李倩茹 夏洪濤 李永財 甄江龍

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高原寒冷地區(qū)候機樓供暖方式適應(yīng)性研究

李倩茹1夏洪濤2李永財1甄江龍3

（1.重慶大學(xué) 重慶 400044；2.中國民航機場建設(shè)集團公司 成都 610200；3.陸軍勤務(wù)學(xué)院 重慶 400044）

高原寒冷地區(qū)因其獨特的地理條件和海拔高、氣壓低、氣溫低，冬季漫長等特點，使得建筑供暖期較長，供暖能耗占建筑總能耗的比例較高。對于高原寒冷地區(qū)大空間建筑，氣候條件對不同的供暖末端性能的影響，前人研究較少。首先，分析了氣候條件對候機樓中常用的供暖末端在高海拔地區(qū)供暖能耗的影響；其次，基于日喀則某候機樓低溫地板輻射供暖系統(tǒng)，通過eQUEST軟件模擬和現(xiàn)場實測兩種方式，對系統(tǒng)能耗和室內(nèi)溫度分布進(jìn)行分析，并與拉薩某候機樓風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)進(jìn)行對比。結(jié)果表明，低溫地板輻射供暖系統(tǒng)比風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)年節(jié)約能耗5.6％，即低溫地板輻射供暖末端在高原寒冷地區(qū)更為適用。

高海拔寒冷地區(qū)；低溫地板輻射供暖；風(fēng)機盤管；eQUEST模擬；能耗

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，人類對能源的需求和要求也迅速增加，但我國與發(fā)達(dá)國家相比建筑能耗不僅數(shù)量大，而且能源利用效率低，特別是我國高海拔寒冷地區(qū)，供暖系統(tǒng)的能耗占建筑運行能耗的絕大部分[1]。而西藏屬高原寒冷地區(qū)，常規(guī)能源極度匱乏，且氣候條件可能會對散熱設(shè)備的性能產(chǎn)生很大的影響，所以選擇合適的供暖設(shè)備，在高原寒冷地區(qū)變得尤為重要[2]。閆博佼提出，在嚴(yán)寒地區(qū)，相比常規(guī)供暖系統(tǒng)，太陽能與地源熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，具備客觀的發(fā)展前景[3]。Curtis O Pedersen、Richard K Strand等[4]學(xué)者通過模擬軟件建立熱平衡模型，主要針對不同溫度下地板輻射系統(tǒng)的運行情況進(jìn)行模擬分析，并對不同溫度下的熱舒適性進(jìn)行比較，最后給出輻射供暖條件下熱舒適性較對流供暖熱舒適性更滿足人們的要求。但對于低溫地板輻射供暖在高海拔地區(qū)特別是高大空間的運用，前人并未涉獵。

1 高原寒冷地區(qū)供暖方式的理論分析

日喀則地區(qū)海拔在3000 m以上，氣候為典型山地氣候，全年平均氣溫在0 ℃上下。一年之中，最熱為7月，月平均氣溫在6.4～13.2 ℃，基本無需供冷；最冷為1月，月平均氣溫在-6.6～-13.8 ℃，氣溫低且持續(xù)時間長，供暖需求極大。除此之外，由于其高海拔較高，青藏高原地區(qū)的氣壓僅為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的2/3左右，而熱物性參數(shù)隨著海拔的升高而變化[5]，供暖系統(tǒng)性能受熱物性參數(shù)的影響，故本文對供暖性能進(jìn)行分析。

1.1 對流換熱供暖性能分析

由于空氣的普朗特數(shù)不隨海拔高度的變化而變化，因此，可對其空氣進(jìn)行簡化處理，P=0.7，于是，上式變?yōu)椋?/p>

設(shè)銅管長為，空氣的體積流量為，每排有根銅管，則相鄰兩關(guān)鍵最窄流通截面積：

最窄截面處流速：

因此，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

式（6）中，1s、均為風(fēng)機盤管自身參數(shù)；為空氣體積流量，為既定值，因此，僅與空氣物性參數(shù)有關(guān)，不隨海拔高度變化而變化，僅與海拔高度有關(guān)。不同溫度條件下風(fēng)機盤管換熱系數(shù)隨海拔高度變化的衰減系數(shù)如表1所示。

表1 不同盤管溫度條件下風(fēng)機盤管的換熱系數(shù)隨海拔高度的衰減系數(shù)

續(xù)表1 不同盤管溫度條件下風(fēng)機盤管的換熱系數(shù)隨海拔高度的衰減系數(shù)

由表1可以看出，當(dāng)其他所有條件相同的情況下，隨著海拔高度的升高，風(fēng)機盤管的換熱系數(shù)會隨之減小，即風(fēng)機盤管的制熱量也會隨之減少。在高原地區(qū)，海拔高度一般在3000 m以上，在3500 m以上時，風(fēng)機盤管的換熱系數(shù)將減小1/4以上，若按照風(fēng)機盤管的額定制熱量選擇風(fēng)機盤管時，將導(dǎo)致室內(nèi)空氣獲得的熱量不能滿足室內(nèi)熱負(fù)荷的需求，達(dá)不到供暖設(shè)計要求。因此，在高海拔地區(qū)使用風(fēng)機盤管須考慮海拔高度對換熱系數(shù)的影響來選擇合適的風(fēng)機盤管。

1.2 地板輻射供暖換熱性能分析

1.2.1 輻射換熱

本文所采用的輻射換熱的計算方法，是將除地板表面以外的其余五個表面等效為一個表面，通過兩個灰體表面的輻射換熱來計算其地板和其余各圍護結(jié)構(gòu)的換熱[6]。

假設(shè)其房間的地板溫度均勻，且其他圍護結(jié)構(gòu)表面均處于另一溫度且為理想散熱面，其系統(tǒng)發(fā)射率可按照下式計算[6]：

一般，非金屬和涂有油漆表面金屬的表面發(fā)射率約為0.9，將其代入公式（7）和公式（8），可得：

將輻射換熱等效為對流換熱時，其等效換熱系數(shù)為：

由式（10）可以看出，輻射換熱的傳熱系數(shù)計算公式中，無任何空氣熱物性參數(shù)，即輻射換熱的換熱系數(shù)與空氣的熱物性參數(shù)沒有直接的關(guān)系。由此可知，輻射換熱不受海拔高度對空氣熱物性影響的影響，只與地板輻射溫度、圍護結(jié)構(gòu)表面溫度有關(guān)。

1.2.2 自然對流換熱

計算地板表面與室內(nèi)空氣的對流換熱時，Kilkis將地板結(jié)構(gòu)層簡化成平面肋片模型，提出了輻射和對流散熱量計算方法[7,8]。

Kilkis總結(jié)輻射地板表面的熱流密度為：

其中，

式中：t為室內(nèi)空氣平均溫度，℃；h為地板表面的自然對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；為建筑物所在海拔高度，m；A為供暖房間總面積，m2；L為加熱地板周長，m。

根據(jù)式（12）可知，輻射地板表面的自然對流換熱系數(shù)和其房間所在海拔高度有關(guān)，其換熱系數(shù)隨海拔高度衰減系數(shù)如表2所示。

表2 輻射地板表面自然對流換熱系數(shù)隨海拔高度的衰減系數(shù)

對比表1和表2可知，風(fēng)機盤管的換熱系數(shù)隨海拔高度的衰減比輻射供暖地板表面自然對流換熱系數(shù)隨海拔高度的衰減要大。將輻射換熱表面的傳熱系數(shù)與對流換熱表面換熱系數(shù)疊加，即為復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。由于輻射換熱系數(shù)，不隨海拔高度變化而變化，而對流換熱表面換熱系數(shù)受海拔高度的影響，但衰減比風(fēng)機盤管整體換熱系數(shù)要小。因此，綜合來看，地板輻射供暖復(fù)合換熱系數(shù)受海拔高度的影響較風(fēng)機盤管小。因此地板輻射供暖相對于風(fēng)機盤管來說更適合在高海拔地區(qū)使用。

2 利用eQUEST軟件進(jìn)行模型建立和對比

2.1 模擬軟件介紹

eQUEST是一款建筑能耗分析軟件，它可以建立建筑模型及空調(diào)供暖系統(tǒng)模型，再依據(jù)室外圍護結(jié)構(gòu)、氣候條件等條件，綜合計算出室內(nèi)熱量和溫度，進(jìn)而計算負(fù)荷。本文采用eQUEST進(jìn)行負(fù)荷模擬，以便更詳細(xì)的建立供暖系統(tǒng)模型、供暖末端工況，進(jìn)而得到采用不同供暖末端時的能耗狀態(tài)。

圖1 建筑eQUEST模型

2.2 日喀則地區(qū)水源熱泵+低溫地板輻射供暖系統(tǒng)

日喀則機場海拔3783 m，機場航站樓分為上下兩層，總建筑面積為4504.4 m2，最大高度為19.95 m，第一層為候機大廳和安檢區(qū)，建筑面積為3824 m2，第二層為辦公區(qū)，建筑面積為680.4 m2。機場采用地板輻射采暖系統(tǒng)，地面設(shè)計溫度為27.8 ℃。

使用eQUEST建立日喀則和平機場建筑模型圖，如圖1所示。

通過對建筑模型的建立，進(jìn)行模擬計算得出建筑物的自然室溫情況如圖2-4所示。

圖2 航站樓背陽房間自然室溫

圖3 航站樓向陽房間自然室溫

圖4 航站樓內(nèi)區(qū)房間自然室溫

結(jié)合不同朝向外區(qū)和內(nèi)區(qū)房間的自然室溫可以發(fā)現(xiàn)，在4月1日之前和11月1日之后，三種不同房間自然室溫均低于供暖設(shè)計溫度20 ℃。因此，將日喀則和平機場的供暖季定位11月1日至次年4月1日。根據(jù)逐時自然室溫結(jié)果統(tǒng)計，日喀則地區(qū)全年超過26 ℃的時間僅為4個小時，因此，日喀則和平機場可全年無供冷。

使用eQUEST模擬軟件，對日喀則機場建筑模型對供暖季進(jìn)行負(fù)荷模擬，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可知，機場航站樓最大負(fù)荷為773 kW。根據(jù)航站樓供暖季月峰值負(fù)荷，本系統(tǒng)選用某品牌螺桿式水源熱泵，水源熱泵選型及對應(yīng)水泵選型見表3。

圖5 航站樓供暖季逐時熱負(fù)荷

表3 系統(tǒng)組及水泵選型

經(jīng)eQUSET模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 航站樓月供暖系統(tǒng)能耗

圖6中，航站樓供暖季供暖系統(tǒng)月最大能耗為1月份的108209.6 kWh，最小為11月份92150.6 kWh。全年供暖季總能耗為供暖季5個月能耗之和498372.9 kWh。

2.3 日喀則地區(qū)水源熱泵+風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)

在eQUEST模擬軟件中，將日喀則和平機場的供暖系統(tǒng)由水源熱泵+地板輻射供暖系統(tǒng)改為水源熱泵+風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)。對于同一地區(qū)同一建筑，建筑負(fù)荷沒有發(fā)生改變，因此供暖熱源選擇不發(fā)生變化，但需要對末端設(shè)備進(jìn)行選型。

本建筑位于海拔高度4000米左右的高海拔寒冷地區(qū)，采用風(fēng)機盤管作為供暖末端，進(jìn)出風(fēng)平均溫度為30℃。由表1中風(fēng)機盤管的換熱衰減系數(shù)得出風(fēng)機盤管換熱量為：

故風(fēng)機盤管在4000 m海拔高度工況下的制熱量為在海拔高度為0 m工況下的0.737倍，等效為制熱效率=0.737。由于建筑供暖季峰值熱負(fù)荷為773 kW，為建筑布置100臺風(fēng)機盤管，其每臺盤管承擔(dān)熱負(fù)荷為7.73 kW，故其風(fēng)機盤管額定制熱量應(yīng)大于0=10.48 kW。

選擇某品牌風(fēng)機盤管，其性能參數(shù)如表4所示。

表4 風(fēng)機盤管選型

對建筑供暖系統(tǒng)其供暖季進(jìn)行模擬得出圖7。

圖7 水源熱泵+風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)供暖季月系統(tǒng)總能耗

對比圖6和圖7可以看出，水源熱泵+風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)能耗要比水源熱泵+低溫地板輻射供暖系統(tǒng)能耗高，每月因負(fù)荷變化而造成的能耗變化也更加明顯。供暖系統(tǒng)最大月能耗為115020.8 kWh，全年供暖系統(tǒng)總能耗為527993.8 kWh。

圖8 兩種不同供暖系統(tǒng)月系統(tǒng)能耗

比較同一建筑采用兩種不同供暖系統(tǒng)在日喀則地區(qū)的供暖能耗可以發(fā)現(xiàn)，采用地板輻射供暖系統(tǒng)的能耗低于采用風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)的能耗。在供暖季，風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)在供暖季的月最高能耗為115020.8 kWh，最低能耗為97281.5 kWh，全年供暖季總能耗為527993.8 kWh；低溫地板輻射系統(tǒng)的月最高能耗為108209.6 kWh，最低能耗為92150.6 kWh，全年供暖季總能耗為498372.9 kWh，比風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)的節(jié)約能耗5.6%。

3 系統(tǒng)實測與分析

本文對西藏日喀則機場水源熱泵+低溫地板輻射供暖系統(tǒng)和拉薩機場水源熱泵+風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)進(jìn)行了測試，對西藏不同供暖系統(tǒng)的運行特性及供暖末端的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場實測及對比分析。

3.1 測試結(jié)果及分析

3.1.1 室外氣象數(shù)據(jù)

測試期間，拉薩和日喀則地區(qū)室外氣象參數(shù)如圖9所示。

圖9 拉薩和日喀則室外空氣溫度

由圖9可以看出，測試期間兩地區(qū)的空氣溫度近似正弦波變化，測試典型日室外氣溫均沒有超過8 ℃，平均室外干球溫度為0 ℃左右。兩地區(qū)在典型日室外氣溫變化基本相同，溫度相似。

兩測試建筑均為機場建筑，功能相同，大小相近，且圍護結(jié)構(gòu)采用相似材料。兩建筑室外氣候條件相同，并且采用供暖系統(tǒng)熱源相同，均為水源熱泵制熱，僅供暖末端不同，因此，對兩建筑供暖期間室溫及能耗等的比較，可視為對兩供暖系統(tǒng)的比較。

3.1.2 室內(nèi)溫度測試結(jié)果

（1）室內(nèi)壁溫

測試組在8:00～20:00之間利用紅外線溫度儀分別測量各墻面、玻璃幕墻、屋頂及一二樓地面的溫度，測量結(jié)果如圖10、11所示。

圖10 拉薩機場各壁面溫度

圖11 日喀則機場各壁面溫度

比較兩建筑壁面溫度，發(fā)現(xiàn)拉薩機場屋頂溫度要比日喀則地區(qū)屋頂溫度高，地面溫度因日喀則機場為地板輻射供暖，所以沒有可比性，四周墻壁溫度拉薩機場要略高于日喀則機場。整體來看，除地面溫度以外，拉薩機場的壁面溫度要高于日喀則機場的壁面溫度。

（2）垂直方向上室內(nèi)溫濕度分布

利用溫濕度巡檢儀測量其縱向的溫濕度分布，以研究地板輻射供暖下高大空間縱向的溫度分布特性，測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 拉薩機場不同時刻垂直方向的溫度分布

圖13 日喀則機場不同時刻垂直方向的溫度分布

圖12中可以明顯看出，采用風(fēng)機盤管供暖末端的拉薩機場，在低于10 m高度的區(qū)域，空氣溫度隨著高度的增加而增大，工作區(qū)域2 m處的溫度最低，在典型日中，最低溫度11.48 ℃，最高溫度17.93 ℃，未達(dá)到室內(nèi)設(shè)計供暖溫度。而在10 m處，溫度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了室內(nèi)供暖設(shè)計溫度。這樣的溫度分布既沒有使工作區(qū)達(dá)到供暖需求，同時降低了室內(nèi)的熱舒適性，增加了通過屋頂?shù)臒釗p失傳熱，造成了能耗的浪費。

圖13中可以看出，采用低溫地板輻射供暖的日喀則機場，垂直方向上的溫差小，從0.1 m～8.5 m處的空氣溫度最大差值小于4 ℃，垂直方向上溫度分布均勻，且0.1 m、1.5 m工作區(qū)的空氣溫度均達(dá)到供暖設(shè)計溫度，熱舒適性高。

采用風(fēng)機盤管供暖末端的建筑工作區(qū)未達(dá)到供暖設(shè)計溫度，因其設(shè)計時，對風(fēng)機盤管的選型未考慮海拔高度的變化對風(fēng)機盤管制熱性能的影響。而低溫地板輻射供暖的復(fù)合傳熱系數(shù)受海拔高度影響較小，所以設(shè)計時，即使不考慮海拔高度的影響，低溫地板輻射依舊可以承擔(dān)其室內(nèi)熱負(fù)荷需求，從而達(dá)到室內(nèi)設(shè)計供暖溫度。這也從側(cè)面印證了前文理論和模擬的結(jié)果。

3.2 供暖系統(tǒng)的性能測試

（1）拉薩水源熱泵+風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)

拉薩機場地下水源熱泵+風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)測試結(jié)果如圖14所示。

圖14 水源熱泵機組兩端進(jìn)出口水溫與機組COP

詳細(xì)檢測數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 熱泵機組制熱性能系數(shù)檢測結(jié)果

（2）日喀則水源熱泵+地板輻射供暖系統(tǒng) 日喀日喀則機場地下水源熱泵+地板輻射供暖系統(tǒng)測試結(jié)果如圖15所示。

圖15 熱泵機組兩端進(jìn)出口水溫與機組COP

詳細(xì)檢測數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 熱泵機組制熱性能系數(shù)檢測結(jié)果

由測得的風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)和低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的系統(tǒng)特性可知，兩系統(tǒng)水源熱泵特性基本相同，水源熱泵供熱量基本相同，但系統(tǒng)能效比卻不同，因供熱末端的不同而有所差異，驗證了本文所模擬的結(jié)果。

4 結(jié)論

本文分析了氣候條件對候機樓中常用的供暖末端在高海拔地區(qū)供暖能耗的影響，并基于日喀則某候機樓低溫地板輻射供暖系統(tǒng)，通過eQUEST軟件模擬和現(xiàn)場實測兩種方式，對系統(tǒng)能耗和室內(nèi)溫度分布進(jìn)行分析，并與拉薩某候機樓風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)進(jìn)行對比。具體結(jié)果如下：

（1）通過對高原寒冷地區(qū)候機樓常使用的風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)和低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的傳熱過程進(jìn)行理論分析，并結(jié)合不同海拔高度對空氣熱物性參數(shù)的影響，得出地板輻射供暖復(fù)合換熱系數(shù)受海拔高度的影響較風(fēng)機盤管小。

（2）通過使用eQUEST能耗模擬軟件分別對水源熱泵+低溫地板輻射供暖系統(tǒng)和水源熱泵+風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)建立模型和計算，比較兩供暖系統(tǒng)的能耗差異，得出風(fēng)機盤管系統(tǒng)全年供暖季總能耗為527993.8 kWh；低溫地板輻射系統(tǒng)全年供暖季總能耗為498372.9 kWh，比風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)的節(jié)約能耗5.6%。

（3）通過對拉薩市的水源熱泵+風(fēng)機盤管供暖系統(tǒng)和日喀則市的水源熱泵+低溫地板輻射供暖系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場實驗測試，分析了系統(tǒng)的能耗和室內(nèi)的溫度分布，使模擬結(jié)果和理論分析得到了驗證。水源熱泵供熱量基本相同時，低溫地板輻射系統(tǒng)的平均能效比為2.7，而風(fēng)機盤管系統(tǒng)為2.5。即低溫地板輻射供暖末端在高原寒冷地區(qū)更為適用。

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Applicability Study on Low Temperature Radiant Floor Heating of Large Space Building in High Altitude Cold Regions

Li Qianru1Xia Hongtao2Li Yongcai1Zhen Jianglong3

(1.Chongqing University, Chongqing, 400044;2.China Civil Aviation Airport Construction Group Company, Chengdu, 610200;3.Army Service College, Chongqing, 400044 )

Due to its unique geographical conditions, plateau cold areas has the characteristics of high altitude, low air pressure, low temperature, long winter, which makes a long heating period and high proportion of building energy consumption. However, the research about the influence of climatic conditions on the performance of the terminals in plateau cold areas is less. First, this paper analysis the impact of atmosphere on heating energy consumption of the common heating devices used in the terminals in t plateau cold area; then, study on the low-temperature radiant floor heating system of a terminals in Shigatse and analysis its system energy consumption and indoor temperature distribution compared with the FCU heating system of a terminals in Lhasa by both eQUEST stimulation and the field measurement. The results show that the low-temperature floor radiant heating system is 5.6% less energy consumption than the fan - coil heating system, that is, the low temperature floor radiant heating system is more suitable for the plateau cold areas.

Plateau Cold Area; Low Temperature Floor Radiation Heating; Fan Coil Unit; eQUEST Simulation; Energy Consumption

1671-6612（2018）04-391-09

TU831

A

中國中冶重大科技專項項目（項目編號：0012012006）

李倩茹（1992.11-），女，在讀碩士研究生，E-mail：qianruli123@163.com

李永財（1982-），男，博士研究生，講師，E-mail：905255911@qq.com

2017-08-07