不同冷輻射表面位置對內嵌管式圍護結構供冷房間負荷的影響

陳尚斐 隋學敏

不同冷輻射表面位置對內嵌管式圍護結構供冷房間負荷的影響

陳尚斐 隋學敏

（長安大學建工學院 西安 710061）

采用Energyplus軟件搭建了西安地區典型住宅建筑的內嵌管式地板、頂板、墻面輻射供冷模型，對比研究了在相同的埋管參數與室內操作溫度條件下，輻射系統連續運行時冷輻射板位于三種不同位置的房間冷負荷差異。模擬結果表明，地板供冷的表面峰值冷負荷高出墻面供冷16.01%，墻面供冷的水側峰值冷負荷高出地板供冷7.92%。

內嵌管式圍護結構；冷輻射表面位置；冷負荷；仿真模擬；影響規律

0 引言

內嵌管式圍護結構輻射供冷系統是在地板、頂板或墻體等建筑圍護結構內部嵌入通有冷凍水的水管，從而在混凝土建筑構件內部形成冷量的存儲與傳遞，使得圍護結構內表面降溫，通過圍護結構內表面與室內環境的輻射與對流換熱，實現對建筑室內熱環境的控制。該系統由于舒適性高、節能性好的優點，近年來受到廣泛關注[1]。

空調負荷計算是空調系統設計及設備選型的基礎，其準確性對系統的初投資及節能性影響較大?？照{系統按照去除室內熱量的方式不同，可分為輻射式空調系統和對流式空調系統，兩種不同空調末端的房間冷負荷形成機理存在差異[2]。對流式空調中，系統通過對流換熱的方式來消除房間內的得熱，輻射得熱部分進入室內后并不能直接進入空氣中，而是通過輻射換熱的方式傳遞到各圍護結構內表面和家具的內表面，提高這些表面的溫度后，再通過對流換熱方式逐步釋放到空氣中，形成冷負荷；而在輻射空調系統中，對流換熱和輻射換熱都存在，由于冷輻射表面可將一部分輻射得熱直接轉化為冷負荷，有別于對流式空調房間輻射得熱到冷負荷的轉化過程，從根本上改變了輻射空調房間冷負荷形成過程，導致這兩種系統下的空調房間冷負荷形成機理存在差異，從而針對這兩種不同空調房間的冷負荷計算方法也有所不同。

輻射空調系統根據輻射表面位置的不同分為地板供冷、頂板供冷和墻面供冷三種輻射供冷系統，冷輻射板位于不同的位置會影響房間熱過程，從而進一步地影響房間負荷特性。目前，國內外相關研究多是關于這三種不同冷輻射方式下的室內熱環境和熱舒適情況的對比研究[3-5]，有關三者在冷負荷方面的對比研究尚未見相關報道。本文采用建筑能耗模擬軟件Energyplus搭建了內嵌管式輻射供冷系統模型，基于熱平衡法模擬計算，分析不同冷輻射表面位置對內嵌管式輻射供冷房間冷負荷的影響，為內嵌管式輻射供冷系統的負荷計算及優化設計提供參考。

1 建筑模型

1.1 模型建立

圖1 建筑模型示意圖

本文選取西安市某典型住宅建筑的主臥室作為建筑模型，房間長3.4m，寬3.9m，高2.75m，南面和北面墻體為外墻，南墻上有一尺寸為1.5m×1.8m的外窗，窗墻比為0.28，東面、西面墻體均為內墻，其相鄰房間均為空調房間，室內熱環境與本房間相同，建筑模型如圖1所示。

Energyplus設定建筑圍護結構由一層層材料組成，首先建立建筑材料（Material），再通過引用材料來構建圍護結構（Construction)，建筑圍護結構的構造形式及熱工參數依據《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準（JGJ 26-2010）》[6]要求設置，圍護結構熱工參數如表1所示，窗戶的熱工性能參數如表2所示。

表1 圍護結構熱工參數

表2 窗戶熱工性能參數

1.2 氣象參數設定

模擬采用Energyplus官方網站提供的中國標準氣象數據（CSWD）作為室外氣象輸入，西安地區夏季空調室外計算干球溫度35.1℃，濕球溫度25.8℃；冬季空調室外計算溫度-5.6℃。選取夏季典型設計日（Summer Design Day）作為分析對象，通過從軟件自帶的氣象數據庫里選用“Xian Ann Clg .4% Condns DB=>MWB”作為夏季典型設計日進行夏季冷負荷計算。夏季典型設計日室外干球溫度如圖2所示，太陽輻射強度如圖3所示。

圖3 夏季典型設計日室外太陽輻射強度變化規律

1.3 室內內擾及埋管參數設定

室內熱源主要包括人員、燈光及設備，本文模擬設定臥室人員為2人，燈光負荷為5W/m2，設備負荷為8W/m2。人員在臥室內的時間為晚上10點至次日上午7點，燈具和電器設備的開啟時間均為晚上10點至11點。

混凝土結構里的埋管參數影響內嵌管式圍護結構輻射供冷系統的供冷能力，在Energyplus中通過Construction:InternalSource來設置盤管間距和盤管位置。具體的埋管參數如表3所示。參數設置中由于住宅建筑主臥室的北外墻面積小于地板和頂板的面積，為了在不同的供冷面積條件下達到相同操作溫度范圍進一步對比冷負荷，墻面供冷系統的供水溫度取15℃，地板和頂板供冷系統的供水溫度取18℃。

表3 混凝土結構層埋管參數

2 輻射供冷系統模型

EnergyPlus采用導熱傳遞函數法（Conduction Transfer Functions）計算墻體傳熱，用熱平衡法（Heat Balance Algorith）計算房間負荷[7]。低溫輻射供冷模塊有變流量和定流量兩種方式，變流量系統是保持供水溫度恒定，通過系統中水流量的變化來滿足負荷要求，而定流量變供水溫度系統則是通過循環水泵將供、回水混合后來調節高溫冷水的進口水溫和保持流量恒定，出口水溫隨室內負荷變化，本模擬中選擇EnergyPlus中ZoneHVAC：LowTemperatureRadiant：ConstantFlow定流量模塊。

內嵌管式圍護結構輻射供冷系統，輻射板提供的冷量只能去除室內的顯熱負荷，所以通常輔助通風系統來去除室內的潛熱負荷。本文為簡化模型，對濕負荷和通風系統不進行分析，并假設所研究空調室內保持正壓狀態，不考慮由空氣滲透作用所引起的室內得熱得濕。

3 表面冷負荷和水側冷負荷定義

對流式空調中，冷負荷是為了維持建筑物室內空氣的熱濕參數在某一范圍內，在單位時間內需從室內除去的熱量。若忽略傳熱損失，水側去除的熱量與空調末端側去除的熱量相同，即空調末端側冷負荷與水側冷負荷相同。但這不適用于內嵌管式圍護結構輻射供冷系統[8]，由于內嵌管式輻射供冷系統與建筑結構相耦合，圍護結構的較大蓄冷性能使得系統從冷輻射表面移除的熱量與通過水側循環回路移除的熱量不同，因此需要對輻射表面的傳熱過程和水側的傳熱過程分別分析。

3.1 輻射供冷表面的傳熱過程

輻射系統通過供冷表面移除房間顯熱，定義該冷卻速率作為表面供冷速率，冷表面移除的熱量包括對流和輻射兩部分，由下式計算：

式中，"、q分別為供冷表面的導熱量和對流傳熱量，W/m2；"、q分別為室內各表面與供冷表面之間的長波輻射傳熱量和內部負荷的長波輻射換熱量，W/m2；"sw-sol為表面吸收的太陽輻射量，W/m2；"為內部負荷的輻射短波換熱量，W/m2。

3.2 水側的傳熱過程

輻射冷板與水側的熱交換，主要傳熱機制是導熱傳遞，水側供冷量是基于水環路能量平衡的除熱量，根據水側傳熱平衡，水側供冷量由下式計算：

式中，為水的質量流量，kg/s；c為水的比熱容，J/kg·K；T、T分別為供水溫度和回水溫度，℃。

由于EnergyPlus負荷計算模塊會自動默認為理想的空氣系統的冷負荷的定義，因此針對輻射供冷系統需要重新定義負荷：表面冷負荷=表面供冷量=表面除熱量；水側冷負荷=水側供冷量=水側除熱量，以此對輻射系統冷負荷進行分析。

4 模擬結果分析

4.1 操作溫度

圖4 三種不同冷輻射表面位置的操作溫度一日變化規律

內嵌管式輻射供冷系統的傳熱形式主要是輻射換熱，本文選用操作溫度作為控制溫度以更準確地評價室內人體熱舒適，其中操作溫度大小等于平均輻射溫度和室內空氣溫度的平均值[9]。典型設計日三種不同冷輻射表面位置下的室內操作溫度一日變化規律如圖4所示。

由圖4可知，在連續供冷條件下，三種不同位置下的操作溫度變化趨勢相同，均在舒適區23～26℃范圍內波動，三者之間的操作溫度差異較小，認為近似相同，從而進一步對比研究不同冷輻射表面位置下供冷房間的表面冷負荷和水側冷負荷差異。

4.2 表面冷負荷差異分析

圖5 三種不同冷輻射表面位置表面冷負荷一日變化規律

連續供冷條件下三種不同冷輻射表面位置下的表面冷負荷關系見圖5，由圖可見，三種冷輻射位置下的表面冷負荷變化規律基本一致，都隨著室內得熱的變化而變化，在下午14:00左右達到峰值。在7:00之后，地板供冷的表面冷負荷迅速增長，并于下午14:00達到最大的表面峰值冷負荷，高出墻面供冷表面峰值冷負荷16.01%。這是因為當太陽輻射通過窗戶進入到室內地板表面時，輻射地板可以直接吸收部分短波輻射，通過盤管內循環的冷卻水將這部分熱量消除，極大地增強了地板供冷能力，導致地板供冷的表面峰值冷負荷最大。

4.3 水側冷負荷差異分析

連續供冷條件下三種不同冷輻射表面位置下的水側冷負荷關系見圖6，由圖可見，三種冷輻射位置下的水側冷負荷與表面冷負荷變化趨勢基本一致。對于水側傳熱過程，冷水在盤管內中循環以去除冷輻射表面吸收的熱量，發現墻面供冷的水側峰值冷負荷最大，高出地板供冷的水側峰值冷負荷7.92%。通常地板供冷的表面峰值冷負荷最大，反饋到水側向供冷構件傳遞的冷量同樣是最大的，而本文研究的墻面供冷是將冷卻水管內嵌在外墻體中，通入的循環冷凍水不僅可以除去冷輻射表面的熱量，還會除去通過外圍護結構導熱進來的部分熱量，因此墻面供冷工況下水側所需的冷量增大，達到最大的水側峰值冷負荷。

圖6 三種不同冷輻射表面位置的水側冷負荷一日變化規律

5 結論

本文搭建了內嵌管式地板、頂板、墻面輻射供冷模型，通過模擬計算后，發現三種不同冷輻射表面位置輻射供冷系統中，地板供冷下的表面峰值冷負荷高于墻面供冷的16.01%，水側峰值冷負荷是墻面供冷略高于地板供冷，因為水管內嵌在外墻體中，循環的冷卻水帶走室內熱量的同時還除去了通過外圍護結構導熱進來的熱量，使得水側所需的冷量增大。

為方便研究，在模擬過程中對住宅建筑模型及內擾參數的設定進行了簡化，這與實際工程存在誤差。輻射供冷系統的冷負荷不僅與冷輻射表面位置有關，還受運行方式、控制方式等的影響，在進一步的研究中有待完善，以更全面的對比分析位于三種不同冷輻射表面位置下的冷負荷差異。

[1] Joaquim Romaní, Alvaro de Gracia. Simulation and control of thermally activated building systems (TABS)[J]. Energy and Buildings, 2016,127:22-42.

[2] J J Feng, F Bauman, S Schiavon. Experimental comparison of zone cooling load between radiant and air systems[J]. Energy and Buildings, 2014,84(12):152-159.

[3] 陳露,廖勝明.三種方式輻射供冷室內熱環境對比分析[J].建筑熱能通風空調,2010,29(3):53-56.

[4] 黃立志.不同輻射供冷方式下的室內熱舒適和能耗分析[D].長沙:湖南大學,2017.

[5] Gao Zhihong, Liu Xiaohua, Jiang Yi. Cooling performance analysis of radiant panel at different positions[J]. Journal of Southeast University, 2010,26:364-367.

[6] JGJ 26-2010,嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[7] 潘毅群,吳剛.建筑全能耗分析軟件EnergyPlus及其應用[J].暖通空調,2004,34(9):2-7.

[8] Feng Jingjuan, Schiavon Stefano, Bauman Fred. Cooling load differences between radiant and air systems[J]. Energy and Buildings, 2013,65:310-321.

[9] 黃倞.輻射冷熱墻供暖特性的研究[D].武漢:武漢科技大學,2014.

Influence of Different Radiant Surface Positions on Room Cooling Load with the Tubes-embedded Building Envelope

Chen Shangfei Sui Xuemin

( School of Civil Engineering, Chang'an University, Xi'an, 710061 )

For typical residential buildings, the models of the tubes-embedded radiant floor, radiant ceiling and radiant wall were established by using Energyplus software. At the same conditions of tubes-embedded parameters and indoor operative temperature, the difference of room cooling load in three different radiant surface locations during continuous operation was studied. The simulation results show that surface side peak cooling load of radiant floor is 16.01% higher than radiant wall, the hydronic side peak cooling load of radiant wall is 7.92% higher than radiant floor.

tubes-embedded building envelope; radiant surface position; cooling load; simulation; influence rule

TU83

A

1671-6612（2020）01-086-05

陜西省自然科學基金研究計劃－面上項目（2019JM-453）；2015年陜西省住房城鄉建設科技計劃項目（2015-K72）；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助（300102288202）

陳尚斐（1994.4-），女，碩士研究生，E-mail：1830926196@163.com

隋學敏（1981.3-），女，博士，副教授，E-mail：suixuemin@163.com

2019-05-30