不同空调末端冬季室内热环境试验研究

2020-12-25

流体机械 2020年11期

（安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243032）

0 引言

夏热冬冷地区冬季湿冷，气温日较差小，1月的平均气温为0～10 ℃［1］；该地区在建筑热工设计分区上属于非集中供暖地区［2］，随着经济社会的快速发展和居民生活品质普遍提升，夏热冬冷地区的人们对于供暖有了新的需求，因此从满足人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾角度出发，该地区必须采取适宜的供暖方式来满足居民对于冬季采暖的需求。

从气候特征和居民生活方式等方面分析，分户式采暖［3］更符合夏热冬冷地区居民的采暖需求，该地区的主要采暖设备是户式燃气炉热水供暖、户式多联空气源热泵供暖、房间空调器供暖、电加热供暖［4］，目前的采暖设备中空气源热泵由于具有投资成本低、节能效果显著、运行稳定等优点得到广泛的使用［5］；由于受空气源热泵出水温度限制，其末端通常采用风机盘管［6］或低温辐射采暖［7］，使用散热器采暖［8］较少；传统安装于天花板下的风机盘管供暖系统由于气流组织受限，热空气难以送达人员活动区，室内垂直温差大且有吹风感，而辐射供暖系统运行无噪声［9］、室内吹风感少［10］、垂直空气温度分布均匀［11］，所以通常认为辐射供暖比传统供暖方式具有更高的热舒适性［12］，但 Lin 等［13］通过客观试验和主观投票发现在持续供暖的情况下地板辐射、风机盘管、散热器这三种采暖系统在平均辐射温度、相对湿度、室内噪声等方面没有显著差异，主观性投票表明受试者稍微更喜欢地板辐射然而差异并不显著。因此夏热冬冷地区室内供暖末端选择还有待于进一步研究。

本文以空气源热泵为热源，以地板辐射、散热器、顶板辐射、风机盘管为末端的供暖系统进行研究，实测对比不同供暖系统的室温变化趋势，探究不同系统的室内热舒适，为夏热冬冷地区空气源热泵采暖选择合适的室内末端提供依据。

1 试验测试

1.1 试验末端

本试验在安徽工业大学建筑工程学院多末端供暖试验平台上进行，为测试地板辐射、散热器、顶板辐射和风机盘管4种供暖系统的室内热环境差异，试验房间地面敷设地暖盘管，顶板敷设明装毛细管，右侧墙壁安装铸铝散热器，天花板下方安装风机盘管，地板辐射与顶板辐射的敷设面积均满足室内热负荷要求，性能参数如表1所示。

表1 末端参数表

1.2 试验系统

试验系统的热源采用空气源热泵机组，通过机组控制面板可以制取40～60 ℃的低温热水。试验系统如图1所示。

图1 试验系统

试验测试于冬季（2019年1月初至2019年2月初）进行，系统供暖时间以工作时间为依据，取每天的8：00～18：00为供暖时间；本次试验设计供水温度为50 ℃，由于系统为定流量系统，所以各末端均按照设计最大流量运行；根据GB50736-2012《民用建筑供暖通风及空气调节设计规范》［14］规定，夏热冬冷地区民用建筑冬季室内设计温度范围为16～22 ℃，本文通过室内末端控制面板设定室内空气温度为16 ℃，以探究不同采暖末端室内热环境的差异。测试期间室外气象参数相近，室内试验人员1人，相邻房间均为供暖房间。

本文的主要测试参数有室内空气温湿度、室外空气温湿度、系统供回水温度、系统回水流量、地板表面温度、室内黑球温度等，测试时间间隔均为10 min，测试仪器的性能参数如表2所示。

表2 试验测试仪器

采用TR-72wf温湿度自记仪测量室内空气温湿度，MI6401热舒适仪测量室内黑球温度、空气流速，根据GB/T50785-2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》［15］，测点位于房间对角线3等分点处，距离地面0.6 m；采用K型热电偶测量地板表面温度，测点位于房间地板对角线3等分点处；采用5 kΩ嵌入式热电偶测量供回水温度；TR-72wf温湿度自记仪测量室外空气温湿度，测试期间仪器放置室外通风处，无遮挡，无太阳直射；采用LWGY-20C涡轮流量计测量系统回水流量，测试仪器参数如表2所示。

2 试验结果

2.1 室内空气温度

为了比较不同供暖系统室内热环境的区别，选择当天采暖时间8：00-18：00及结束采暖后18：00-次日8：00时间段进行分析。从图2中可以看出各采暖工况下室外气温差别不大，采用地板辐射、散热器、顶板辐射、风机盘管供暖室外平均温度分别为 6.5，4.8，5.7，4.6 ℃，室外最低气温分别为 4.8，3.8，5.3，3.8 ℃，且测试期间室外均为阴天。从图2中的室内环境空气温度变化曲线可以看出：

（1）在供水温度相同，室内初始温度相似的情况下，在房间开始采暖后，室内温度均随时间呈指数变化，其中散热器采暖的室内温度热响应最快，地板辐射与顶板辐射采暖次之，风机盘管采暖室内热响应最慢，各末端室内温度上升到冬季供暖室内最低设计温度16 ℃的时间分别为1，0.5，1，3 h。造成风机盘管室内热响应较慢的原因是风机盘管安装在天花板下，气流组织较差，顶部出现热空气堆积，室内垂直方向温差较大，室内温度响应较慢。

（2）在房间停止采暖后，室内温度均呈现下降趋势，其中散热器与风机盘管采暖室内温度下降速度较快，采暖结束后经过2.5，3 h室内温度下降到16 ℃，而地板辐射与顶板辐射采暖室内温度下降速度较慢，采暖结束后经过8.6，6 h室内温度下降到16 ℃。这是由于风机盘管与散热器采暖水体与围护结构蓄热量较少，在房间停止供暖后空气温度下降较快；而地板采暖与顶板采暖，末端的结构层及围护结构具有较大的热容量，因此当房间停止供暖后，结构层与围护结构所储存的热量释放给室内，导致室内的温度缓慢降低。

（3）在房间停止采暖后，顶板辐射的室内温度下降速度快于地板辐射，这是由于顶板辐射采用毛细管裸露安装，没有结构层蓄热。

图2 不同末端室内外温度变化

2.2 供回水温度

不同供暖系统供水、回水温度随时间的变化如图3所示，从图可以看出：

（1）虽然各工况下室外空气温度有所不同，但系统的供水温度变化较小处于稳定状态约为47.0 ℃，说明机组运行状态稳定，基本不会受室外空气温度影响；

（2）由于各末端的传热特性与传热面积不同，导致了各供暖系统的供回水温差不同，地板辐射采暖的温差最大为6.5 ℃，顶板辐射与风机盘管采暖的温差为3.4 ℃，散热器采暖的温差最小为1.9 ℃。由于温差与系统水流量成反比关系，而水泵耗功功率与流量成三次方的正比关系［16］，因此对这4种系统而言，散热器采暖的输配系统能耗最大，顶板辐射与风机盘管采暖次之，地板辐射采暖最小。

图3 不同末端供回水温度变化

2.3 热舒适度评价

使用热舒适仪对室内热舒适进行测量，人体代谢率取1.0 met，人体服装热阻取冬季典型着装热阻 0.20 m2·℃ /W［17］。不同采暖末端室内热舒适指标-不满意百分数（PMV-PPD）随时间变化如图4所示。

图4 不同采暖末端室内热舒适指标和不满意百分数

从图可见：

（1）当房间开始采暖后，各采暖末端室内PMV随时间而增大，PPD随时间而下降；当室内环境参数稳定时，PMV和PPD趋向平稳；

（2）当房间开始采暖后，不同采暖末端的PMV和PPD的范围区间有所差别。当系统稳定后，地板辐射、散热器、顶板辐射、风机盘管采暖室内PMV分别为 0.10，-0.29，-0.41，-0.65，PPD分别为 5.81%，7.75%，9.93%，14.93%；根据文献［18］对PMV和 PPD的规定（-1≤PMV≤+1，PPD≤25%），所有末端均满足要求；根据文献［15］中对于热舒适的评价指标，地板辐射、散热器、顶板辐射采暖室内热舒适满足Ⅰ级评价指标（-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%），风机盘管采暖室内热舒适满足Ⅱ级评价指标（-1≤PMV＜-0.5，10%＜PPD≤25%）。

2.4 地板表面温度

在各个采暖末端的试验中，地板表面温度的过高或过低都会导致人体产生局部不满意率，根据文献［15］采用下式计算地板表面温度引起的局部不满意率LPD3。

式中LPD3——局部不满意率，%；

tf——地板表面平均温度，℃。

不同末端地板表面温度分布及引起的不满意率如图5所示。

图5 不同末端地板表面温度分布及引起的不满意率

图5（a）为不同末端地板表面温度随时间变化曲线，可以看出在系统开始采暖之后，地板辐射采暖地板表面温度迅速升高，其余3种末端地板表面温度变化情况相似；在各工况稳定之后，地板表面平均温度分别为 29.0，17.0，16.9，15.9 ℃，地板辐射的表面温度满足JGJ142-2012《地面辐射供暖技术规程》中对人员经常停留的地板表面温度要求［19-27］。图5（b）为地板表面温度引起的局部不满意率，可以看出在相同的供水温度下，地板辐射采暖时地板表面温度最高，由此造成的局部不满意率最低，散热器次之，顶板辐射和分机盘管最差；在各工况稳定之后，平均局部不满意率分别为12.33%，15.29%，15.66%，18.59%，根据文献［15］中的评价指标，地板辐射采暖地板表面温度局部不满意率满足Ⅰ级指标（LPD3＜15%），其余采暖末端满足Ⅱ级评价指标（15%≤LPD3＜20%）。