窗墙比对供暖房间热舒适及系统能耗影响研究

刘 娜 刘 东 李涫宇 周浩天

（西南科技大学土木工程与建筑学院 绵阳 621010）

0 引言

公共建筑不断呈现出窗墙比不断扩大的趋势，但采用了大面积玻璃窗、玻璃幕墙等透明围护结构后，会极大影响建筑能耗及舒适度[1]。研究者也对开窗的影响进行了相关研究[2-5]。Hassouneh 等人[6]通过模拟研究不同类型的玻璃窗户对建筑能源平衡的影响，研究发现在冬季，根据不同的玻璃类型，增加南向的玻璃面积可以节省更多的能源，而在北方方向节能的最佳途径是尽可能减少玻璃面积，在东西方向增加各种类型玻璃的玻璃面积，可以提供很好的节能机会；Ochoa 等人[7]从能耗和光环境舒适综合评价窗墙比，结果表明，能带来良好视觉舒适度的最佳窗户尺寸通常会导致大量的能源消耗。

当室外拥有较强的太阳辐射时，窗户开大使得更多的太阳辐射照射到室内，有利于营造良好的室内热环境；Marino 等人[8]研究了太阳辐射对室内环境热舒适的影响及其对建筑能耗的影响，研究发现尽管太阳辐射可以改善室内舒适度，但它可能会导致建筑的能源需求增加；刘艳峰等人[9]对拉萨建筑的室内外环境进行了测试，研究结果表明，即使在没有采暖系统的房间里，南向房间室内温度仍然可以满足任意热舒适，而且没有内外遮阳的房间室温比有内外遮阳的室温高出1.1℃，由此得出太阳辐射对冬季采暖有积极影响。Gasparella 等人[2]通过TRNSYS 模拟研究发现大玻璃的使用提高了冬季性能，但稍微恶化了冬季负荷的峰值。Mohamed等人[10]通过模拟证实了太阳斑在地板辐射上的唯一会导致辐射区的过热，影响室内热舒适。陈辰等人[11]通过CFD 模拟研究发现，太阳辐射直射到室内地面时会造成地面温度升高，热水供热量明显减少，并且室内太阳直射区和非直射区地面平均温差高达5.6℃。

为了更明确夏热冬冷地区窗墙比对冬季采暖系统的运行特性影响，本文搭建不同辐射末端供暖实验台，对风机盘管和地板辐射末端形式下的供暖特性进行实验测试，并分别就窗墙比对室内温度，垂直温差，室内舒适度等的影响进行分析。

1 实验

1.1 实验系统及测试房间介绍

在夏热冬冷地区（四川绵阳）办公楼内安装空气源热泵为主机的风机盘管和地板辐射双末端供暖系统，系统如图1所示，系统由空气源热泵、对流末端、辐射末端、蓄热水箱、分集水器、一次水泵和二次水泵等组成，其中热源为户式空气源热泵机组（YVAG02RS）一台，该机额定供热量为12.6kW，制热输入功率为3.8kW；其中对流末端为风机盘管（TBFL-56）两台，额定供热量为9.9kW；其中辐射末端为地板辐射系统采用干式地暖模块，其构造如图2所示，地盘管采用螺旋迂回形布管方式，管径为10mm，管间距为90mm。

图1 实验系统图Fig.1 Experimental system

图2 地板结构示意图Fig.2 Floor structure

测试房间尺寸为8.25m×7.89m×3.2m，其外墙立面朝西，传热系数0.83W/(m2·K)，东墙毗邻走廊，其余均为内墙，内墙传热系数为1.57W/m2。外窗采用断桥铝合金双层中空钢化玻璃（6+9A+6），传热系数3.40W/(m2·K)，太阳得热系数SHGC 为0.61。室内主要蓄热体包括地板和墙面，测试房间墙面反射系数0.75，地面铺设木质地板，其表面反射率为0.4。

1.2 实验测量

测试时间为冬季供暖期（12月、1月）。实验期间室内遮阳窗帘处于开启状态并且实验系统全天开启，进行风机盘管供暖（FC）和地盘管供暖（RF）两种不同系统的连续性实验研究。实验测试期间将主机供水温度统一设定为40℃，风盘和地盘管室内温控器分别设置为21℃和22℃；实验期间为减少室外空气的渗透作用，将室内窗户关闭，并开启室内新风机以满足室内人员新风需求；实验时办公人员穿着1.2clo 的冬季服装并以坐姿状态静坐办公，为了保证测试的真实性，实验中允许办公人员有较轻的活动。

为了更好进行窗墙比的影响测试，利用等效热阻的方法在玻璃面上粘贴一层30mm 厚的铝箔隔热棉替代建筑围护结构，从而实现外窗玻璃面积大小的改变。按照Peng 等人[5]的研究结果，结合实验室的实际情况，将窗墙比的研究范围设定为40%～80%，以10%递减，除窗墙比为80%外，其余情况均是通过粘贴铝箔隔热棉实现，如图3所示。

图3 窗墙比改变形式Fig.3 Window-wall ratio changes form

1.3 测点分布

为了更好进行实验测试，建立实验测量系统，本实验所涉及的测试参数主要有室内空气温度、相对湿度，围护结构内表面温度，室内垂直空气温度，室内风速，室外空气温度、相对湿度，设备用电量。实验期间，室内外温湿度采用温湿度传感器测量；室内壁面温度采用温度传感器测量；室内垂直温度采用热电偶测量；室内风速采用分体式风速传感器测量；系统设备用电量用单相电子式电能表测得。实验所有测量仪器在实验期间持续工作，并以10分钟为单位进行数据记录。实验所用测试仪器参数介绍如表1所示，实物如图4所示。

表1 仪器测量范围与误差Table 1 Instrument measurement range and error

图4 环境测试仪器Fig.4 Environmental testing instrument

本文实验测试房间的测点分别为室内空气温湿度测点、围护结构内表面温度测点与室内垂直温度测点。室内空气温湿度测点及房间风速测点均位于房间中心位置，放置在据楼板高度分别为0.79m和0.76m；围护结构内表面温度的测点布置如5（a）所示，垂直温度测点分布位置从门到窗分别为C、A、B，分别连续测量距地0.45m、0.90m、1.35m、1.80m、2.25m 处空气温度值，具体位置如图5（b）所示。

图5 室内测点布置图Fig.5 Indoor measuring points

1.4 数据处理

1.4.1 平均辐射温度

平均辐射温度（）是人体热计算中的一个关键因素。它是与受试者在实际环境中辐射换热量相等的一个假想的温度均匀的黑色封闭空间的辐射温度[12]。平均辐射温度可以通过式（1），从周围环境表面的角系数和壁面表面的测量温度计算出来。

式中，Fj为周围环境第j个表面的角系数；tj为周围环境第j个表面的温度，℃。本文Fj使用的是周围环境第j个表面的面积比重，即，A指测试房间表面积，Aj指周围环境第j个表面的面积。

1.4.2 热舒适评价

本实验中监测系统通过将实测值（室内空气温度、壁面温度、室内风速等）和输入值（人体能量代谢率、人体所做机械功、服装热阻和壁面面积等）带入系统内PMV（Predicted Mean Vote）和PPD（Predicted Percentage Dissatisfied）计算式，得出不同室内热环境下的PMV 与PPD 值。通过与Fanger 教授提出的7 级分度的PMV 指标对比来评价一个热环境舒适与否，如表2所示。

表2 PMV 热感觉标尺Table 2 PMV thermal sensing scale

1.4.3 垂直温度无量纲化

为了更好对比不同时间点、不同测点处沿垂直方向温度的变化，将每一点的垂直温度进行无量纲化处理，具体操作如下：

式中：η为垂直温度无量纲化后的值；Tmax为垂直温度最大值，℃；Tmin为垂直温度最小值，℃；T为该时间点、该测点下的垂直温度值，℃。

2 结果与讨论

2.1 室内外温度

图5（a）为不同窗墙比下两种末端形式下室外空气温度随时间变化的曲线。为了减小室外空气温度对室内热环境的影响，本文选取冬季室外温度变化相近的进行实验对比。从图中可以看出，除了WWR50%（FC）这一工况外，其余工况的室外温度范围和温度波动趋势一致，中午12:00，在太阳辐射的作用下，室外温度均出现上升趋势。

图5（b）为不同窗墙比下两种实验系统的室内空气温度的分布情况（图中左侧表示为RF 系统，右侧表示为FC 系统）。从图中可以看出，在RF 末端作用下，不同窗墙比的温度分布范围始终维持在18.5℃～20.5℃之间，波动幅度较小，变化相对稳定。并且随着窗墙比的不断增加，图形也变得更宽，波动更小，表明室内温度在舒适范围内出现频率增加，并且变化趋于稳定，说明太阳辐射对冬季采暖有积极的影响；在FC 末端作用下，不同窗墙比的温度分布范围大多数维持在18.5℃～23.5℃之间，对比RF 末端作用下的室内温度图形，FC 末端作用下的室内温度波动更大，变化相对不稳定，这是由于在FC 末端作用下当室内温度达到一定值时，其存在间歇运行的状态。因此，随着窗墙比的增加，不论是FC 系统还是RF 系统，其温度波动都会变大，但FC 系统比RF 系统室内温度波动更为明显。

图5 室内外空气温度Fig.5 Indoor and outdoor air temperature

2.2 室内垂直温度

当有太阳辐射照射时，窗户玻璃面积的大小会影响摄入室内的辐射量进而影响室内热环境。为了清楚的观察到不同测点沿垂直方向温度的变化，图6和图7绘制了各工况在6:00、12:00、18:00 时的无量纲化垂直温度的分布热图，图上各方格上的值为对应高度的无量纲温度值。如图所示不同窗墙比下各对应3 列，从左到右分别表示测点C、A 和B处对应高度的无量纲温度值，从图中可以清楚的观察到室内纵向温度变化呈现出随高度的增加而升高的趋势；由于不对称辐射的影响，室内C、A、B 三点温度变化不同，室内中心处垂直温度相对高于靠窗及靠墙位置。

对比图6和图7可以发现，当FC 系统供暖时，由于冷空气密度大于热空气密度，冷空气沉在房间下方，热空气就长时间停留在房间上空，使得上方空气温度升高，而与房间下方空气温度相差较大，会出现“上热下冷”的温度分布不均匀的情况。而RF 系统供暖的室内垂直温度梯度变化较小，沿垂直方向温度分布均匀，符合人体生理取暖的舒适要求。当有太阳辐射存在时，不论是FC 系统还是RF系统，室内各测点垂直温度都会随着窗墙比的增加有所上升。但是在RF 末端作用下，当太阳辐射照射在地板上，地面温度升高较为明显。

图6 不同窗墙比下RF 系统供暖时室内垂直温度分布图Fig.6 Indoor vertical temperature distribution of RF system heating under different window-wall ratios

图7 不同窗墙比下FC 系统供暖时室内垂直温度分布图Fig.7 Indoor vertical temperature distribution of FC system heating under different window-wall ratios

2.3 室内热舒适

图8为不同窗墙比不同供暖系统下室内人员热感觉评价PMV 分布情况（图中左侧表示为RF系统，右侧表示为FC 系统）。从图中可以看到在RF 系统下，PMV 值大致范围在0～0.5 之间，即大部分处于“适中”和“稍暖”的中间状态，随着窗墙比的增加，进入室内的太阳辐射量增加，平均辐射温度有所增加，使得PMV 值有所升高，逐渐偏向于更“稍暖”的状态；并且图形的宽度增加，表明PMV 值在舒适范围内出现的频率增加。在FC系统下，PMV 值大致范围在-0.3～0.4 之间，大部分热感觉处于“适中”状态，随着窗墙比的增加，FC 末端作用下的PMV 值在舒适范围内出现的频率有所增加，但是没有RF 末端作用下的效果明显。对比RF 末端作用下的PMV 值的图形，FC 末端作用下的PMV 值波动更大，变化相对不稳定，这是由于太阳辐射对平均辐射温度的影响很大，PMV又受平均辐射的影响，而RF 末端作用下辐射作用更加强烈。因此，在RF 系统下，室内热舒适性更好。

图8 不同窗墙比不同系统下室内PMV 分布情况Fig.8 Indoor PMV distribution in different systems with different window-wall ratios

2.4 系统能耗

本文系统能耗用用电量表示，当日能耗指所有设备（主机、末端设备、水泵等）运行耗电量之和。图9为不同窗墙比不同末端作用下系统能耗情况（图中左侧表示为RF 系统，右侧表示为FC 系统）。从图中可以发现窗墙比为60%时不同末端作用下的系统当日所消耗的能耗差别不大。在RF 末端作用下，由于窗墙比为40%和70%的室外温度较高，所以其当日系统能耗略低，而其余工况的系统每日能耗随着窗墙比的增加略微的增加，这说明随着窗墙比的增加，虽然由于窗户作用，晚上会使热损耗增加，但是白天进入室内的太阳辐射量增加有利于增加室内得热量。由于对流作用能使室内温度达到设计温度的时间相对较快，当满足室内设计温度时，其会存在间歇运行状态，再一次开始运行时能源消耗较多，因此在FC 末端作用下，随着窗墙比的增加能耗有所增加，并且增加的幅度大于RF 末端作用下的。对比两种不同末端可以发现，在系统供水温度相同的情况下，为满足室内设计温度的要求，创建舒适的室内热环境，RF 系统相比于FC系统耗能较少。

图9 不同窗墙比不同系统下系统当日能耗Fig.9 The energy consumption of different systems under different window-wall ratios

3 结论

本文为探究夏热冬冷地区窗墙比对冬季采暖系统的运行特性影响，进行风机盘管和地板辐射两种不同末端形式的供暖特性实验测试，并分别就窗墙比对室内温度，垂直温差，室内舒适度等的影响进行分析，得到以下几点结论：

（1）随着窗墙比的增加，两种供暖系统室内温度波动增大。RF 供暖系统下室内温度范围在18.5℃～20.5℃之间波动，而FC 供暖系统下室内温度范围在18.5℃～23.5℃之间波动，但RF 系统比FC 系统室内温度波动幅度小，变化稳定。

（2）由于不对称辐射影响，室内中心处垂直温度高于靠窗及靠墙位置；两不同末端作用下的室内各测点垂直温度随着窗墙比的增加有所上升。在RF 末端作用下，地面温度升高较为明显，并且RF系统作用下的室内垂直温度梯度变化较小，符合人体生理舒适要求。

（3）当白天室外温度升高，随着窗墙比的增加，进入室内的太阳辐射量增加，辐射作用下平均辐射温度增加明显，PMV 值随着窗墙比的增加而增加，并且变化相对稳定。在FC 系统下，PMV 值大致范围在-0.3～0.4 之间；在RF 系统下，PMV值大致范围在0～0.5 之间。因此，RF 末端作用下的供暖系统，房间热舒适性更好。

（4）两种不同末端作用形式的系统每日能耗均随着窗墙比的增加而增加，由于FC 末端作用时存在间歇运行状态，其系统能源消耗高于RF 系统。