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張東亮，蔡寧，黃曉慶，崔曉波（南京工程學(xué)院，南京21 1167）

[摘要]本文基于對(duì)室內(nèi)溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度、風(fēng)口參數(shù)等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了頂棚輻射結(jié)合下送風(fēng)供冷系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)換熱量、人體熱舒適性變化規(guī)律，以及操縱量、擾動(dòng)量對(duì)被控量的影響。研究結(jié)果表明：系統(tǒng)凈輻射換熱量、對(duì)流換熱量和總換熱量在系統(tǒng)開啟的前1.5 h內(nèi)遞增，之后趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，輻射換熱量占總換熱量的43%，余下57%冷量由風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)，此時(shí)，PMV和PPD值均在IS07730的推薦值范圍內(nèi)。室內(nèi)空氣溫度和作用溫度隨著擾動(dòng)量和操縱量的增加而增加；當(dāng)室外空氣溫度相對(duì)較低或較高時(shí)，室內(nèi)發(fā)熱量或平均水溫較低時(shí)，室內(nèi)空氣溫度和作用溫度的增加率較小；室內(nèi)空氣溫度和作用溫度隨著送風(fēng)溫度呈近似線性增加。

 [關(guān)鍵詞]頂棚輻射；下送風(fēng)；運(yùn)行特性；實(shí)驗(yàn)研究；預(yù)計(jì)平均熱感覺(jué)指數(shù)；預(yù)計(jì)不滿意者百分?jǐn)?shù)；操作溫度  [中圖分類號(hào)]TU834.8  

0 引  言

 輻射供冷自20世紀(jì)80年代起即在歐洲得到應(yīng)用，其原因在于歐洲夏季室外空氣濕度相對(duì)較低，輻射面結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)較小。然而，為了保證室內(nèi)空氣品質(zhì)、滿足舒適和健康要求，必須引入新風(fēng)，并且將輻射供冷應(yīng)用于高溫高濕氣候區(qū)時(shí)，輻射面結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)很大，因此，ASHRAE手冊(cè)、Mumma提出：將輻射供冷系統(tǒng)復(fù)合獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)，以除去潛熱負(fù)荷，從而達(dá)到通風(fēng)、除濕和輻射面防結(jié)露的目的。與傳統(tǒng)的送風(fēng)供冷相比：輻射供冷結(jié)合送風(fēng)系統(tǒng)的輻射管中冷水溫度可以比較高，這就為地下水、地源熱泵、蒸發(fā)冷卻等可再生或低品位能源技術(shù)的利用，創(chuàng)造了條件；避免了送風(fēng)供冷熱濕聯(lián)合處理所造成的能源浪費(fèi)；可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度、濕度獨(dú)立控制和調(diào)節(jié)。 

由于頂棚輻射與下送風(fēng)復(fù)合式供冷系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、舒適等優(yōu)點(diǎn)，目前，頂棚輻射與下送風(fēng)復(fù)合式供冷系統(tǒng)在夏季室外空氣濕度較高的地區(qū)也已得到一定應(yīng)用，但由于系統(tǒng)非線性、大慣性、大滯后和多變量的特點(diǎn)，其運(yùn)行特性較為復(fù)雜。翁文兵等搭建了De16和De20埋管混凝土頂板試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)不同供回水溫度時(shí)頂棚輻射空調(diào)夏季供冷能力作理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，但該研究?jī)H限于供回水溫度對(duì)系統(tǒng)供冷能力的影響分析。趙羽等采用TRNSYS軟件對(duì)上海某辦公室的天棚輻射加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，研究定水溫和變水溫對(duì)房間溫度

穩(wěn)定性、結(jié)露發(fā)生頻率以及人體熱舒適性的影響，該研究比較分析了定水溫和變水溫控制效果，但僅限于單一操縱量的模擬研究。劉乃玲等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究頂棚輻射供冷房間在冷吊頂輻射作用下，室內(nèi)空氣溫度、房間壁面溫度、人體表面溫度的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上分析了人體與環(huán)境的對(duì)流換熱及輻射換熱的變化規(guī)律，但沒(méi)有系統(tǒng)擾動(dòng)量和操縱量對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的影響研究。隋學(xué)敏等對(duì)輻射供冷系統(tǒng)空調(diào)末端與室內(nèi)熱濕環(huán)境之間的能量交換過(guò)程進(jìn)行分析，提出輻射供冷室內(nèi)熱環(huán)境控制變量應(yīng)綜合考慮平均輻射溫度和空氣溫度2個(gè)指標(biāo)，可將操作溫度作為室內(nèi)熱環(huán)境控制的反饋?zhàn)兞�，但該研究�(jī)H限于理論分析，沒(méi)有進(jìn)一步研究操作溫度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境控制的反饋機(jī)理。Xing采用數(shù)值模擬分析管道熱阻和水流速對(duì)系統(tǒng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)輻射供冷系統(tǒng)水流速對(duì)其性能影響極小，但是，該研究?jī)H限于模擬研究，并且沒(méi)有分析其他影響因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。綜上，以上文獻(xiàn)均沒(méi)有研究系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的熱特性與熱舒適性，以及進(jìn)一步研究系統(tǒng)擾動(dòng)量和操縱量對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的影響，因此，本文對(duì)頂棚輻射結(jié)合下送風(fēng)供冷系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)換熱量、人體熱舒適性變化規(guī)律，研究擾動(dòng)量（室外綜合溫度、室內(nèi)發(fā)熱量）和操縱量（供回水平均溫度、送風(fēng)溫度）對(duì)被控量（室內(nèi)空氣溫度、作用溫度）的影響，其結(jié)果為該類型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試運(yùn)行提供必要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1  實(shí)驗(yàn)裝置

1.1  測(cè)試房間與供冷系統(tǒng)

 圖1為實(shí)驗(yàn)室示意圖，該實(shí)驗(yàn)室由測(cè)試房間（長(zhǎng)×寬×高=4.2 mx3.6 mx2.6 m）和補(bǔ)償套間兩部分組成，補(bǔ)償套間用于創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)所需要的室外氣象環(huán)境。

 頂棚輻射結(jié)合下送風(fēng)復(fù)合式系統(tǒng)采用空氣源熱泵作為冷源，由空氣源熱泵機(jī)組制得的冷水經(jīng)水泵加壓后分為兩路：一路由分水器分到各個(gè)回路，流經(jīng)盤管后回到集水器，再回到空氣源熱泵機(jī)組，另一路經(jīng)空氣處理機(jī)組冷卻空氣后，回到空氣源熱泵。下送風(fēng)系統(tǒng)中，新風(fēng)和回風(fēng)混合后，經(jīng)空氣處理機(jī)組處理成低溫、低濕的風(fēng)，經(jīng)地板下部靜壓箱送至地板送風(fēng)風(fēng)口；分集水器上帶有溫控中心，通過(guò)混合一次供水與回水來(lái)保證系統(tǒng)供水溫度的恒定，與一次回水混合的供水通過(guò)平衡閥保持流量恒定，而一次回水量的大小由溫控閥控制，溫控閥的溫度傳感器位于回水和一次供水的混合管內(nèi)。頂棚結(jié)構(gòu)層采用管間距100 mm、“S”型鋪設(shè)方式，水管管徑為DN10。

1.2  測(cè)量?jī)x器與測(cè)試方案

 測(cè)量參數(shù)與儀器性能見(jiàn)表1。由表1的數(shù)據(jù)可知，測(cè)量?jī)x器的量程和精度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

 如圖2所示，選取13個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量室內(nèi)空氣溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度和室外空氣溫度，其中，頂棚溫度為頂棚上4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度，室內(nèi)空氣溫度為測(cè)點(diǎn)10、11、12的平均溫度，測(cè)點(diǎn)10、11、12距離地面的高度分別為1.1 m、1.7 m和2.2 m，分別表示人體坐姿時(shí)呼吸位置、人體站姿時(shí)呼吸位置和人體站姿時(shí)頭部位置。如圖3所示，選取12個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量送、回風(fēng)口的溫度、風(fēng)速，各風(fēng)口的4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度、風(fēng)速測(cè)量平均值代表該風(fēng)口溫度、風(fēng)速。由于頂棚輻射結(jié)合下送風(fēng)系統(tǒng)較大的熱慣性，以上溫度測(cè)點(diǎn)每隔0.5 h測(cè)量記錄1次，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中供回水流量恒定，故水流量測(cè)量1次即可。

2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1  系統(tǒng)熱特性與熱舒適性分析

 在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)全空氣系統(tǒng)將補(bǔ)償套間溫度控制在32℃，頂棚輻射結(jié)合下送風(fēng)供冷系統(tǒng)于9:00開啟，至17：00關(guān)閉。

 1)系統(tǒng)換熱量分析

 系統(tǒng)換熱量包括風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)提供的冷量。風(fēng)系統(tǒng)提供的冷量計(jì)算方法。下送風(fēng)

系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量值見(jiàn)表2。輻射板凈輻射換熱量根據(jù)杰勃哈特法計(jì)算。

 通過(guò)計(jì)算，得出換熱量在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的變化曲線如圖4所示：凈輻射換熱量、對(duì)流換熱量和總換熱量在系統(tǒng)開啟的前1.5 h內(nèi)遞增，之后趨于穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性好。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，輻射換熱量約為32W/m2，輻射換熱量占總換熱量的份額為43%，剩余57%的冷量由風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)。

 2)人體熱舒適性分析

 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS07730中采用PMV( Predicted MeanVote)和PPD( Predicted Percent Dissatisfied)指標(biāo)來(lái)描述和評(píng)價(jià)熱環(huán)境，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18049-20001《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的規(guī)定》也對(duì)PMV-PPD的算法與測(cè)試作出規(guī)定，指標(biāo)是Fanger收集了1396名美國(guó)、丹麥?zhǔn)茉囌邔?duì)冷熱感覺(jué)的反映之后得到的，他通過(guò)回歸公式使人體舒適性量化，并提出具體指標(biāo)。IS07730給出的指標(biāo)推薦值為：-0.5≤PMV≤+0.5，相應(yīng)PPD≤10%。Zhen Tian等以ASHRAE RP-921報(bào)告為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)輻射空調(diào)系統(tǒng)冬夏兩季作用下的82個(gè)受試者的人體熱舒適性進(jìn)行了分析，認(rèn)為輻射供冷系統(tǒng)下的人體熱舒適性與PMV模型一致，而輻射空調(diào)系統(tǒng)使垂直溫度梯度和吹風(fēng)感引起的局部熱不舒適得到有效改善。在輻射供冷系統(tǒng)中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與人體的輻射熱交換對(duì)熱舒適性影響很大，為了綜合考慮輻射影響，又相繼提出了平均輻射溫度( Mean  Radiant Temperature，MRT)、作用溫度( Operative  Temperature，OT)、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(Standard Effective Temperature，SET)等概念和指標(biāo)。

 因此，本文采用OT、PMV和PPD評(píng)價(jià)頂棚輻射結(jié)合下送風(fēng)供冷系統(tǒng)的熱舒適性。經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)從開啟到關(guān)閉過(guò)程中的OT、PMV和PPD值如圖5所示，在系統(tǒng)運(yùn)行1.5 h內(nèi)，OT、PMV和PPD值均隨著室內(nèi)溫度的降低而降低，然后趨于穩(wěn)定，在系統(tǒng)運(yùn)行1.5 h后，PMV和PPD值均在IS07730的推薦值范圍內(nèi)。

2.2操縱量、擾動(dòng)量對(duì)被控量的影響

 1)操縱量對(duì)被控量的影響

 對(duì)于頂棚輻射結(jié)合下送風(fēng)供冷系統(tǒng)而言，室外綜合溫度和室內(nèi)發(fā)熱量是2個(gè)主要擾動(dòng)量。通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)償套間空氣溫度實(shí)現(xiàn)不同的室外綜合溫度，從而得出室外綜合溫度對(duì)室內(nèi)空氣溫度和作用溫度的影響，如圖6所示，室內(nèi)空氣溫度和作用溫度隨著室外綜合溫度的升高而升高，當(dāng)室外綜合溫度較低或較高時(shí)，室內(nèi)空氣溫度和作用溫度的增加率較小。

 通過(guò)調(diào)節(jié)室內(nèi)發(fā)熱設(shè)備的發(fā)熱量模擬不同的室內(nèi)發(fā)熱量，從而得出室內(nèi)發(fā)熱量對(duì)室內(nèi)空氣溫度和作用溫度的影響。如圖7所示，室內(nèi)空氣溫度和作用溫度隨著室內(nèi)發(fā)熱量的升高而升高，當(dāng)室內(nèi)發(fā)熱量較低時(shí)，室內(nèi)空氣溫度和作用溫度的增加率較小。

 2)擾動(dòng)量對(duì)被控量的影響

 對(duì)于頂棚輻射結(jié)合下送風(fēng)供冷系統(tǒng)而言，頂棚輻射系統(tǒng)供回水平均溫度和下送風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)溫度是2個(gè)主要操縱量。通過(guò)調(diào)節(jié)分集水器上的溫控中心來(lái)調(diào)節(jié)供回水溫度，從而得出供回水平均溫度對(duì)室內(nèi)空氣溫度和作用溫度的影響，如圖8所示：室內(nèi)空氣溫度和作用溫度隨著供回水平均溫度的升高而升高，當(dāng)供回水平均溫度較低時(shí)，室內(nèi)空氣溫度和作用溫度的增加率較小。

通過(guò)設(shè)置空氣處理機(jī)組出風(fēng)溫度實(shí)現(xiàn)不同的送風(fēng)溫度，從而得出送風(fēng)溫度對(duì)室內(nèi)空氣溫度和作用溫度的影響，如圖9所示：室內(nèi)空氣溫度和作用溫度隨著送風(fēng)溫度的升高呈近似線性升高。

3  結(jié)  論

 在本文實(shí)驗(yàn)條件下，采用實(shí)驗(yàn)研究頂棚輻射結(jié)合下送風(fēng)供冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性，得出以下結(jié)論：

 1)凈輻射換熱量、對(duì)流換熱量和總換熱量在系統(tǒng)開啟的前1.5 h內(nèi)遞增，之后趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，輻射換熱量占總換熱量的份額為43%，剩下57 010冷量由風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)。

 2)在系統(tǒng)運(yùn)行1.5 h后，PMV和PPD值均在IS07730的推薦值范圍內(nèi)。

 3)室內(nèi)空氣溫度和作用溫度隨著擾動(dòng)量和操縱量的增加而增加。

 4)當(dāng)室外空氣溫度相對(duì)較低或較高時(shí)，室內(nèi)發(fā)熱量或平均水溫較低時(shí)，室內(nèi)空氣溫度和作用溫度的增加率較小；室內(nèi)空氣溫度和作用溫度隨著送風(fēng)溫度呈近似線性增加。