摘要:節能環保以及室內環境的舒適性是現代暖通空調技術發展的一個基本趨勢.毛細管輻射空調由于其舒適性高、導熱能力快、不占用建筑使用空間、節能效果明顯等優點越來越受人們的關注.在此背景下，提出通過建立置換通風+毛細管地板輻射的熱傳導模型，數值模擬該復合空調供給的熱濕環境參數，并與實驗測得的溫度、濕度、速度、PMV、PPD值進行對比，得出不同供水溫度與換熱量的關系，分析該復合空調的供冷能力.該研究為促進供暖/供冷一體化技術在長春地區的發展應用提供一定的參考價值.

　　關鍵詞:節能環保;置換通風;毛細管地面敷設;輻射供冷;數值模擬

　　1供冷實驗設計

　　本實驗室地點在吉林建筑大學城建學院超低能耗示范建筑研究基地進行，以201辦公室為模擬原型，采用了溫濕獨立控制的置換通風+毛細管地板輻射空調系統，毛細管承擔室內的顯熱負荷，置換新風承擔室內的潛熱負荷;毛細管管材是PP-R管，規格為4.3mm×0.8mm，干管規格是20mm×2mm，毛細管長度1000～6000mm，每50mm為一檔，寬度為150600mm，每50mm為一檔.每個環路流量不大于4L/min.新風由組合式全熱交換新風加除濕機組處理后送至各個房間，送風形式高位回風，地面送風并設置明裝靜壓箱;房間面積為36m2，房間尺寸為6000mm×6000mm×3600mm(長×寬×高)，門尺寸1200mm×2500mm(寬×高)，外窗尺寸2700mm×2000mm(寬×高);以上述實驗室為模擬依據.

　　2系統原理及研究現狀

　　2.1系統原理

　　輻射空調是一種新穎的空調形式，與傳統對流換熱相比，加大了人體與維護結構之間的輻射換熱，并通過圍護結構蓄熱達到建筑節能以及增強室內舒適性的作用[1].置換通風+毛細管輻射的復合空調，通過置換通風方式用干燥新風調節室內濕度，通過輻射末端用高溫冷熱水調節室內溫度;輻射末端承擔室內的顯熱負荷，置換通風承擔室內的濕負荷，濕熱獨立控制.毛細管網輻射系統是一種模仿植物的葉脈組織和人體的毛細血管散熱原理而發明的采暖/制冷末端系統.輻射產生的能量一部分會直接投射到人體表面，另一部分則投射到房間其他物體表面;所以輻射傳熱量受輻射表面、人體、圍護表面及室內其他物體的表面溫度、相對位置、幾何形狀及輻射特性的影響[2].

　　置換通風的優勢借助熱空氣密度差原理，利用室內空氣污染物的浮升特性，以自然對流方式來調節室內空氣，使得室內溫度分層、污染物濃度分層，將余熱和污染物置于人員頭頂以上高度，從而保證人員活動區有良好的空氣品質[3].置換通風優勢的發揮取決于流場的分布，不同因素對系統的影響將通過其分層的高度反映出來.

　　2.2研究現狀

　　探索輻射空調的系統能耗和熱舒適性方面已有許多學者開展了研究.大連理工任宇婷對輻射制冷的傳熱機理進行研究，簡化人體熱平衡方程得出顯熱散熱量，輻射對流散熱率和熱舒適性之間的關系[4].沈陽建筑大學王李子對空氣源熱泵的直接地板輻射采暖系統進行研究，該系統以使用制冷劑作為傳熱介質，直接進入室內毛細管進行冷凝和放熱，最后得出了影響其傳熱的個別因素[5].

　　W.Olesen根據用戶反饋的舒適度，結合使用條件和系統能耗，為地板輻射制冷技術提供部分設計數據[6].H.Imanari等將頂板輻射制冷系統與傳統的對流空調系統進行了比較，反映了輻射冷頂板系統的經濟性、節能性和熱舒適性[7].天津大學那艷玲基于計算流體動力學的(CFD)模型模擬輻射頂板加置換通風系統，并與正常通風系統的室內熱環境和人體熱舒適性進行對比.結果表明，冷卻頂板加置換通風系統可以有效降低室內溫度梯度，提高人體的熱舒適度[8].西安理工大學嚴振華從工程設計和實驗驗證提出了一種將蒸發冷卻與輻射冷/熱相結合起來的空調系統[9].

　　梁秋錦等實驗測試毛細管網絡輻射冷卻系統，分析三種不同的毛細管網絡敷設方法的室內熱參數.結果表明，三種鋪設在冷卻穩定時均可以滿足≤28℃的舒適度要求[10].王梅杰等研究不同氣候帶、輻射末端供熱的節能性，并在相同的舒適條件下與對流供熱進行了節能對比分析.對比結果表明，在相同的舒適條件下輻射供暖比對流供暖更節能，并且不同氣候帶對輻射采暖節能效果的影響差異較大[11].綜上所述，室內的熱濕環境參數包含室內空氣平均溫度、空氣濕度、空氣流速以及人體與地面、頂板、墻壁、家具等的輻射換熱，其中人與環境之間的輻射換熱往往存在不對稱性，這使得室內熱環境變化更復雜[12].

　　3模擬過程及結果分析

　　3.1模擬軟件Airpak簡介

　　Airpak軟件適用于暖通空調、供熱、供燃氣通風等工程領域，是一款專業的用于分析人工環境的軟件.Airpak軟件可以通過綜合考慮各種可能的內擾動因素并設定邊界條件以及初始條件來反映氣流的分布情況對氣體流動、溫度場、PMV、PPD等室內熱舒適性衡量指標.

　　3.2模擬過程及結果分析

　　3.2.1模擬過程(1)建立置換通風+毛細管地板輻射的熱傳導模型，加入求解所需要的初始條件，設置對應的物理參數、邊界條件.(2)選擇適當的算法，設定具體的控制變量，數值模擬室內熱舒適性得出夏季工況下的室內溫度場分布、速度場的分布，舒適性指標PMV-PPD值.3)優化設計性能，分析提出更合適的設計值.通過與實驗數據對比，來驗證所設定的數學模型及邊界條件的正確性.

　　在實驗測定下得出毛細管地板輻射供冷在達到供冷穩定階段時的室內熱環境情況;實驗期間長春市室外最高溫度為28.2℃，最低溫度為21.8℃，在人員活動區縱向設定5個不同高度紅外監測點，測點布置高度分別為0.2、0.75、1.5、1.75和2m.測定平均輻射溫度下對應輻射表面的熱流密度，得出在管徑為4.3mm、管間距為40mm時，供水溫度為19℃、流速為0.15m/s;送風溫度為18.5℃、風速為0.3m/s，室內舒適性較好.

　　3.2.2模擬結果分析

　　(1)室內溫度分布.由數據顯示來看，溫度分布的模擬值與實驗測量值變化趨勢相同.室內空間在毛細管表面的空氣層溫度分層情況比較明顯，這是由于輻射面附近的空氣與輻射面發生對流換熱，空氣溫度降低，密度大的空氣下沉，積聚在人員活動區，在X=3m的垂直方向上，工作區內最大溫差為1.25℃.由于新風的引入，造成了室內水平方向的擾動，加大了室內的水平溫差.屋頂設置有兩個日光燈，因此該截面上頂部溫度較高.同時外窗側溫度較高，冷空氣下沉不明顯，而在內墻側冷空氣下沉較明顯.

　　(2)室內速度場的模擬結果，對模擬結果進行分析可知，置換新風在進入室內形成空氣湖，在地面鋪開，新風進入室內后的速度衰減是比較均勻，當碰到障礙物時向兩邊，擴散繼續衰減.室內的大部分區域風速小于0.1m/s，在人員活動區的最大風速是0.13m/s，均小于0.3m/s，不會有吹風感.

　　(3)PMV、PPD的模擬結果分析.PMV共七級-3～3分別表示熱、溫暖、較溫暖、適中、較涼、涼冷，規范規定PMV=±1，PPD值不大于27%，人體冷熱感覺滿足舒適要求.

　　4結論與展望

　　4.1結論

　　綜合比較得出，地板毛細管輻射系統的實驗值與模擬值變化趨勢相同且吻合度較好.空氣對流加地板輻射的復合換熱對人體的作用溫度近乎相等，是實際工程中較優的選擇.(1)室內設置熱濕源如有實驗人員、電腦也在不斷發熱，因此該區域溫度較高[13].垂直高度最高溫度為27.5℃，最低溫度為24℃，實驗實測室內人員活動區平均溫度為26.5℃，而模擬結果室內人員活動區溫度在25.25℃左右，模擬結果與實驗結果誤差小于2℃.(2)可以看出室內速度場也呈現了較為對稱的形式.相比于實驗值，室內產生冷空氣的速率較略升高，明顯看出由于新風的引入，加劇了房間的擾動.

　　(3)整個實驗房間在垂直方向上的PMV值略有升高，在靠近地板附近的PMV值隨著高度的升高而升高.同時預測不滿意率的PPD值較低，滿足規范規定的人體熱舒適性值.(4)由于模擬優化的室內條件是輻射毛細管面積為全部地面的滿鋪，假定輻射表面的溫度是均勻的，把輻射表面看成是一個恒溫的穩態邊界，使實驗條件下的人員活動區溫度要高于模擬條件下的平均室內溫度1.7℃左右.

　　4.2展望

　　(1)本文只針對置換通風加毛細管地板輻射的夏季工況進行了研究，而在嚴寒地區冬季供熱是必不可少的，接下來還將繼續對冬季工況進行深入研究.(2)本文僅對不同供水溫度的實驗值與優化后模擬值進行了分析，影響毛細管輻射換熱量的因素繁多，如輻射末端的構造、管間距、埋深及敷設面積等因素可就其他因素進行分析.(3)本文采用了溫濕獨立的全熱回收機組，以高位送風低位回的新風送風形式，可就其他送風形式進行研究.

　　參考文獻

　　[1]馬龍霞.地源熱泵與毛細管輻射末端復合系統的能效實驗與模擬分析[D].武漢:華中科技大學，2017.

　　[2]張璨.頂板多孔對流輻射空調的換熱特性研究[D].株洲:湖南工業大學，2015.

　　[3]胡小倩.輻射供冷與置換通風復合系統室內熱環境特性研究[D].重慶:重慶大學，2017.

　　[4]任雨婷，端木琳，金權.基于等效溫度的工位空調環境下熱舒適區研究[J].暖通空調，2016，46(5):101-107

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