風機盤管/毛細管頂板聯合供暖的試驗研究

徐正宏

（南京市建筑設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末端設備，已經廣泛應用于各種建筑領域，相關的研究成果也很多，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的一種新型輻射盤管方式，其仿造人體及葉脈毛細管構造，采用壁厚約0.9mm，直徑約3.5～5mm的PP－R（無規共聚聚丙烯）材料制成。與傳統輻射盤管相比，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，一些生產研究毛細管的工廠、設計制造安裝公司組織制定了FGK標準，為毛細管設計研發提供了參考。Tacycon Kim［1］總結前人的研究得到毛細管輻射盤管系統應用有很大的節能潛力。輻射盤管在高濕度的氣候條件下使用時，出現了結露和不能除濕等問題。針對這一現狀，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合，解決了結露的問題;LZ.Zhang、J.L.Liu［4］和丁云飛［5］提出用轉輪的方法除濕。毛細管輻射盤管作為空調系統的末端，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系統的傳熱傳質模型，試驗研究毛細管輻射盤管/置換通風空調系統的結露過程，認為結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系統應用和推廣的障礙。高志宏，劉曉華［7］對毛細管輻射盤管吊頂空調系統進行了試驗研究，分析了不同供水狀況和不同敷設形式下，毛細管輻射盤管空調的供冷能力和熱舒適性。從目前的現狀來看，結合風機盤管的毛細管輻射盤管空調系統還是最成熟的方案，實際工程當中也有應用。

根據我國的氣候條件，許多的地方不僅夏季需要制冷空調，冬季也需要供暖。目前研究毛細管輻射盤管系統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中，但毛細管頂板/風機盤管系統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系統時，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/風機盤管系統冬季供熱的工況條件、房間舒適性以及系統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。

2 試驗

2.1 試驗環境及測試內容

本文搭建了毛細管頂板/風機盤管空調系統試驗平臺，平臺利用南京市建筑設計研究院與某地產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，房間頂部設有金屬板毛細管吊頂，下部設有送風口，頂部設有回風口。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，每部分敷設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數據采集儀采集及記錄試驗數據。

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，根據實測 （實測從某日19∶00至次日19∶00，房間沒有供暖、人員和設備散熱，也沒有人員進出，門窗保持關閉）房間溫度，見圖2。由試驗結果可以看出，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連續運行試驗，以測試長時間連續運行的性能。另外，還運用TRNSYS軟件模擬了該系統冬季不同工況 （流量、供水溫度）下系統及房間特性 （具體模擬過程略）。

（1）變工況試驗方法及步驟:

1）試驗前利用閥門調節水路流量，待流量穩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，記錄試驗數據。

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，采用另一套空調設備將房間溫度 （房間幾何中心處）調整為8℃，管路中水溫調整為12℃，一組試驗結束后，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，兩末端設備同時開啟三小時后關閉風機盤管，

3 結果分析與討論

本文對房間的負荷情況進行了分析計算，計算時依據《實用供熱空調設計手冊 （第二版）》中的相關計算方法和標準［8］，室內計算溫度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］中關于人員散熱的標準，結果見表1。

表1 房間負荷及內熱源情況

3.1 房間穩定溫度分析

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，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的變化在1.5℃之內，平均值最大組為4.26℃。最小組為2.36℃，試驗室氣密性良好，室內沒有人員走動，因此，外界環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，房間穩定的溫度均呈現上升的趨勢，房間最終溫度都可以維持在20℃以上，滿足規范中18℃至22℃的冬季室內設計溫度范圍，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）系統運行在較大流量 （0.8m3/h和1.0m3/h）區間時，增大流量對于系統快速達到溫度要求相對于提高水溫其效果更加明顯。

2）系統在小流量 （0.6m3/h）狀態運行時，改變系統的供水溫度，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的響應時間。

3.3 系統舒適性分析

根據ISO7730的標準，房間的參數可以擬合為PMV－PPD，從而判定房間的舒適性。Fanger教授根據人員活動量和衣著情況以及四個環境變量，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境熱感覺表示不滿意的百分率的預計值，其與PMV的關系式為:

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

根據計算PPD服從正態分布，當PMV=0時，PPD=5%，也就是說即使室內環境達到最舒適的狀態時，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，也就是說只有10%以內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，實際上人員在室內時不可能全部時間都是在靜坐辦公狀態，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℃作為室內計算干球溫度的，而PMV－PPD結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范中的房間設計溫度為18～22℃具有一定的沖突。Fanger教授在總結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，相應的供水參數是可以接受的。

在舒適性范圍內，進一步考慮人體對于頭部和腳部溫差的感受。IS07730標準中規定:在工作區的上方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，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 系統節能潛力研究

傳統的采暖方式中，末端采用散熱片形式的系統需要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，風機盤管聯合毛細管金屬板末端設備可以有效地降低供水溫度，具有節能的潛力，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℃熱水時節能16%，可見采暖時使用低溫供水將有效減少系統能耗，達到節能的目的。

圖8 變供水溫度地源熱泵COP值

圖9 輻射散熱量百分比

有數據表明［8］，當系統采用輻射末端采暖時，室內設計溫度可以比采用單純風機盤管系統時降低1～3℃。由圖9可以看出系統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揮更大的作用，無論是舒適性還是節能性能都得到提升。

4 結論

通過構建風機盤管/毛細管末端系統TRNSYS模型及搭建系統試驗平臺，對風機盤管/毛細管末端系統進行了模擬和試驗研究，分析了模擬及試驗數據，得到以下結論:

風機盤管/毛細管末端系統在冬季能夠有效地改善室內熱環境，房間穩定溫度、房間響應時間、PMV－PPD等舒適性因素均滿足相關標準。

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

［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.除濕轉輪處理冷卻頂板空調系統的濕負荷［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簡介 ［J］．建筑節能，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.實用供熱空調設計手冊 （第二版）［M］．北京:中國建筑工業出版社，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