程海峰 劉亞軍 王庚 唐光明 李海斌 朱紹峰
安徽建筑大學建筑能效控制與評估教育部工程研究中心
摘 要：設計了一套低溫供暖系統并進行了連續性測試，研究結果表明，采用45.0℃的供水溫度時，室外溫度在-1.0℃～10.8℃變化對室內平均溫度的變化影響不顯著；室內溫度穩定后，人體站立時頭部與腳踝處的平均溫差為2.8℃；散熱器表面溫度的變化會引起圍護結構內表面溫度小于1.0℃的波動，并且該內表面溫度在18.4℃～20.2℃范圍內變化是受外窗太陽輻射熱的影響；通過Airpak軟件模擬可知室內舒適性較好。
關鍵詞: 供暖；散熱器；熱舒適性；評價
中文分類號: TU832.1 文獻標識碼:A
Indoor Thermal Environment Monitoring and Thermal Comfort Evaluation of Low Temperature Hot Water Heating System
CHENG Hai-feng1 LIU Ya-jun2 WANG Geng2 TANG Guang-ming2 LI Hai-bin3 ZHU Shao-feng3
1. The Ministry of Education Engineering Research Center of Buildings Energy-efficient Control and Evaluation,Anhui Jianzhu University;2.School of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University; 3.Anhui Engineering Technology Research Center for Building energy-saving, Anhui Jianzhu University
Abstract: A set of low temperature heating system was designed and the continuity test was carried out. The results indicated that: when the water supply temperature is 45℃, the impact of outdoor temperature at -1.0℃ ~ 10.8℃ on the indoor average temperature was non-significant; the difference of the average temperature between tester’ head and ankle was 2.8℃ when the indoor average temperature was stable; The variation of radiator surface temperature could cause the temperature fluctuation of interior envelope surface but the degree could only be ±1℃, and the changing of inner surface temperature between 18.4℃ and 20.2℃ could be impacted by the solar heat of exterior windows. Airpak simulation shows that the indoor thermal comfort is better.
Key words: heating; radiators; thermal comfort; assessment
0 引言
建筑環境不僅要實現節能減排的效果，而且需要保障人體對環境舒適性的要求[1]。為達到舒適的室內熱環境，采用散熱器供暖時，供水溫度較高會引起散熱器表面與空氣間存在較大溫差，繼而導致室內相對濕度顯著降低，容易引發室內物體與空氣電離而增加人體靜電，因而人體會產生不適的燥熱感[2]。低溫熱水供暖雖然能降低熱水在管道輸配時的熱損失，并能提高區域供暖的總效率[3-4]，但當供水溫度過低時，顯然難以達到室內供暖要求。因此，研究合適供暖熱水溫度來保證室內環境對熱舒適性的要求具有重要意義[5]。
該研究主要考察夏熱冬冷地區（合肥）低溫熱水供暖狀況，設計了一種空氣源熱泵—散熱器供暖系統，在45.0℃/40.0℃供回水的條件下對室內溫度場、室內黑球溫度、相對濕度、室外溫度、圍護結構內表面溫度等因素變化狀況進行監測，并采用Airpak軟件分析其熱舒適性，以期為空氣源熱泵—散熱器供暖系統在夏熱冬冷地區的應用提供技術支持。
1、測試對象與方案
如圖1所示，為辦公室三維模型圖。該辦公室面積為26.04m2（尺寸為 6.2m×4.2m×3.0m），其中南墻與西墻為外墻，在南外墻上有兩扇推拉窗，東墻為內墻，北墻緊鄰走廊.窗臺高度為0.9m，窗寬為1.8m，窗高為2.0m。本實驗共布置3組長1.5m、寬0.1m、高0.78m的散熱器。本實驗熱源為一臺可調節供水溫度的空氣源熱泵機組，設計供回水溫度為45℃/40℃。
圖1 辦公室三維模型
為測得房間內溫度、濕度、黑球溫度及圍護結構內表面溫度，本實驗采用如下儀器：K型熱電偶；JTDL-80型多通道熱電偶采集模塊；JT-IAQ-50型在線式熱舒適儀；無線式溫濕度巡檢儀、溫/濕度采集器。
如圖2、3所示，為測點水平分布圖與垂直布置圖。室內溫度監測點根據ISO 7730[6]中對房間舒適性的規定，考慮了人的頭部(站姿、坐姿)、膝蓋處以及腳踝處對溫度的要求，在豎直方向上分別選取了h=0.1m、h =0.5m、h=1.1m、h=1.7m高度處作為室內溫度場的監測點，在水平方向選取9個測點，共計36個點，圖2中編號為z=1.1m處測點。
測試時間為2017年2月8日上午9:00至2017年2月12日下午17:00，2月8日為雨雪天氣，其余4天天氣為晴天，監測期間室外溫度范圍為-1.0℃～10.8℃。
圖2 測點水平分布圖
圖3 測點垂直分布圖
2、數值模擬研究模型
采用代數關系式把湍流粘性系數與時均值聯系起來的零方程模型，該模型在處理室內問題時比k－ε湍流模型更容易收斂[15]。采用有限容積法對控制方程進行離散，并選擇二階迎風格式提高計算精度。為簡化該房間物理模型，提出如下假設：1）室內氣體為不可壓縮、常物性、定常流，滿足Boussinesq 密度假設；2）房間各壁面的傳熱均勻，各壁面作等溫、穩態傳熱處理；3）室內工況達到穩定時 
[7]。根據以上假設其控制方程為：
（1）
測試房間只有西墻與南墻為外墻，因此設置邊界條件時假定房間東墻與北墻為絕熱墻，門窗處于關閉狀態，不考慮冷風滲透影響，根據實驗監測數據分別設定地板溫度為15.2℃，天花板溫度為16.9℃，外窗溫度為16.0℃。
3、結果分析
3.1測試結果分析
3.1.1房間內平均溫度、相對濕度與室外溫度的關系
圖4為實驗房間在監測時間內的室內平均溫度、相對濕度與室外溫度變化曲線，實驗監測第1天為陰雨天，室外溫度化較為平緩且晝夜溫差變化不顯著，后4天天氣晴朗，晝夜溫差較大。第1天室內平均溫度升高顯著，并在實驗監測后4天11:30至15:30之間存在峰值，其值在19.7℃～20.6℃；由于受到太陽輻射影響，致使室內空氣溫度在該時間段可增加至20.5℃，在晚間無太陽輻射的狀況下，即使室外溫度變化顯著，但室內空氣溫度穩定保持在18.5℃；系統運行第1天下午4點后室內平均溫度由初始值7.6℃升至18.0℃，平均溫升速率為1.5℃/h；室內相對濕度與室內平均溫度兩者間變化趨勢明顯不同，在含濕量相等的情況下，相對濕度隨著室內溫度升高而降低，其相對濕度最終穩定在33%附近，室內相對濕度與室內平均溫度達到Ⅱ級熱舒適度要求[8]。
圖4 室外溫度、室內平均溫度與相對濕度
3.1.2房間內垂直溫度變化
如圖5所示，分別為在0.1m、0.5m、1.1m、1.7m處的平均溫度變化曲線與室外溫度的關系。4個不同高度的溫度隨時間變化逐漸升高后趨于穩定，在后4天11:30～15：30存在明顯峰值，4處平均溫度依次增高，其最大值為21.1℃，最小值為16.3℃。空氣溫度在11:30～15：30時間段內存在峰值，是由于午間太陽光輻射引起室內空氣溫度的升高，后續時間段因太陽輻射逐漸減少使溫度降低并恢復平穩。4個不同高處后4天室內溫度最大波動幅度為7.0%、7.1%、8.4%、9.2%，可見隨著垂直高度越高溫度波動明顯。在垂直方向上，1.7m處與0.1m處溫差最大為3.8℃，但后4天平均垂直溫差為2.8℃，滿足熱舒適性對垂直溫差的要求[8]。0.5m處于0.1m處平均溫差可達1.5℃，而1.7m處與1.1m處平均溫差僅為0.4℃，因此，在0.1m～1.7m之間室內空氣溫度增長率隨高度增加而降低。
圖5室內垂直溫度
3.1.3房間圍護結構內表面溫度、黑球溫度與空氣溫度
如圖6所示，為2月9日至12日圍護結構內表面溫度、黑球溫度與室內空氣溫度之間的關系。在15:30～11:30之間，圍護結構內表面溫度波動幅度小于1℃，但在每天11:30至15:30之間溫度升高幅度較大，最大升高為2.4℃；黑球溫度、室內空氣溫度與圍護結構內表面溫度變化趨勢一致，溫度最大升高分別為2.1℃、1.9℃。散熱器表面溫度的變化引起圍護結構內表面溫度小于1℃的波動，并且該內表面溫度在18.4℃～20.2℃范圍內變化是受外窗太陽輻射熱的影響；圍護結構內表面溫度的變化引起室內輻射溫度的變化，從而導致黑球溫度與室內空氣溫度變化，所以3條曲線變化趨勢一致，而且黑球溫度處在空氣溫度與圍護結構內表面溫度之間。空氣溫度與圍護結構內表面溫度差值范圍為1.7℃～2.8℃，黑球溫度與空氣溫度的溫差為0.4℃～1.5℃，而與圍護結構內表面的溫差為1.3℃～2.2℃，其差值均處在建筑熱工對房間熱舒適性要求的范圍之內；黑球溫度與空氣溫度的差值小于黑球溫度與圍護結構內表面溫度的差值，表明使用低溫散熱器供暖時人體受到圍護結構冷輻射的影響較小[9]。
圖6圍護結構內表面溫度、黑球溫度與空氣溫度
3.2數值模擬分析
3.2.1溫度分布
如圖7所示，為x=3.1m處的溫度云圖。以散熱器為中心，室內空氣溫度呈現遞減趨勢，并在散熱器周圍小范圍內空氣溫度變化較大，在散熱器垂直方向溫度快速由30.2℃變為22.1℃，遠離散熱器溫度逐漸穩定在20.3℃。近地面區域溫度較低，且溫度波動較大，在0.2m處與0.1m處溫差可達1.1℃，隨之溫度逐漸升高，2.8m～3.0m處溫度略有降低，在2.8m處存在最大值為19.7℃，這是因為隨著熱空氣的流動引起熱量向維護結構傳遞，熱空氣變為冷空氣而導致溫度降低。
如圖8所示，為該實驗z=1.1m處測試結果與模擬值對比圖。選取2月9日~2月11日的平均值做為測試值由圖可知測試與模擬數值基本一致，最大誤差為5.8%。與模擬結果相比，靠近散熱器一側測點受到散熱器輻射的影響導致測試值偏大，靠近門的一端受到冷風滲透的影響使得測量值低于模擬值，因此冷風滲透對于溫度分布有一定的影響。
圖7 x=3.1m處溫度云圖（單位：℃） 圖8 z=1.1m處測試結果與模擬值對比圖
3.2.2熱舒適評價指標PMV-PPD分析
本研究采用PMV-PPD指標評價熱舒適性。PMV-PPD指標是目前較為具有代表性的室內熱環境評價指標 [10]。通過Airpak軟件獲得模擬如圖9、10所示結果。圖9為z=1.1m處PMV值分布，靠近散熱器一端，PMV值波動顯著，并且以散熱器為中心遞減，遠離散熱器一端PMV值變化平緩，人體活動區域PMV在0.40附近。圖10為z=1.1m處PPD值分布，散熱器上方PPD值最大達到15%，室內人體活動區域PPD值處于7%～8%。因此，滿足ISO 7730中推薦PMV、PPD的值的要求（-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%）[6] 。根據熱感覺標尺可知人體在該環境中感覺適中或微暖，因而采用低溫散熱器供暖的的小型辦公室具有較好的熱舒適性。
圖9 z=1.1m處PMV值分布 圖10 z=1.1m處PPD值分布
4、結論
(1)在不考慮太陽輻射的前提下，該供暖系統室外溫度的波動對室內平均溫度的影響不顯著，系統啟動時溫升速率溫度為1.5℃/h，到達舒適溫度時間較長，在合肥地區該辦公室應用時宜采取連續性供暖。
(2)房間黑球溫度和圍護結構內表面溫度的日平均溫差、黑球溫度與室內空氣溫度的溫差均滿足人體對熱舒適度的要求。
(3) 溫度場模擬表明，在垂直方向上溫度并不是隨著高度的增加而一直升高，反而在2.8m～3.0m處溫度略有降低。PMV-PPD指標滿足ISO 7730推薦值，因而可以判斷45℃供水溫度時室內有較好熱舒適性。
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