院上海 201203)

随着社会的发展进步，我国建筑能耗逐渐增加，预计至2020年，我国建筑能耗占比将达到35%[1]。而在建筑能耗中，空调系统能耗占比将达到60%[2]，所以，降低空调能耗能够有效降低建筑能耗。人们对室内热环境的要求也越来越高，也会增加建筑空调能耗。因此，寻找高效率的供冷形式是一个重要课题。辐射供冷系统作为一种新型的供冷形式，具有节能、舒适性强等特点，越来越受到人们关注[3]。目前，很多学者对辐射供冷系统进行了深入研究，以推动该技术的发展。

在供冷能力方面，Ning Baisong等[4]提出了3种新型顶板结构，通过实验和模拟研究了其供冷能力，并与原始结构对比，认为新型顶板结构具有更加均匀的顶板表面温度，有利于提高顶板的供冷能力；Luo Yongqiang等[5]对热电辐射顶板系统进行了模拟研究，模拟了顶板温度场，并计算了系统的供冷效率；刘乃铃等[6]针对顶板辐射供冷系统与人体之间的换热特性进行了研究，认为达到稳定状态时，辐射换热量是对流换热量的3.5倍；于国清等[7]提出一种计算辐射供冷板供冷量的计算方法，并进行了实验验证，结果表明误差在6.58%以内，计算方法可信度较高；曹法立等[8]研究了供水温度对地板辐射供冷系统的影响；张岩等[9]研究了不同顶板温度时，顶板与墙面、人体的换热量关系。

在热舒适性方面，李锦堂等[10]研究了辐射吊顶供冷方式的热舒适性，认为辐射吊顶供冷方式要优于对流供冷系统；He Yingdong等[11]对辐射供冷桌进行了实验研究，认为辐射供冷桌具有较好的热舒适性，且其冷冻水温度范围广，有节能潜力；于志浩等[12]研究了辐射吊顶供冷分别结合贴附射流和置换通风的舒适性，结果表明置换通风的舒适性优于贴附射流。

在辐射板温度均匀性方面，Shen Limei等[13]进行了热电辐射顶板系统的参数优化设计研究，得出热电辐射顶板的最佳厚度为0.004 m，这可以有效解决结露问题和温度不均匀性；P. Mustakallio等[14-15]对比模拟了4种不同的供冷系统，模拟分析了每种系统的室内热环境，认为辐射顶板系统相比于其他系统能提供更舒适的室内热环境；娄载强等[16]研究了顶棚辐射供冷系统房间的温度分布情况。

在辐射板结露问题方面，张顺波等[17]建立了一种辐射板传热模型，并通过实验验证了模型的准确性，进而利用该模型对辐射板进行了供冷和结露特性方面的改进；Tang Haida等[18]研究了辐射顶板结露水滴落下临界直径，落下过程中的蒸发情况及能被人体感知的最小水滴直径，认为采用超疏水铜板作为辐射板可以有效解决结露问题；Tang Haida等[19]从模拟和实验两个角度研究了不同位置辐射板的结露速度，认为顶板结露风险最高，其次是墙壁，地板结露风险最低。

此外，顾珍等[20]使用Trnsys模拟研究了地板辐射供冷控制系统的适宜时间步长，认为开机1 h内控制步长为5 min，之后控制步长为15 min为宜；黄奕沄等[21]对地板辐射供冷系统的除湿问题进行了研究；翁文兵等[22]提出了一种辐射供冷房间冷负荷的算法。

目前对于辐射供冷结合独立新风系统的系统运行总能耗问题研究较少。本文对上海某办公楼的地板辐射供冷系统进行了模拟研究，并设计顶板辐射供冷系统与其进行对比，进行了运行时间表的优化，探究了变水流量控制和变水温度控制两种策略对系统的控制效果，对系统能耗进行了研究。

1 建筑模型

1.1 建筑基本结构

本文的研究对象是上海一栋小型办公楼。建筑室内设计温度为26 ℃，室内设计相对湿度为60%，设计新风量为人均30 m3/h。该建筑共4层，各层的基本信息如表1所示。

建筑外墙墙体结构为0.01 m装饰灰泥、0.1 m隔热板和0.3 m混凝土，总传热系数为0.355 W/(m2·K)，各层的外墙面积如表2所示。建筑窗体的传热系数为1.26 W/(m2·K)。

表2 建筑外墙面积(单位：m2)

1.2 辐射地板基本信息

该建筑目前的供冷末端为辐射地板，其主要结构从上至下依次为装饰层、混凝土填充层及绝热保温层，水管埋于混凝土填充层中。在绝热保温层下还有防水层、找平层和墙体等结构。但由于绝热保温层热阻很高，可视为绝热材料，向下方传递的冷量可以忽略不计。在模拟计算时，仅需考虑墙体的热性能，而无需考虑其强度等参数。故在模型搭建过程中，不考虑绝热保温层以下的结构，仅构建绝热保温层及以上结构。

冷冻水管材料为耐热聚乙烯(Polyethylene of raised temperature resistance，PE-RT)，导热系数为0.43 W/(m·K)。冷冻水管布置管间距为0.2 m，管外径为0.02 m，管壁厚度为0.002 m。

1.3 辐射顶板基本信息

采用地板辐射供冷时，冷量在室内下部区域产生，需要由下向上传递，室内下方温度<上方温度。而由于冷空气密度>热空气密度，冷空气偏向于沉积在室内底部区域，所以室内垂直方向上冷热空气自然对流的效果减弱，稳定后室内温度在垂直方向上会出现较大的温度梯度。而室内平均温度是综合室内整体区域的空气温度计算得到的，在这种情况下，室内平均温度可能满足室内温度设计条件。但由于室内上下区域存在较大的温度梯度，人们会感觉头部较热，而脚部较冷，影响人体热舒适性。

若将地板辐射供冷改为顶板辐射供冷，室内冷源存在于上方，冷空气会自上而下地传递，自然对流效应较强，室内垂直方向上温度梯度减小，温度分布均匀性较好。且采用顶板辐射供冷时，上方空气温度<下方空气温度，这也符合人体“头凉脚暖”的健康原则。所以，针对该建筑基本情况，设计顶板辐射供冷系统，并进行模拟研究，与地板辐射供冷系统进行对比分析。

辐射顶板单元冷冻水管路材质为铜管，辐射板材料为铝板。铜管规格：管间距为0.2 m，管内径为0.012 m，单位面积最大供冷量为83.3 W/m2。

2 空调系统模型

采用Trnsys软件建立系统模型，对空调系统进行模拟计算。仿真系统主要分为4个部分，分别为建筑模型、气象数据、供冷系统和新风系统，如图1所示。

图1 Trnsys模拟系统图

2.1 建筑模型

建筑模型采用Trnsys中的type56模块，引入通过TRNBuild软件建立的建筑物理模型。在TRNBuild中设定建筑基本的物理信息，定义输入与输出参数，建筑主要参数如表3所示。

表3 建筑模型中的基本参数

2.2 气象数据

在气象数据部分，主要包括气象参数、焓湿图和虚拟天空温度3个模块。气象参数采用上海典型气象年数据。典型气象年气象数据的选取以近30年的月平均值为依据，从近10年的数据中选取某一年各月气象数据接近30年的平均值，将该年数据作为典型气象年。焓湿图用于查找当前室外环境对应的湿球温度，输入到虚拟天空温度模块中。然后可以根据虚拟天空温度计算建筑的太阳辐射得热情况。

2.3 供冷系统

采用一台空气源热泵提供冷冻水，将冷冻水输送至辐射板内水管中，用于室内供冷。在该模型中，空气源热泵的数据采用当前建筑实际的空气源热泵的数据，额定功率为39.2 kW，额定工况下的性能系数COP=3.21。由于辐射顶板供冷与辐射地板供冷系统的结构不同，故供水温度和流量不同，具体设计参数见3.1和3.2。

2.4 新风系统

新风系统主要包括送风风机、回风风机、热回收转轮、冷却盘管、空气源热泵和再热器等。新风与回风经过风机之后，在热回收转轮处进行热交换，初步降低新风温度，减少后续冷却除湿能耗。新风降温之后，再流经冷却盘管进行冷却除湿。冷却除湿采用一台空气源热泵提供冷冻水，额定功率为 18.8 kW，额定工况下的COP=3.19。经过冷却除湿后的空气温度通常较低，直接送入室内会产生吹风感，影响人体热舒适性。此外，送风口处温度较低，可能小于室内露点温度，造成送风口结露。所以，新风经冷却除湿后，需再经过电加热盘管进行加热，加热后送入室内。

新风量根据人数确定，故两种系统的新风系统采用相同的设计。各层新风量按照人均30 m3/h并结合表1中各层人数进行设定。新风系统冷却除湿使用的冷冻水流量为3 000 kg/h，设定冷冻水温度为7 ℃。新风电加热的设定温度为20 ℃。

3 系统模拟仿真

3.1 地板辐射供冷运行工况

建筑目前采用的供冷末端为辐射地板，故在该模型中，运行工况参数的选取均按照实际运行状况选取。其中供冷系统冷冻水的供水温度为14 ℃，冷冻水总流量为6 000 kg/h，冷冻水流量按照1.1中各层建筑面积进行分配。

3.2 顶板辐射供冷运行工况

顶板辐射供冷不同于地板辐射供冷。地板辐射供冷系统的水管被混凝土覆盖，上方还有其他结构；而顶板辐射水管嵌入铝板之中，铝板与空气直接接触。故顶板辐射的传热阻力<地板辐射，不宜采用温度过低的冷冻水，否则会出现顶板结露现象。所以，需要对顶板辐射系统重新设计运行参数。

使用Trnsys计算该建筑6～9月冷负荷，得到建筑各层的最大冷负荷。新风的送风温度为20 ℃，室内设计温度为26 ℃，故新风系统能够承担部分室内冷负荷，剩余室内冷负荷则由顶板辐射供冷系统承担。建筑各层的负荷如表4所示。

表4 建筑各层负荷情况(单位：kW)

室内设计温度为26 ℃，室内设计相对湿度为60%，可以查得室内露点温度为17.6 ℃。为防止辐射顶板及冷冻水管结露，冷冻水温度要高于室内露点温度1～2 ℃，故设计冷冻水供水温度为19 ℃。设计冷冻水供回水温差为2 ℃，计算得到各层冷冻水流量如表5所示。

3.3 结果对比

选取7月的一个典型日对上述两种系统进行仿真模拟，以建筑2层为例，地板辐射供冷系统与顶板辐射供冷系统的室内外温度参数模拟结果分别如图2和图3所示。

表5 建筑各层冷冻水流量

图2 地板辐射供冷系统温度参数随时间的变化

图3 顶板辐射供冷系统温度参数随时间的变化

通过对比图2和图3可知，辐射顶板降温速度相较于辐射地板有很大的提升。对于地板辐射供冷系统，地板温度在00∶00—08∶00持续降低，始终没有达到稳定状态；对于顶板辐射供冷系统，在00∶00时开始提供冷冻水，约0.5 h后，顶板温度即基本达到稳定状态。这是由于辐射顶板的冷冻水管直接经过铝板与空气换热，铝板的热阻较小，冷量能够快速地传递至室内。而辐射地板的管路需要埋于混凝土中，且地板表面须有装饰层，这些结构增加了传热阻力，冷量不能快速地向外传递。

在08∶00时室内人员与设备负荷产生，室内温度开始上升。经过1 h之后，室内温度基本恒定。18∶00 之后，人员与设备负荷为0，供冷系统继续工作，室内温度下降。考察08∶00—18∶00时有人员与设备负荷时的建筑热环境参数。对于地板辐射供冷系统，根据数据可得，室内平均温度为26.58 ℃，地板平均温度为23.07 ℃。新风系统连续运行，室内湿度持续处于较低状态，露点温度最高为16.92 ℃，因此可以保证不会出现结露的现象。对于顶板辐射供冷系统，室内温度整体降低，平均温度为25.73 ℃，降低了0.85 ℃；顶板平均温度为21.79 ℃，降低了1.28 ℃；露点温度最高为16.90 ℃。可以发现地板辐射供冷系统的供水温度较低，但表面温度反而较高。这是由于地板结构较复杂，很多冷量被地板吸收储存起来，具有较大的热惰性。

以6～9月整个供冷季为模拟时长，统计两种系统的系统部件总能耗，如表6所示。

表6 两种供冷系统中各部件能耗

注：变化率=(顶板辐射供冷能耗-地板辐射供冷能耗)/地板辐射供冷能耗。

由表6可知，相较于地板辐射供冷系统，顶板辐射供冷系统的供冷热泵能耗下降较多，各部件总能耗降低了4.59%。这是由于地板辐射供冷管路包裹于混凝土之中，大量冷量被地板储存起来，无法释放。若要为室内提供与顶板辐射供冷系统相同的冷量，地板辐射供冷系统就需要产生更多冷量，导致地板辐射供冷系统有更大的能耗。

4 系统优化与控制

根据上述研究结果，可以发现顶板辐射供冷系统相较于地板辐射供冷系统具有更好地温度调节能力，热惰性较低，提供相同冷量时能耗较低，且符合人体“头凉脚暖”的健康原则。故在上述研究基础上，对顶板辐射供冷系统进行进一步的优化控制，使空调系统能够更加舒适节能。

4.1 供冷系统运行时间表优化

该建筑空调系统目前的运行状况是24 h持续运行。但该建筑为办公楼，无需24 h满足设计温湿度，造成较多的能源浪费，不符合节能减排的基本要求。所以，需要对空调系统进行运行时间表的优化，并适当地调整供冷系统冷冻水参数，使其既能在工作时间满足设计要求，又能够降低系统能耗。

工作日及工作时间为每周一至周五08∶00—18∶00，非工作日无人办公，可以考虑将供冷系统的启停控制时间表设计为与工作时间相同。但顶板辐射供冷系统没有地板辐射供冷系统的蓄冷特性，若在晚上不运行供冷系统，在建筑内部就会积蓄大量热量，导致在运行初始阶段难以快速调节室内温湿度至设计要求，影响人员的舒适性。所以，将供冷系统运行运行时间表设计为每日07∶00—18∶00，相比工作时间提早1 h运行，以处理夜间产生的室内余热。

同样，供冷系统在周末也不能完全关闭，应适当运行。根据Trnsys计算得到该建筑6～9月的逐时冷负荷，统计各周非工作日平均日冷负荷与工作日平均日冷负荷，调整非工作日的冷冻水供应流量为工作日的50%，运行时间与工作日相同，以消除非工作日的室内余热，防止室内积存大量热量。

空调系统运行时间减少后，若仍按照前文的设计流量运行，就不能满足供冷需求。且6月和9月热负荷较低，若流量恒定不变，就会造成6月和9月温度偏低。所以，需要重新对供水流量进行设定，对于不同月份，分别设定流量，以满足设计要求。结合空调系统运行时间及供冷季期间不同月份的冷负荷差异性，适当调节各月份的冷冻水供水流量，如表7所示。

表7 不同月份冷冻水供水流量

4.2 供冷系统运行参数控制

目前该系统仅各月的供水流量不同，每个月仍定流量运行。但在实际运行过程中，每个月的温度数据也会有很大波动。因此考虑在表7所示的基础运行流量的前提下，对供冷系统分别设计冷冻水变水流量控制和冷冻水变水温度控制，对比两者的控制效果。

1)冷冻水变水流量控制

该建筑的室内设计温度为26 ℃。控制策略为当室内温度≥27 ℃时，供水流量为基础运行流量增加10%；当室内温度≤25 ℃时，供水流量为基础运行流量减少10%；当25 ℃<室内温度<27 ℃时，供水流量介于基础运行流量±10%之间，采用比例运算方法选取流量。

2)冷冻水变水温度控制

目前供冷系统冷冻水供水温度为19 ℃。根据3.3中模拟结果，建筑的最高露点温度为16.9 ℃，供水温度高于露点温度较多。所以，可以对该系统进行冷冻水变水温度控制，将供水温度设定为在18～20 ℃之间动态变化，温度控制信号采用室内温度。室内设计温度为26 ℃，当室内温度≥27 ℃时，供水温度采用18 ℃；当室内温度≤25 ℃时，供水温度采用20 ℃；当25 ℃<室内温度<27 ℃时，供水温度在18～20 ℃之间，室内温度越高，供水温度越低，采用比例运算方法选取供水温度。

4.3 模拟结果及分析

根据4.1及4.2的优化及控制策略，分别模拟变水流量控制系统和变水温度控制系统实际运行情况。

1)室内热环境分析

选取7月的典型日对两种系统进行模拟分析。图4所示为变水流量控制系统的室内温度的模拟结果。由图4可知，07∶00开始提供冷冻水，顶板温度与室内温度在1 h后，基本达到稳定状态。顶板温度稳定在22 ℃附近，室内温度维持在26 ℃附近，可以满足室内温度设计要求。开始供水之后，室内露点温度有所下降，低于18 ℃，不会有结露的情况发生。

图4 变水流量系统温度参数随时间的变化

图5 变水温度系统温度参数随时间的变化

图5所示为变水温度系统的室内温度的模拟结果。对比图4与图5可知，在07∶00时开始提供冷冻水之后，相比于变水流量控制系统，变水温度控制系统的冷却顶板温度很快达到稳定状态。经过一段时间稳定之后，温度参数与变水流量控制系统基本相同，均能够满足室内温度设计要求，且不会出现结露的情况。

2)系统能耗分析

对整个供冷季进行模拟，统计6～9月的系统能耗，结果如表8所示。

表8 两种控制方式下系统供冷季能耗(单位：kW·h)

由表8可知，两种控制系统能耗总体变化较小，变水流量控制系统的水泵能耗>变水温度控制系统的水泵能耗。这是由于变水流量控制系统在温度>26 ℃时，冷冻水流量会有所增加，因此水泵能耗也会增加。同时，可以注意到，该系统的除湿热泵能耗约占总能耗的24%，电加热能耗约占总能耗的20%，两者占比高达44%。这是冷却除湿后新风温度过低所致。除湿热泵降低了空气温度，而电加热又升高了空气温度，这两个部件的功耗有很大部分被浪费，可以考虑采用转轮吸附除湿或吸收除湿的方式。这两种除湿方式能够直接降低空气湿度，且可以与顶板辐射供冷系统采用同一套冷冻水系统，用于降低新风温度。这样既可以降低系统能耗，又能降低系统的管理控制难度。