辐射供冷位置对室内热舒适和能耗的影响分析

张雨虹，宋永兴，张林华

(山东建筑大学热能工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

传统空调系统通过对流换热实现制冷，而辐射供冷则主要利用辐射换热实现房间的冷却[1]。 辐射供冷具有节能、室内热舒适性高等明显优势。 辐射板可以布置在地面、顶板或墙壁，形成不同的供冷方式[2]。 采取独立新风，可以解决辐射供冷辐射面容易结露和滋生细菌的问题，辐射供冷加独立新风的复合空调系统可以实现温度、湿度的独立控制，具有提供新风、清洁、室内热舒适性高等优点[3]。 近年来，学者们对不同辐射供冷末端位置的传热性能和室内热环境开展了相关研究。 Chiang 等[4]运用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)模拟与实验结合的方式，研究了辐射顶板供冷在办公室的舒适性，并提出了改进建议。 夏梦寒等[5]采用Airpak 软件数值模拟了邮轮舱室不同辐射供冷末端位置的舒适性，对比分析了舱室内温度和速度分布，表明辐射供冷顶板在x 轴方向的温度分布更加均匀。 黄立志等[6]采用能耗分析软件EnergyPlus 分析了7 种辐射供冷方式的热舒适和能耗，发现“风机盘管＋顶板辐射＋双壁面辐射”的组合供冷方式舒适性和节能效果最佳。 Valdiserri 等[7]对医院辐射供暖系统进行模型及实验分析，分析了影响室内热舒适的响因素，包括室内空气温度、相对湿度及预测平均投票(Predicted Mean Vote， PMV)、预测不满意百分数( Predicted Percentage of Dissatisfied， PPD)等，发现提供中性空气时达到最佳的热舒适度。 杨雨佳等[8]分析了冷辐射板位于办公室顶棚、地板、侧墙上部和侧墙下部的室内温度场和流场，得出垂直墙壁上侧布置的供冷效果最佳的结论。 杨冬等[9]从室内垂直温差、PMV－PPD 指标以及吹风感等方面对比了地面和顶板辐射供冷的热舒适情况。

目前对地面和顶板辐射供冷的研究较多，但仅分析了室内热环境，对墙面以及热舒适和能耗的综合分析研究较少。 因此，文章采用新型空调系统－辐射供冷加独立新风的复合空调系统，对比分析地面、顶板和墙面3 种辐射供冷位置对房间舒适度和能耗影响规律。

1 房间模型的建立

1.1 房间几何模型

以山东建筑大学地下工程训练中心实验室某房间为研究对象，其面积约为25 m2、高度为2.7 m。建筑为南北朝向，其中两扇窗位于南外墙，长和高均为1.8 m；门位于北内墙，长和高分别为0.9、2.1 m，窗墙比为21.65。 根据房间建筑尺寸构建房间三维模型，如图1 所示。 房间的长和宽均为5.0 m、高为2.7 m。 x、y、z 方向分别为房间的西面、北面和高度方向。

图1 房间几何模型示意图

1.2 数值边界条件及参数设定

办公楼为钢筋混凝土框架结构，外墙保温采用聚苯乙烯板，其总厚度为0.276 m，传热系数为0.504 W/(m2·K)。 太阳辐射吸收系数为0.7，而内、外表面换热系数分别为3.06、17.78 W/(m2·K)；外窗玻璃为Low－E 中空玻璃，玻璃传热系数为1.1 W/(m2·K)，内、外遮阳系数均为0.5。 地板材料和结构与传统公共办公建筑标准地板结构一致。

辐射末端为金属辐射板，由形状相同的长条形肋片组成，盘管由卡槽安装在肋片中，其间距为200 mm，外径为20 mm，管壁厚度为2 mm。 辐射板换热主要包括:(1) 管内的冷媒通过对流和导热将热量传递到管壁；(2) 管壁通过导热将热量传递到辐射板上；(3) 辐射板表面通过对流和辐射形式与整个空间进行热量交换[10]。

室外气象参数选取济南夏季典型气象日参数，由全球气象资料软件Meteonorm 导出，根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[11]，普通办公建筑室内辐射空调设计温度为27 ℃。 室内热源主要为人员、照明和设备，人均新风量为30 m3/h[12]、人体服装热阻为0.7 clo、人体的代谢率为69.78 W/m2、人体的机械效率为0，每人及单个设备的内扰使用情况见表1。

表1 房间单位内热源参数 单位:kJ·h－1

2 辐射供冷加独立新风复合空调系统的建立

2.1 负荷模拟与系统选型

双冷源辐射空调系统原理如图2 所示。 采用两个冷水机组，即提供辐射供冷的高温冷水机组和提供新风的低温冷水机组，可以最大地发挥辐射末端的供冷能力。 新风系统承担了室内全部的潜热负荷，同时又减少了冷量的提供[13]。 这种能够实现独立控制温湿度的系统可以有效防止辐射壁面结露，从而提高室内空气品质和热舒适性，也可以显著提高空调系统的能效。

图2 双冷源辐射空调系统原理图

结合济南地区室外天气数据，连接瞬时系统模拟程序( Transient System Simulation Program，TRNSYS)中的Type56 模块和TRNBuilding 模块[14]，模拟建筑夏季冷负荷，其模拟系统如图3 所示。 模拟时间设为3 624～6 192 h(2022 年6 月1 日0:00—9 月16 日23:59)。 负荷模拟结果如图4 所示，可以看出冷负荷在夏季波动较大，其最大值为1.44 kW，出现在7 月24 日10 时(全年第4 906 h)。 冷负荷大部分时间都低于0.8 kW，在7 月11 日、7 月12日、7 月24 日、8 月11 日处于高峰期，这段时间也是室外温度较高的时间。

图3 负荷模拟系统图

图4 负荷模拟结果图

根据冷负荷进行空气源热泵机组选型[15]，高温冷水机组额定制冷量为1.0 kW，冷冻水出水温度为14 ℃；低温冷水机组额定制冷量为1.1 kW，冷冻水出水温度为7 ℃。 两个机组的额定机组能效比(Coefficient of Performance， COP)均为3.225。

新风系统的功率Pf由式(1)表示为

式中G为新风量，m3/ h；pq新风机全压，Pa；ηf为新风机效率。

水泵的流量和功率分别由式(2)和(3)表示为

式中V 为水泵流量，m3/h；Qr为机组额定制冷量，kW；ΔT 为供回水的温差，℃；Pb为水泵功率，kW； H为水泵扬程，m；ηb为水泵效率。

假设办公室内的人数为2，新风量则为60 m2/h，新风机全压为400 Pa，效率为0.65，则水泵参数计算结果见2。

2.2 系统模型

利用TRNSYS 软件建立了辐射供冷加独立新风的复合空调系统模型，如图5所示，包括天气数据、建筑模型、冷水机组、新风机组、水泵、控制部件以及输出。 其中，第1 部分是外部参数的设置，气象数据为济南市室外气象参数，包括室外空气干球温度、湿球温度和太阳辐射强度，与Type56 模块(建筑物模型)连接提供逐时气象参数；第2 部分是高温冷水机组循环系统，主要包括高温冷水机组和冷冻水泵，提供14 ℃冷冻水进入辐射板为房间制冷；第3 部分是低温冷水机组循环系统，由低温冷水机组制造7 ℃冷冻水为室内提供新风，控制室内湿度；第4 部分是Type56 模块(建筑物模型)，这是系统的关键部分，其中围护结构的参数按照表1 设置，房间内扰按照表2 设置，辐射板的面积、管直径、流量等参数也在此设置；第5 部分是控制系统，包括时间控制和温度控制，温度控制系统控制空调系统室内温度20～26 ℃范围内不运行，从而影响冷水机组和水泵的运行，时间控制系统可以控制1 d 内的空调运行时间，该模型是控制空调系统在办公时间(8:00—18:00)运行。 将设置好的各个部分连接，运行系统，输出参数，包括房间温度、相对湿度、冷水机组温度、含湿量、PMV－PPD、制冷量、能耗、机组COP 等。

表2 水泵参数设置

图5 辐射供冷加独立新风复合空调系统模型图

所建模型包括两个循环系统:(1) 高温冷水机组控制的循环系统，在制冷状态下，低温低压的制冷剂通过蒸发器将室内空气热量吸收，变为低温低压气体，经压缩机升温升压，再通过冷凝器冷却，由循环水路将制冷剂所携带的热量吸收，并将热量释放到大气中；(2) 低温冷水机组控制的循环系统[16]，由新风机组处理为室内提供新风，可承担全部室内潜热负荷及部分显热负荷，以高于室内空气露点温度提供新风，室内辐射末端采用14 ℃高温冷冻水供冷，使辐射板温度高于露点温度，这样温、湿度独立控制可防止结露。

ISO 7730 中用PMV－PPD 指标来评价房间热舒适性[17]。 人体舒适热平衡方程由式(4)和(5)[18]表示为

式中M 为人体代谢率，W/s； Q 为热舒适时能量传输率，W/s。

模拟辐射板分别置于地面、顶板和墙面的3 种运行工况，在一般办公时间(8:00—18:00)，对比分析不同辐射供冷方式对室内热环境和能耗的影响。

3 结果分析

3.1 热舒适性分析

3.1.1 相对湿度

相对湿度过大会导致皮肤湿润度增加，也就是所谓的会感到皮肤“黏着”，从而导致不舒适。 根据舒适性要求，相对湿度应在40%～60%之间。 设计日运行时间8:00—18:00 室内温度和相对湿度变化如图6所示。 在8:00—10:00 时段，空气温度、相对湿度波动不大，在10:00 时由于太阳辐射增强，室内人员、设备等内扰增强，高温机组除了承担热负荷外，还需承担一部分新风负荷，室内空气温度升高，相对湿度随即降低。 13:00 时太阳方位角较高，太阳辐射不能直射室内，室内温度降低，相对湿度迅速升高，可能会造成不舒适感，需要大量的新风来承担潜热负荷。 由此可见室内空气温度变化影响着相对湿度，气温升高，相对湿度减小，气温降低，相对湿度增大。 地面、顶板、墙面3 种辐射供冷形式的相对湿度最高值均出现在15:00，其值分别为54.85%、55.86%、57.21%，墙面辐射供冷的相对湿度最大，地面辐射供冷的相对湿度最小。 3 种辐射供冷形式下，室内相对湿度变化趋势相同，均在40%～60%范围内波动。

图6 室内温度和相对湿度变化图

3.1.2 辐射壁面温度

辐射壁面温度变化如图7 所示。 3 种辐射壁面温度在8:00—10:00 缓慢升高，10:00 以后快速下降。 这是由于夏季早上室外温度逐渐升高，同时围护结构夜间蓄热，空调刚开启时不能充分冷却壁面，所以辐射壁面温度缓慢升高。 10:00 之后，空调已经开启一段时间，辐射壁面充分冷却，所以温度快速下降。 顶板温度下降的最为明显，这是因为太阳直接照射到墙面，墙面吸收部分短波辐射，而地面有较大的热惰性，因此地面和墙面的辐射壁面温度相对较高，减少了辐射板结露的风险。

图7 辐射壁面温度变化图

3.1.3 PMV－PPD 指标

GB 50736—2012 将热舒适性分为2 个等级[11]，划分依据见表3。

表3 热舒适性等级划分

3 种辐射方式在8:00—18:00 的PMV－PPD 值变化如图8 所示，PMV 和PPD 的变化趋势相近。顶板和墙面辐射供冷的PMV 值在0.25 ～0.50 范围内波动，热舒适性达到了Ⅰ级标准，地面辐射供冷的PMV 值在12:00—18:00 时段超过了0.5，达到Ⅱ级标准；顶板和墙面辐射供冷的PPD 值都小于10%，热舒适性达到了Ⅰ级标准，地面辐射供冷的PPD 值在11:00—18:00 时段超过了10%，达到Ⅱ级标准。由此可以看出，3 种辐射供冷形式的热舒适性为墙面＞顶板＞地面。

图8 不同辐射供冷形式下室内的PMV－PPD 变化图

3.2 能耗分析

3.2.1 辐射回水温度

不同辐射供冷形式的辐射回水温度随时间变化如图9 所示。 高温冷水机组的出水温度均设置都为14 ℃，通过改变流量来改变系统的制冷量。

图9 辐射回水温度变化图

8:00 时空调刚开启，围护结构储存了较多的热量，室内余热量较大；同时由于刚上班，人员设备等内热源强度增大，辐射回水温度较高，空调开启1 h后，辐射系统持续释放冷量，室内热环境逐渐稳定，所以辐射回水温度下降。 3 种辐射供冷形式的冷冻水回水温度由高到低为墙面＞顶板＞地面，由于辐射面积相同，可以推测，在达到相同的室内热环境时，墙面辐射供冷的回水温度最高，因此机组的COP 值最大。

3.2.2 节能性分析

模拟设计日运行时间在8:00—18:00 时，统计系统各个设备的耗电量和制冷量，结果分别见表4、5。 由表4 可知地面和墙面辐射系统冷水机组能耗较顶板辐射系统低。 地面辐射供冷能耗较顶板辐射供冷低是由于冷空气密度大，房间顶部的冷量往下传递，需要先冷却墙体再与周围空气对流换热；墙面辐射供冷能耗较顶板辐射供冷低是由于墙面辐射供冷加快了垂直方向的热传递。 地面、顶板、墙面辐射供冷的总能耗分别为5.59、6.23、6.16 kW·h，地面辐射供冷能耗最低，节能性最好。 由表5 看出3 种辐射供冷形式的高温冷机制冷量由低到高依次为地面、顶板、墙面，达到室内设计温度时地面辐射供冷所需制冷量最小。

表4 不同辐射供冷形式能耗表 单位:kW·h

表5 不同辐射供冷形式能耗制冷量表单位:kW

设计日运行时间8:00—18:00 冷水机组的逐时COP 见表6，地面、顶板、墙面辐射供冷的平均COP分别为4.20、4.25、4.27。

表6 不同辐射供冷形式冷水机组逐时COP

4 结论

文章利用TRNSYS 软件建立了辐射供冷加独立新风的复合空调系统，通过设置围护结构参数，模拟冷负荷并进行机组选型，对比分析了辐射板分别在地面、顶板、墙面的3 种辐射供冷方式的热舒适和能耗。 主要结论如下:

(1) 采用辐射供冷加独立新风的复合空调系统，可以防止辐射供冷壁面结露，改善空气品质。 在实际应用中，办公室四周墙壁面积大于顶板和地面面积，辐射供冷的面积大，新风就可少承担甚至不承担冷负荷，工作区新风带来的冷干扰就会减少。

(2) 从热舒适性角度来说，3 种辐射供冷模型的相对湿度在40%～60%之间，均符合相对湿度舒适性要求；地面和墙面辐射供冷的壁面温度较高，减少了结露的风险；从PMV－PPD 指标看，墙面和顶板辐射供冷的PMV 和PPD 值都达到了Ⅰ级热舒适性标准，地面辐射供冷的PMV 和PPD 值达到了Ⅱ级热舒适性标准。

(3) 从节能性角度来说，在设计日运行时间内，地板辐射供冷总能耗相比于顶板辐射和墙面辐射供的供冷分别少了11.4%、10.2%，达到室内设计温度所需的制冷量最小，节能性最高。

(4) 对于堆放易潮湿物品的建筑不宜采用墙面辐射供冷，一般的商铺以及办公楼可以采用地板辐射供冷，对舒适性要求较高的场所可以采用墙面辐射供冷。