徐正宏

（南京市建筑設(shè)計研究院有限責任公司，江蘇南京 210000）

1 引言

輻射盤管是一類基于輻射傳熱原理的空調(diào)末端設(shè)備，已經(jīng)廣泛應用于各種建筑領(lǐng)域，相關(guān)的研究成果也很多，基于空氣特性，常見夏季用于吊頂方式供冷，冬季用作地板采暖。毛細管輻射盤管是近年來出現(xiàn)的一種新型輻射盤管方式，其仿造人體及葉脈毛細管構(gòu)造，采用壁厚約0.9mm，直徑約3.5～5mm的PP－R（無規(guī)共聚聚丙烯）材料制成。與傳統(tǒng)輻射盤管相比，毛細管輻射盤管具有換熱面積大，換熱均勻，供水溫度要求低（采暖時溫度可以較低，供冷時溫度可以相應提高）的優(yōu)點。

針對毛細管熱工特性，德國國家標準化學會（DNI）組織制定了DN47標準，一些生產(chǎn)研究毛細管的工廠、設(shè)計制造安裝公司組織制定了FGK標準，為毛細管設(shè)計研發(fā)提供了參考。Tacycon Kim［1］總結(jié)前人的研究得到毛細管輻射盤管系統(tǒng)應用有很大的節(jié)能潛力。輻射盤管在高濕度的氣候條件下使用時，出現(xiàn)了結(jié)露和不能除濕等問題。針對這一現(xiàn)狀，學者沿著熱濕負荷獨立處理的思路進行研究。F.Alamdari［2］、S.G.Hodder［3］通過研究置換通風和輻射末端的結(jié)合，解決了結(jié)露的問題;LZ.Zhang、J.L.Liu［4］和丁云飛［5］提出用轉(zhuǎn)輪的方法除濕。毛細管輻射盤管作為空調(diào)系統(tǒng)的末端，夏季供冷時同樣存在以上的問題。馬玉奇、劉學來等［6］建立了毛細管平面輻射盤管空調(diào)系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)模型，試驗研究毛細管輻射盤管/置換通風空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)露過程，認為結(jié)露是很緩慢形成的且有方法控制，不應該成為毛細管輻射盤管空調(diào)系統(tǒng)應用和推廣的障礙。高志宏，劉曉華［7］對毛細管輻射盤管吊頂空調(diào)系統(tǒng)進行了試驗研究，分析了不同供水狀況和不同敷設(shè)形式下，毛細管輻射盤管空調(diào)的供冷能力和熱舒適性。從目前的現(xiàn)狀來看，結(jié)合風機盤管的毛細管輻射盤管空調(diào)系統(tǒng)還是最成熟的方案，實際工程當中也有應用。

根據(jù)我國的氣候條件，許多的地方不僅夏季需要制冷空調(diào)，冬季也需要供暖。目前研究毛細管輻射盤管系統(tǒng)用于冬季采暖的很少，傅允準、蔡穎玲、陳帥［8］等將毛細管應用于地板采暖系統(tǒng)中，但毛細管頂板/風機盤管系統(tǒng)冬季供熱時的狀況鮮有提及。歐洲及美國在使用毛細管頂板空調(diào)系統(tǒng)時，通常在冬季增加另一套末端來解決供熱問題。就我國的目前經(jīng)濟水平和實際資源的情況來看，參照歐洲和美國的做法無疑是不合適的。同時，單獨使用輻射盤管供暖時存在供暖速度慢的問題?；谝陨系目紤]，本文對毛細管輻射盤管頂板/風機盤管系統(tǒng)冬季供熱的工況條件、房間舒適性以及系統(tǒng)能耗狀況進行了試驗和分析，為實際工程中的應用打下一定基礎(chǔ)。

2 試驗

2.1 試驗環(huán)境及測試內(nèi)容

本文搭建了毛細管頂板/風機盤管空調(diào)系統(tǒng)試驗平臺，平臺利用南京市建筑設(shè)計研究院與某地產(chǎn)公司共建的試驗房間作為研究對象，周圍房間沒有供暖，尺寸為8.4m×3.75m×2.8m。試驗通過加熱器向毛細管及風機盤管提供熱量，房間頂部設(shè)有金屬板毛細管吊頂，下部設(shè)有送風口，頂部設(shè)有回風口。房間平面面積為31.5m2，金屬板毛細管每塊面積為0.36m2，總共分三部分敷設(shè)，每部分敷設(shè)17塊，供暖板總面積為3×17×0.36m2=18.36 m2，見圖 1。

本試驗中測試內(nèi)容:

（1）水溫測試:

測試金屬板毛細管進出口水溫，風機盤管進出口水溫。采用四線制鉑電阻，精度為±0.1℃。

圖1 試驗室示意及測點布置

（2）水流量測試:

測試供水流量，采用TOSHIBA電磁流量計LDTH型精度為0.2%Q。

（3）房間及室外空氣溫度測試:

1）測試房間幾何中心位置處的空氣溫度和室外空氣溫度，采用VAISALA HMT333型溫濕度測試儀，精度為±0.2℃

2）如圖2中右側(cè)示意的測點平面，三組測點投影位置在房間南北三分和東西兩分處，每組測點在垂直方向上從0.1m至2.1m，每隔0.5m布置一個，共5個，采用K型熱電偶，精度為±0.0075|t|℃。

本試驗采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀采集及記錄試驗數(shù)據(jù)。

2.2 試驗條件及方法

試驗房間為西面墻體有保溫（聚苯保溫材料），其余為正常墻體。因此，室外氣溫及天氣條件是對試驗存在干擾，根據(jù)實測 （實測從某日19∶00至次日19∶00，房間沒有供暖、人員和設(shè)備散熱，也沒有人員進出，門窗保持關(guān)閉）房間溫度，見圖2。由試驗結(jié)果可以看出，晚上至凌晨的時段房間溫度變化較小，白天時存在太陽輻射的影響，房間氣溫變化較快。因此，選取試驗的時間為晚上10∶00至次日凌晨8∶00，可以最小程度的減小外界環(huán)境對試驗的影響。試驗分成兩部分，第一部分為變供水工況試驗，以測試變供水工況下的性能;第二部分為24h連續(xù)運行試驗，以測試長時間連續(xù)運行的性能。另外，還運用TRNSYS軟件模擬了該系統(tǒng)冬季不同工況 （流量、供水溫度）下系統(tǒng)及房間特性 （具體模擬過程略）。

（1）變工況試驗方法及步驟:

1）試驗前利用閥門調(diào)節(jié)水路流量，待流量穩(wěn)定后再進行試驗操作。

圖2 房間溫度隨時間變化

2）試驗室利用加熱器加熱水溫，以開啟加熱器為試驗的時間起點，記錄試驗數(shù)據(jù)。

3）試驗時改變供水工況，溫度變化為39℃、41℃、43℃和 45℃，流量變化為 0.6m3/h、0.8 m3/h和1.0 m3/h。

4）試驗:每組工況進行4小時，試驗室開始時，采用另一套空調(diào)設(shè)備將房間溫度 （房間幾何中心處）調(diào)整為8℃，管路中水溫調(diào)整為12℃，一組試驗結(jié)束后，待試驗室條件恢復初始值再進行下一組。

（2）長時間運行試驗方法及步驟:

長時間運行時，兩末端設(shè)備同時開啟三小時后關(guān)閉風機盤管，

3 結(jié)果分析與討論

本文對房間的負荷情況進行了分析計算，計算時依據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊 （第二版）》中的相關(guān)計算方法和標準［8］，室內(nèi)計算溫度20℃，室外計算溫度3℃，得出了試驗房間冬季供熱負荷，人體散熱標準采用ISO7730［9］中關(guān)于人員散熱的標準，結(jié)果見表1。

表1 房間負荷及內(nèi)熱源情況

3.1 房間穩(wěn)定溫度分析

實際進行試驗時，選在2月的晚間至凌晨進行，模擬也采用相應的天氣參數(shù)，各種變供水溫度和流量工況下，室外氣溫比較接近，實際試驗中測得的平均值最高組和最低組見圖3，室外氣溫在試驗的四個小時內(nèi)的變化在1.5℃之內(nèi)，平均值最大組為4.26℃。最小組為2.36℃，試驗室氣密性良好，室內(nèi)沒有人員走動，因此，外界環(huán)境條件對試驗的影響很小。

圖4為模擬和試驗時房間溫度穩(wěn)定后的情況，圖中房間溫度由位于房間幾何中心的溫濕度變送器測得 （以下的文章中除討論舒適性的章節(jié)外，所提及的房間溫度均是指此溫度）。從圖4的試驗及模擬結(jié)果可以看出，室外氣溫維持在1.5℃至5.5℃范圍時，隨著供水溫度和供水水量的上升，房間穩(wěn)定的溫度均呈現(xiàn)上升的趨勢，房間最終溫度都可以維持在20℃以上，滿足規(guī)范中18℃至22℃的冬季室內(nèi)設(shè)計溫度范圍，達到舒適性的要求。

圖3 室外氣溫逐時變化

3.2 房間溫度響應時間分析

圖4 變工況房間穩(wěn)定時溫度

圖5 變供水溫度、水流量情況下房間溫度響應時間

試驗和模擬時，初始條件為:供水水溫為12℃，房間溫度為8℃。本文定義從初始條件到房間溫度20℃時所經(jīng)歷的時間為房間響應時間。圖5為變供水水溫和變供水流量情況下，房間溫度響應時間變化情況。

圖5反映出，試驗及模擬條件下，隨著供水溫度和流量的提高，房間響應時間逐漸減小，試驗值和模擬值非常接近，從圖中可以看出:

1）系統(tǒng)運行在較大流量 （0.8m3/h和1.0m3/h）區(qū)間時，增大流量對于系統(tǒng)快速達到溫度要求相對于提高水溫其效果更加明顯。

2）系統(tǒng)在小流量 （0.6m3/h）狀態(tài)運行時，改變系統(tǒng)的供水溫度，對房間響應時間的影響也是比較明顯的。

3）當供水溫度在43℃以上時，提高供水溫度對于房間快速達到溫度要求，已經(jīng)沒有太大的作用，因此，不建議采用提高水溫的方法減少系統(tǒng)的響應時間。

3.3 系統(tǒng)舒適性分析

根據(jù)ISO7730的標準，房間的參數(shù)可以擬合為PMV－PPD，從而判定房間的舒適性。Fanger教授根據(jù)人員活動量和衣著情況以及四個環(huán)境變量，即空氣流速、空氣溫度、空氣濕度和平均輻射溫度計算出來的熱舒適性標準，PMV指標作為一種度量熱感覺的尺度，從心理生理學作為出發(fā)點，采用7點熱感覺標尺，見表2。

表2 熱感覺－PMV尺度

PMV指標是根據(jù)客觀值計算出來的，而舒適性是一種主觀感受，因此Fanger教授又引入了PPD，意為一大群人對于給定環(huán)境熱感覺表示不滿意的百分率的預計值，其與PMV的關(guān)系式為:

PPD={100－95exp［－（0.03353PMV4+0.2179PMV2）］}%［9］

根據(jù)計算PPD服從正態(tài)分布，當PMV=0時，PPD=5%，也就是說即使室內(nèi)環(huán)境達到最舒適的狀態(tài)時，由于個體的差異，仍然會有5%的人表示不舒適。ISO7730對PMV－PPD指標的推薦值為:PPD＜10%，相應的PMV為－0.5＜PMV＜+0.5。試驗房間的PMV－PPD值如圖6，圖7。

圖6 PMV值

圖7 PPD值

圖6中PMV值隨著供水溫度和流量的升高而升高，當供水水量為0.6m3/h時，房間的PMV值始終是在－1以下，也就是說房間中人體感覺是涼的，不滿足舒適性的要求。當供水水量提高到0.8m3/h和1.0m3/h時，房間的PMV值明顯升高，除了供水溫度39℃，水量0.8m3/h時，房間其余的PMV值均在－1和1之間，PPD的范圍在10%以內(nèi)，也就是說只有10%以內(nèi)的人員會對房間的舒適度不滿。如果進一步考慮計算人員散熱率采用的是辦公室靜坐辦公標準，實際上人員在室內(nèi)時不可能全部時間都是在靜坐辦公狀態(tài)，故房間PMV值還會進一步升高，房間PPD值也會隨著下降，放寬供水溫度和水量的要求，供水水量0.8～1.0 m3/h，溫度為39～45℃時均可以滿足房間舒適性要求。

房間負荷4.02kW，是以20℃作為室內(nèi)計算干球溫度的，而PMV－PPD結(jié)果卻表明在此溫度下的房間舒適性達不到要求，這與目前我國采暖規(guī)范中的房間設(shè)計溫度為18～22℃具有一定的沖突。Fanger教授在總結(jié)PMV公式時，人員冬季衣服熱阻采用的標準是薄毛衣加一件風衣，使得人員感覺偏冷。鑒于目前我國能源資源狀況，房間溫度控制在20℃符合節(jié)能減排的要求，同時，人員在辦公時適量添加衣物就可以很好的改善舒適性狀況，因此，房間采暖時，選取供水溫度和供水量時，還是要綜合考慮房間穩(wěn)定溫度和PMV－PPD值，不必要刻意追求完全符合ISO7730中的PMV－PPD要求，只要偏差不是很大，相應的供水參數(shù)是可以接受的。

在舒適性范圍內(nèi)，進一步考慮人體對于頭部和腳部溫差的感受。IS07730標準中規(guī)定:在工作區(qū)的上方1.1m和0.1m之間的溫差≤3℃。以試驗時房間溫度的最終穩(wěn)定值高低標準，選取三種典型工況 （0.6 m3/h，39℃;0.8 m3/h，41℃;1.0 m3/h，45℃），對房間垂直高度上溫度的分布情況進行分析，見表3。

表3 垂直高度溫度及溫差分布

1）所有工況和位置，1.1m處和0.1m處的溫差都沒有超過3℃，符合ISO的舒適性標準。

2）北中南三個位置處的溫差很小，房間溫度場均勻性很好，舒適性較強。

3）房間溫度分布無論是縱向還是水平方向均滿足舒適性的要求，但沒有形成“頭冷腳熱”的溫度分布，這與熱輻射面布置在頂部有關(guān)，在以后的研究當中可以將送風方式改為地板送風，加以解決。

3.4 系統(tǒng)節(jié)能潛力研究

傳統(tǒng)的采暖方式中，末端采用散熱片形式的系統(tǒng)需要80℃以上的供水，地板采暖需要45～55℃的供水，風機盤管需要45℃ （熱泵）或60℃ （鍋爐）的供水，由此可以看出，風機盤管聯(lián)合毛細管金屬板末端設(shè)備可以有效地降低供水溫度，具有節(jié)能的潛力，圖8是與本文同一試驗平臺的地源熱泵機組采用本文末端設(shè)備測試機組性能時的COP值，機組COP隨著供水溫度的升高而降低，機組提供39.2℃熱水比提供45.1℃熱水時節(jié)能16%，可見采暖時使用低溫供水將有效減少系統(tǒng)能耗，達到節(jié)能的目的。

圖8 變供水溫度地源熱泵COP值

圖9 輻射散熱量百分比

有數(shù)據(jù)表明［8］，當系統(tǒng)采用輻射末端采暖時，室內(nèi)設(shè)計溫度可以比采用單純風機盤管系統(tǒng)時降低1～3℃。由圖9可以看出系統(tǒng)在不同的供水溫度和水量下運行時，毛細管散熱量占總散熱量的比例是不同的。隨著供水溫度從39℃升高到45℃，毛細管散熱量占總散熱量的比例分別降低了7.4%（0.6m3/h）、3.7%（0.8m3/h）和2.9%（1.0m3/h），因此，降低供水溫度可以使得毛細管發(fā)揮更大的作用，無論是舒適性還是節(jié)能性能都得到提升。

4 結(jié)論

通過構(gòu)建風機盤管/毛細管末端系統(tǒng)TRNSYS模型及搭建系統(tǒng)試驗平臺，對風機盤管/毛細管末端系統(tǒng)進行了模擬和試驗研究，分析了模擬及試驗數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論:

風機盤管/毛細管末端系統(tǒng)在冬季能夠有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境，房間穩(wěn)定溫度、房間響應時間、PMV－PPD等舒適性因素均滿足相關(guān)標準。

風機盤管/毛細管末端系統(tǒng)運行時采用較低水溫供水，有效提高供水熱效率，節(jié)約能源。

［1］Tacycon Kim，Shinsuke Kato.Indoor cooling/heating Load Analysis Based on Coupled Simulation of Convection，Radiation and HVAC Control［J］．Building and Environment.200l

［2］F.Alamdari.Chilled Ceilings and Displacement Ventilation［J］．Renewable Energy，1998，（15）:300 －305

［3］ S.G.Hodder， D.L.Loveday， etc.Thermal Comfort in Chilled Ceiling and Displacement Ventilation Environment:Vertical Radiant Temperature Asymmetry Effect［J］．Energy and Building，1998，（27）:167－173

［4］L.Z.Zhang，J.L.Niu.A pre－ cooling Musters environmental control desiccant cooling cycle in Combination with chilled－ceiling panels［J］．Energy 2003（28）:275－292

［5］丁云飛，丁靜，王卓越，等.除濕轉(zhuǎn)輪處理冷卻頂板空調(diào)系統(tǒng)的濕負荷［J］．華南理工大學學報 （自然科學版），2004，32（3）:10－14

［6］馬玉奇，劉學來，李永安，等.毛細管平面輻射空調(diào)簡介 ［J］．建筑節(jié)能，2007，（11）:5－6

［7］高志宏，劉曉華.毛細管輻射供冷性能試驗研究［J］．太陽能學報，2011，32（1）:101－106

［8］陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊 （第二版）［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007

［9］ISO.Internation Standard 7730，Moderate thermal environments－determination of the PMV and PPD indices and specification of the thermal comfort［S］．Geneva:International Standards Organization.1984