地板辐射与新风制冷综合实验室设计及蓄冷研究

位振强，王晓龙，张文科，张丽丽，张林华

(山东建筑大学热能工程学院，山东 济南 250101)

地板辐射采暖在我们的日常生活中已经十分常见，新建的住宅楼、小区以及部分公共场所都采用了这种供暖方式.但采用地板辐射的方式来供冷在我们的实际生活中却并不常见.地板辐射供冷和供暖可以用同一套管路，节约了初投资成本，而且地暖管埋在地下，不仅不占用室内空间，还更加美观.传统的空调降温方式给人很强烈的吹风感，舒适感降低，地板辐射供冷的方式不会出现这种问题，我们引入的新风系统仅仅承担一小部分的冷负荷，风量较传统空调系统要小的多.在对地板辐射供冷的研究中，王子介[1]对地板辐射供冷方式进行了可行性研究，分析了露点温度对地板辐射供冷的可行性影响，同时介绍了一些工程实例.夏学鹰[2]将地板辐射供冷与地板辐射供冷/独立新风系统做了对比实验，比较了两种不同实验条件下的温度、湿度以及露点温度.李森生[3]建立了一个实验小室，对地板辐射供冷系统的温度、湿度进行研究.陈金华[4]通过改变通风方式来优化气流组织，改善地板辐射供冷的室内温度场及舒适度.曹法立[5]通过实验测定了地板辐射供冷房间温度场的分布，得出地板供水温度对室内温度的影响.张玲[6]对地板辐射供冷的热工性能，蓄冷特性进行了实验研究，为这种供冷方式的实际应用提供了参考.吴明洋[7]建立了混凝土辐射末端与维护结构的模拟计算模型，来研究混凝土辐射供暖房间的动态传热特性，并与工程实例结合，探究辐射末端惯性利用.李安邦[8]建立了内嵌管式辐射地板的简化RC模型，可以准确地计算出内嵌管式辐射地板的动态热响应.Jaewan Joe[9]提出了一种基于模型预测控制的智能运行策略来优化办公室辐射地板的性能，其可以在冷却季节节省34%的运行费用，在加热季节减少16%的运行费用.Linhua Zhang[10]以某节能示范地板采暖建筑为实验平台，提出了谷电运行结合蓄水池系统的运行方式，对于城市电网削峰填谷及节省运行费用起到了积极作用.Xiaozhou Wu[11]提出并建立了一种基于传导形状因子的辐射采暖系统的表面温度和传热简化计算模型，通过数值模拟的方式证实了其适用性，且为辐射供暖和制冷系统设计提供便利.Qingqing Li[12]提出了一种适用于地板辐射供冷系统的多层地板结构的简化传热计算方法，提出了等效热阻法并推导出地板表面温度分布的计算公式，有利于方便地估计地板表面温度分布和分析地板结构参数对地板热特性的影响.B.Lehmann[13]采用TRNSYS软件模拟了某办公建筑的峰值负荷，结果表明，由于地板辐射系统的热惰性和混凝土结构蓄热性，峰值负荷下降了约50%.刘军[14]详细分析了地板辐射供冷/暖系统传热过程，为计算冷热负荷提供帮助.卢军[15]对地板单独供冷、风机盘管单独供冷以及两者联合供冷三种方式进行实验研究，结果表明，地板辐射结合风机盘管的供冷方式无论在节能性还是舒适性方面都具有明显优势.孙媛媛[16]通过实验的方式，对地板采暖住户以及蓄热墙式太阳能实验房进行实测调查，得出了蓄放热特性，并对等效供热量进行修正，极大减少了设计供热量.本文对山东建筑大学新建辐射供冷实验室进行介绍，同时对变水温运行工况下的地板蓄冷量特性进行实验研究.

1 实验概况

1.1 外围护结构概况

山东建筑大学地板辐射供冷与新风复合空调系统实验平台占地面积约25 m2.实验室分为内室和外室两部分.外室长为5 m，宽5 m，高3.8 m，材料为100 mm厚保温板；内室长3.85 m，宽3.85 m，高2.6 m，材料为5 mm厚铁板.内室地面铺设有地暖管，房间壁面上设有送、排风口.内室与外室之间留有0.45 m空隙，空隙内通入热风，来模拟夏季室外环境.

1.2 测点布置情况

为保证实验的准确性，地面材料及结构与传统住宅楼保持基本一致.最底部铺设40 mm厚保温板，依次往上为30 mm豆石混凝土，20 mm保温板，反光膜，反光膜上敷设地暖管，地暖管铺设采用传统的、住宅楼较为常见的螺旋型布管方式如图3所示，保证可以产生均匀的地面温度.地暖管周围封50 mm厚豆石混凝土，其上部为20 mm水泥砂浆找平层，最终放置木地板.反光膜与保温板可以很好地防止冷量从地下散失，有效的提高冷量的反射和辐射能力，保证室内温度的恒定，确保实验的准确性.

图1 实验室外围护结构示意图

在地面设有8个热流传感器，用来测试室内空气与地面的热通量密度如图4所示.壁面的四个方向以及房间顶部中心处共设有5个热流传感器，用来测量壁面和屋顶与空气的热通量密度.房间地面还设有8个温度传感器组，每个传感器组包含4个温度测量点如图2所示，分别位于下层保温板上部，反光膜层上部，水泥砂浆上部以及木地板表面.地面共32个温度测量点，用来测量不同位置，不同结构间的实时温度变化.在四个墙壁表面和顶壁表面分别设有1个温度传感器，测量墙壁面的实时温度变化；在房间中心的不同高度处悬挂了3个温度传感器，用来测试房间内部不同高度的空气温度，分析室内空气温度分布.

图2 地面结构示意图

图3 盘管布置图4 地板辐射面温度、热流传感器布置图

1.3 地板辐射供冷系统运行概况

实验室采用地板辐射和新风复合的空调系统.如图5所示，经空气源热泵机组处理后的冷水，一部分进入地暖管，通过辐射的方式为房间提供冷量，消除大部分的冷负荷；另一部分冷水进入新风机组处理新风.空气源热泵机组功率较大，供水温度偏差比较明显，故加设一个电加热装置，使系统的供水温度稳定，基本保持在±0.3 ℃.辐射供冷末端设有流量调节阀和流量测量计，通过调节供水量，来分析不同水流量下的室内温度变化情况.此实验平台设有两个送风口和两个排风口，风管尺寸200 mm×400 mm，用来测试不同位置送风与不同位置排风对室内温度、湿度以及舒适度等的影响，我们还可调节送风量与排风量的大小，从而找出更好的送风方式.在夹层设有风机，由制冷压缩冷凝机组通过送风的方式对夹层的温度进行控制.在水路的高点设置排气阀，用来清除水管中的空气；在最低端设有排水管，保证在长时间不用时能够将设备中的水排掉.

图5 小室辐射供冷系统图图6 系统实物图

1.4 测试仪器

1.4.1 数据采集

整个实验室包括45个温度测量点，在内室的地板表面以及地面以下，共32个温度测量点，四面墙壁以及屋顶共5个测量点，室内供回水处各1个，室外机组冷冻水出水口处1个，室内中心高中低不同位置各1个，实验室夹层的上下各1个测温点；在风管通道中设有1个热线风速仪，在供水管管路设有涡流流量变送器.实验室的温度、湿度、风速、各处的热流量以及供回水温度、水流量由传感器测得，传感器与数据记录仪相连，如图7所示.将数据传到数据记录仪.数据记录仪屏幕显示实时数据，每间隔一分钟输出一次数据.

图7 数据记录仪

1.4.2 实验仪器

实验室采用以下实验仪器如表1所示.

表1 实验室仪器

2 地板辐射末端蓄冷实验研究

2.1 实验工况

在地板辐射供冷系统中，混凝土结构地板是一个具有较大热容量的围护结构，夏季供冷时，由于其较好的蓄冷能力，冷冻水提供的部分冷量会蓄在混凝土辐射末端，对室温的降低产生影响.研究这一特性，有利于掌握地板制冷末端从非稳态到稳态传热的时间周期，同时也可以了解蓄冷量存储规律，为研究释冷工作做好理论基础.本文通过实验的方式对夏季地板辐射供冷系统的蓄冷性能进行研究，实验工况如表2所示.

表2 实验方案

采用变水温的运行工况，分别选取7 ℃、9 ℃、11 ℃、13 ℃、15 ℃的供水温度，运行时间9 h，供水流量360 kg/h，室内送风风速0.75 m/s.实验采用定风温新风处理机组，新风送风温度为20 ℃.设置夹层温度作为室外环境平均温度在30 ℃至32 ℃之间周期性波动，即夹层温度降至30 ℃，机组自动启动，对夹层空气进行加热，当温度升至32 ℃，则机组停机，这一设定为了模拟夏季墙壁和顶棚的围护结构内表面温度.实验室房间初始温度为房间30 ±0.5 ℃，即济南地区夏季典型气象日在空调未开启之前的室内环境温度.

2.2 理论分析

冷冻水携带冷量的瞬时值为ql，而地板末端通过辐射与对流两种方式与室内发生热交换，对外释放的冷量为qc，这一冷量可以通过贴服在地表的热流传感器测试并读取.ql与qc两者的差值即为储存在地板的蓄冷量qx.三者满足如下关系式：

qx=ql-qc，

(1)

将瞬时蓄冷量积分，如公式(2)所示，便可以得到某个时刻的累计蓄冷量即总蓄冷量Qx.利用公式(3)，用总蓄冷量除以地表面积即可得到每平方米(单位面积)蓄冷量QA.

(2)

(3)

3 实验结果与分析

3.1 蓄冷量随时间的变化规律

经过实测和数据分析，得到在不同工况下，冷冻水的瞬时传热量和地表与室内环境的传热量，如图8所示

图8 冷冻水及地板表面传热量变化

由于混凝土结构辐射地板良好的蓄冷能力，使得系统运行前期，地板表面传热量很小，此后逐渐增加，在6 h之后，地板表面传热量达到峰值并趋于稳定，此时混凝土结构蓄冷量基本不再增加如图9所示，地板表面传热量与冷冻水传热量达到平衡.

图9 混凝土结构地板总蓄冷量变化

图9为地板总蓄冷量随时间变化曲线，从累计蓄冷量的曲线看，在不同供水温度条件下，曲线保持基本一致的趋势，蓄冷刚开始时，由于地板初始温度较高，因此蓄冷量增加很快，但是增长速度逐渐变小，约1个小时以后，其增长速度就比较缓慢了，3小时到4小时往后曲线逐渐平缓，趋于一条水平的直线.这意味着不同供水温度下，地板蓄冷能力的饱和，也就是qx≈0.

采用Matlab软件对数据拟合，发现其蓄冷量随着时间的变化规律比较符合指数模型

f(x)=a×eb×x+c×ed×x

(4)

的曲线变化规律，得到不同供水温度下，单位面积蓄冷量随时间变化的关系式.

当出水温度为7 ℃时，

QA=0.794 4e0.016 13t-0.794 1e-0.510 2t；

(5)

当出水温度为9 ℃时，

QA=0.721 8e0.017 72t-0.722 8e-0.526 7t；

(6)

当出水温度为11 ℃时，

QA=0.641 9e0.019 59t-0.644 0e-0.543 1t；

(7)

当出水温度为13 ℃时，

QA=0.597 8e0.018 35t-0.596 2e-0.503 8t；

(8)

当出水温度为15 ℃时，

QA=0.530 6e0.016 13t-0.535 7e-0.537 3t.

(9)

3.2 蓄冷饱和时间

通过上述分析，我们发现地板中蓄冷量的涨幅逐渐减小，最终趋近于0，此时便可以认为地板蓄冷量达到饱和.这一涨幅我们可以用公式(10)来表征其变化率.其中，Qn即当前时刻的总蓄冷量，Qn-1即上一个时刻的总蓄冷量.

(10)

不同供水温度时地板蓄冷量变化率的曲线，如图10所示，由图10可以看出，不同温度下，地板蓄冷量变化率曲线重合.这是由于各温度下的混凝土末端总蓄冷量(如图9)变化趋势基本相同.当地板蓄冷量变化率Δ≤1%，便可以认为蓄冷量增长速度足够小，地板蓄冷达到饱和状态.基于此，计算出各供水温度下，地板所到达饱和的时间，如图11所示.

图10 蓄冷量变化率曲线图11 蓄冷达到饱和状态所用时间

可以发现，在各工况下，地板从开始蓄冷到饱和状态所用时间相差不大，均在4.5 h左右.最先达到饱和状态的为供水温度15 ℃，这是因为供水温度较高，与环境温差小，较易达到饱和，而最慢达到饱和的为7 ℃，这是因为冷冻水温度较低，与环境温差大，有温差作为驱动力，蓄冷时间延长.

以上研究发现，供水温度对蓄冷饱和时间的影响并不大.

3.3 饱和时蓄冷量研究

当蓄冷变化率小于1%时，我们得到各工况的饱和蓄冷量，如表3所示.

表3 不同供水温度下的饱和蓄冷量

图12 不同温度下的地板蓄冷量比较

将饱和蓄冷量与全天9 h(工作时长)蓄冷量进行对比分析，如图12所示.

由图12可以看出，不同的供水温度对于地板结构蓄冷量有较大影响，供水温度越低，地板结构蓄冷量越大.在9 h的时间内，供水温度7 ℃时蓄冷量比供水温度15 ℃时蓄冷量高出0.25 kWh/m2，蓄冷量变化明显.前50%时间里，地板所蓄冷量占全天9 h蓄冷量的85%，因此，地板蓄冷存在急速蓄冷和缓速蓄冷两个状态.一般将蓄冷时间控制在4 h便可达到最大蓄冷的要求.

3.4 温度变化

房间与地板表面的温度变化曲线如图13所示，从图13中可以看出，供水温度越低，房间与地板表面降温越快，6 h后温度基本稳定.地板辐射供冷系统对室温的控制具有滞后性，当供水温度为7 ℃时，房间温度达到室内设计温度26 ℃所用时间约2 h，且供水温度越高，所用时间越长，因此，对于此系统，在实际应用中应提前开启设备，并根据供水温度的不同，调节提前开启时间.

4 结 论

本文介绍了山东建筑大学的地板辐射供冷实验室，系统的描述了实验室的整体构成，设备的运行流程、温度及其它测点的布置、实验仪器的选型.同时，对地板辐射系统夏季运行时，混凝土结构的蓄冷量进行了实验研究，结果表明：

(1)温度对混凝土结构地板的蓄冷量有较大的影响，冷冻水供水温度越低，蓄冷量越大.在前50%蓄冷时间里的蓄冷量占据一天总蓄冷量的85%以上.

(2)水温对饱和蓄冷时间的影响不大，达到饱和蓄冷量的时间基本在4.5 h左右.

(3)系统启动后，混凝土结构地板蓄冷存在急速蓄冷和缓速蓄冷两种状态，系统启动前期蓄冷较快，后期较为缓慢.

(4)当制冷启动时，房间降低有所滞后，供冷冷水温度越高，滞后时间越长，因此空调应该提前启动，并根据供水温度调整提前启动的时间.