鄒秋生 李倩茹 李永財(cái)

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日喀則機(jī)場建筑輻射供暖末端性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄒秋生1李倩茹2李永財(cái)2

（1.四川省建筑設(shè)計(jì)研究院 成都 610000；2.重慶大學(xué) 重慶 400045）

高海拔寒冷地區(qū)因其獨(dú)特的地理?xiàng)l件，具有海拔高、氣壓低、氣溫低等特點(diǎn)，建筑供暖期長，供暖能耗占建筑總能耗的比例較高。對(duì)于高海拔地區(qū)大空間建筑中低溫地板輻射系統(tǒng)性能及室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，前人研究較少。以日喀則某大空間建筑低溫地板輻射供暖系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，使用Airpak模型與實(shí)測兩種方法對(duì)其供回水溫度進(jìn)行優(yōu)化分析，為高海拔寒冷地區(qū)大空間建筑低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。通過對(duì)不同供回水溫度工況下的室內(nèi)溫度分布和系統(tǒng)年運(yùn)行能耗進(jìn)行分析，得出最優(yōu)供回水溫度為42℃/37℃，與設(shè)計(jì)溫度47℃/42℃相比，在保證舒適性的同時(shí)系統(tǒng)節(jié)約能耗約4.59%。

高海拔寒冷地區(qū)；低溫地板輻射供暖；供回水溫度；Airpake模型；模擬能耗

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，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，特別是在我國高海拔高緯度地區(qū)，供暖系統(tǒng)能耗占建筑運(yùn)行能耗的絕大部分[1,2]。但前人對(duì)高海拔寒冷地區(qū)的供暖研究，一般針對(duì)太陽能供暖方面較為普遍，末端僅有對(duì)散熱器和燃?xì)獗趻鞝t的研究。鄭宗和等通過對(duì)西藏科技廳太陽能供暖系統(tǒng)的測試分析得出在西藏地區(qū)，相比太陽能直接供暖系統(tǒng)，太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性較好[3]。王磊等用f圖法得出，在西藏地區(qū)，散熱器為供暖末端時(shí)應(yīng)當(dāng)采用太陽能低溫水源熱泵輔助供暖系統(tǒng)，太陽能保證率可達(dá)95%左右[4]。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[5]。但對(duì)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(yùn)用，前人并未涉獵。

本文以日喀則某大空間建筑低溫地板輻射供暖系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，對(duì)其供回水溫度進(jìn)行優(yōu)化分析，就不同供回水溫度工況下的室內(nèi)溫度分布，使用Airpak建立模型并分析比較，并對(duì)不同供回水溫度工況下的系統(tǒng)年運(yùn)行能耗進(jìn)行分析，比較不同供回水溫度的熱舒適性和節(jié)能性，得出最優(yōu)的供回水溫度。

1 高原寒冷地區(qū)供暖系統(tǒng)實(shí)測

1.1 高原寒冷地區(qū)氣候特性

日喀則位于西藏地區(qū)，海拔高度為3783m，由于高海拔的地勢，造就了其獨(dú)特的氣候特征：海拔高，氣壓低，冬季寒冷，夏季涼爽，太陽輻射強(qiáng)度高。日喀則月平均干球溫度如圖1所示。

圖1 日喀則月平均干球溫度分布圖

由圖1可以看出，日喀則地區(qū)月平均溫度只有在4～10月超過5℃，最低值為1月的-1.47℃。根據(jù)冬季供暖溫度要求，建筑共需供暖度日數(shù)為3550.2，供暖度小時(shí)數(shù)為87783.9，因此，日喀則地區(qū)供暖需求量較大，建議供暖期設(shè)置為11月1日到次年3月31日。而一年之中，最熱月為7月，月平均氣溫在6.4～13.2℃，夏季溫暖不炎熱，極端最高氣溫28℃，基本無需供冷。同時(shí)，青藏高原大氣清潔，空氣濕度小，晴天較多，日照強(qiáng)度大，太陽能豐富，年日照小時(shí)數(shù)高達(dá)3000小時(shí)，充分利用太陽能可節(jié)省大量的不可再生能源。

1.2 供暖系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)測

理論和實(shí)踐證明，地板輻射供暖與傳統(tǒng)的供暖方式相比可節(jié)能30%，同時(shí)可以達(dá)到與傳統(tǒng)供暖末端一樣的熱舒適性[6,7]。但在高海拔寒冷地區(qū)，供暖事業(yè)剛剛起步，主要散熱末端為散熱器。日喀則機(jī)場則充分利用太陽能等可再生能源，采用太陽能集熱器及水源熱泵機(jī)組供暖系統(tǒng)，其中水源熱泵作為輔助熱源，末端采用低溫地板輻射系統(tǒng)。系統(tǒng)可在不同情況下分為三種模式供暖，即太陽能集熱器單獨(dú)供暖、太陽能+水源熱泵聯(lián)合供暖，水源熱泵單獨(dú)供暖。采暖地面設(shè)計(jì)溫度為27.8℃，供回水溫度為47/42℃。本測試的目的是研究低溫地板輻射供暖的能耗和舒適性，具體測試結(jié)果如下文所述。其中，末端室內(nèi)空氣溫度測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 日喀則機(jī)場不同時(shí)刻垂直方向的溫度分布

從圖2可以看出，采用低溫地板輻射供暖的日喀則機(jī)場，垂直方向上的溫差小，從0.1m～8.5m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0.1m、1.5m工作區(qū)的空氣溫度均達(dá)到供暖設(shè)計(jì)溫度，熱舒適性高。日喀則機(jī)場地下水源熱泵+地板輻射供暖系統(tǒng)測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱泵機(jī)組兩端進(jìn)出口水溫

詳細(xì)檢測結(jié)果如表1所示。

表1 熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)檢測結(jié)果

由測試結(jié)果可知，系統(tǒng)并未按設(shè)計(jì)的供暖供回水溫度（供水溫度47℃，回水溫度42℃）來運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行過程中的供回水溫度為42℃供水，37℃回水，供回水溫差不變，供回水溫度均下降5℃，但在實(shí)測過程中，供回水溫度的變化并未影響供暖效果，采用低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的日喀則機(jī)場的室內(nèi)溫度可以達(dá)到供暖設(shè)計(jì)溫度，且溫度穩(wěn)定，室內(nèi)溫度分布均勻，完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)供暖條件。

2 不同供回水溫度下的室內(nèi)溫度分布

2.1 建立模型

本文選擇了三種常見的供回水溫度，即原建筑設(shè)計(jì)供回水溫度47℃/42℃、建筑供暖季供暖系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際供回水溫度42℃/37℃和37℃/32℃，使用Airpak建立模型進(jìn)行模擬，比較不同供回水溫度下的室內(nèi)溫度分布。

在HVAC領(lǐng)域，Airpak應(yīng)用廣泛，是面向設(shè)計(jì)師、建筑師和工程師等專業(yè)人士，進(jìn)行人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件，可以對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行精確模擬，尤其對(duì)于污染、傳熱及空氣流動(dòng)等物理現(xiàn)象的模擬性能較為優(yōu)越[8,9]。Airpak可以準(zhǔn)確地對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)中舒適度、污染、傳熱、空氣質(zhì)量、空氣流動(dòng)等問題進(jìn)行模擬，通過其模擬分析，可以縮短設(shè)計(jì)周期、降低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約成本。本文模型的建立如下所示：

（1）湍流模型

（2）模型的簡化

建立大空間建筑的模型，其中房間尺寸為30m×40m×10m，低溫?zé)崴椛涔┡艿赖挠?jì)算溫度取供回水溫度的計(jì)算平均值，即44.5℃、39.5℃、34.5℃；室外溫度為實(shí)際測試時(shí)典型日的平均溫度-3℃。

（3）網(wǎng)格劃分

用軟件建立地板輻射系統(tǒng)的物理模型，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元對(duì)其空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和結(jié)果的精度要求，劃分網(wǎng)格個(gè)數(shù)16272個(gè)。

（4）邊界條件設(shè)置

本文的驗(yàn)證模擬中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為第三類邊界條件（固定傳熱系數(shù)），其中外墻傳熱系數(shù)為0.93W/m3，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.5W/m3。

2.2 地板溫度分析

當(dāng)供回水溫度為47℃/42℃、42℃/37℃和37℃/32℃時(shí)，地面溫度如圖4所示。

圖4 不同供回水溫度條件下的地板溫度圖

由圖4可以看出，輻射供暖管道供回水溫度為47℃/42℃的地板表面溫度分布最為均勻，供回水溫度為37℃/32℃時(shí)的地板表面溫度最不均勻，其建筑中心地板表面溫度均勻分布處的溫度按供回水溫度的升高依次為24.376℃，27.593℃和30.126℃。大量文獻(xiàn)表明，當(dāng)?shù)匕遢椛涔┡牡匕鍦囟瘸^30℃時(shí)，不僅會(huì)減小地板的使用壽命，而且會(huì)使室內(nèi)人員的熱舒適性降低，出現(xiàn)灼熱的感覺。因此，當(dāng)?shù)蜏氐匕遢椛涔┡墓┗厮疁囟葹?7℃/42℃時(shí)，地板會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。而供回水溫度為42℃/37℃和37℃/32℃時(shí)，地板溫度較為合理。

2.3 工作區(qū)域溫度分析

當(dāng)供回水溫度為47℃/42℃、42℃/37℃和37℃/32℃時(shí)，距地面1.5m、2m處的空氣溫度如圖5、圖6所示。

圖6 不同供回水溫度距地面2.0m處的空氣溫度

由圖5和圖6可以看出，三種不同供回水溫度條件下，1.5m處的工作區(qū)域和2.0m處室內(nèi)人員的頭頂區(qū)域溫度均在20℃～28℃之間，滿足室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)需求。但當(dāng)輻射供暖的供回水溫度為47℃/42℃時(shí)，工作區(qū)溫度達(dá)到26～27℃，建筑中心區(qū)域溫度甚至超過28.5℃，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于供暖設(shè)計(jì)溫度，這樣不僅會(huì)使室內(nèi)的熱舒適性大大降低，甚至不能滿足室內(nèi)人員的基本熱舒適性要求，而且造成了能源的不必要浪費(fèi)，給高原地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境增加負(fù)擔(dān)。

2.4 垂直方向溫度分析

垂直方向溫度分析過程中，由于=12m處剖切面距離墻壁較遠(yuǎn)，大約位于房屋中間，故選取=12m處剖面進(jìn)行空氣垂直溫度分布模擬。圖7所示為不同供回水溫度條件下的空氣垂直溫度分布圖。

圖7 不同供回水溫度條件下的空氣垂直溫度分布

從圖7中可以明顯看出，不同供回水溫度條件下，室內(nèi)垂直方向的溫度分布都比較均勻，沒有出現(xiàn)溫度的垂直分層，不會(huì)像以對(duì)流換熱為主的供暖末端一樣出現(xiàn)熱空氣上升，冷空氣下沉，熱量大部分聚集在屋頂部分而造成熱量的浪費(fèi)。平均溫度分別在21.5℃、25.5℃、28.2℃，輻射供暖的供回水溫度為47℃/42℃的室內(nèi)空氣溫度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于供暖設(shè)計(jì)溫度，既達(dá)不到室內(nèi)熱舒適性的要求，又造成了能量的極大浪費(fèi)。

綜上分析可知，供回水溫度為47℃/42℃的室內(nèi)低溫地板輻射供暖系統(tǒng)運(yùn)行過程中，室內(nèi)地板溫度、室內(nèi)空氣溫度均高于供暖設(shè)計(jì)需求，不能很好地滿足室內(nèi)熱舒適性。供回水溫度為42℃ /37℃和37℃/32℃時(shí)，地板溫度、工作區(qū)空氣溫度、垂直溫度分布，均滿足室內(nèi)熱舒適性的要求。但供回水溫度為37℃/32℃的系統(tǒng)在模擬過程中，室內(nèi)空氣工作區(qū)溫度在21.5℃左右，接近供暖設(shè)計(jì)溫度的臨界溫度20℃，但建立的模型為理想模型，未考慮冷風(fēng)滲入、門的開啟、氣體交換等因素的影響，因此模擬出的室內(nèi)溫度會(huì)有所偏高，在實(shí)際運(yùn)行過程中，采用此供回水溫度可能達(dá)不到供暖設(shè)計(jì)需求。因此，供回水溫度為42℃/37℃的低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的熱舒適性最高。實(shí)測中，系統(tǒng)供回水溫度為42℃/37℃，室內(nèi)1.5米處的空氣溫度在20.59℃～23.42℃之間變化，從而驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此從熱舒適性考慮，供回水溫度為42℃/37℃的低溫地板輻射供暖系統(tǒng)應(yīng)為最優(yōu)供回水溫度。

3 不同供回水溫度條件下的系統(tǒng)能耗

供回水溫度不同，即水源熱泵機(jī)組的出水溫度不同，水源熱泵機(jī)組的制熱性能就會(huì)發(fā)生變化，查詢本項(xiàng)目所選用的螺桿式水源熱泵產(chǎn)品參數(shù)表，其水源熱泵機(jī)組制熱系數(shù)修正表如表2所示。

表2 水源熱泵機(jī)組制熱系數(shù)、輸入功率修正表

從表2中可以看出，當(dāng)其他條件相同的情況下，冷凝器負(fù)載側(cè)進(jìn)出水溫度越高，制熱量越小，機(jī)組輸入功率越高，機(jī)組COP越小。對(duì)于蒸發(fā)器地下水（源水）的進(jìn)水溫度，在其他條件相同時(shí)，源水側(cè)的水溫越高，制熱量越大，機(jī)組輸入功率也有所增大，但制熱量的增大幅度大于輸入功率的增大幅度，因此源水側(cè)水溫越高，COP越大。

本文中采用的供暖系統(tǒng)為水源熱泵源水側(cè)12℃進(jìn)水，冷凝器負(fù)載側(cè)進(jìn)出水溫度分別為42℃/47℃、37℃/42℃和32℃/37℃，以源水側(cè)水溫為15℃、負(fù)載側(cè)進(jìn)出水水溫為40℃/45℃為基準(zhǔn)，根據(jù)表2中提供的數(shù)據(jù)，可以得出在源水側(cè)水溫為12℃時(shí)，負(fù)載側(cè)進(jìn)出水溫對(duì)水源熱泵機(jī)組制熱量的修正公式為：

負(fù)載側(cè)進(jìn)出水溫對(duì)水源熱泵機(jī)組輸入功率的修正公式為：

（2）

式中，T為負(fù)載側(cè)進(jìn)水水溫。

由上式，可計(jì)算出源水側(cè)水溫為12℃，負(fù)載側(cè)供回水溫度分別為47℃/42℃、42℃/37℃和37℃/32℃時(shí)，水源熱泵的制冷量和機(jī)組功率與水源熱泵設(shè)計(jì)工況（源水側(cè)水溫為15℃、負(fù)載側(cè)進(jìn)出水水溫為40℃/45℃）下的制熱量和機(jī)組功率的比值，具體結(jié)果如表3所示。

表3 不同供回水溫度工況下水源熱泵的制熱量和輸入功率與額定工況下的比值

根據(jù)日喀則機(jī)場的建筑負(fù)荷（最大建筑負(fù)荷為773kW）和不同供回水溫度工況下的水源熱泵機(jī)組制熱量與輸入功率，選擇制熱量為903kW的螺桿式水源熱泵機(jī)組；根據(jù)源水側(cè)水流量和80m揚(yáng)程，選擇流量為110m3/h，揚(yáng)程為98m的水泵；由于用戶端的最不利環(huán)路阻力為31m，故選擇流量為108m3/h，揚(yáng)程為40m的循環(huán)泵，具體設(shè)備選型見表4。

表4 系統(tǒng)機(jī)組及水泵選型

計(jì)算得出不同供回水溫度工況下，日喀則機(jī)場水源熱泵+低溫地板輻射供暖系統(tǒng)在供暖季的系統(tǒng)能耗，具體結(jié)果見表5。

表5 不同供回水溫度工況下的系統(tǒng)能耗（kWh）

由表5可以清晰的看出，供回水溫度越低，系統(tǒng)能耗越小。比較各系統(tǒng)季節(jié)供熱性能系數(shù)HSPF（Heating Seasonal Performance Factor）（見圖8）可得：和能耗相對(duì)應(yīng)的，負(fù)載側(cè)供回水溫度越低，系統(tǒng)的HSPF越高，供回水溫度為47℃/42℃、42℃/37℃和37℃/32℃的低溫地板輻射供暖系統(tǒng)全年的系統(tǒng)HSPF值分別為2.1、1.9、1.8。

圖8 負(fù)載側(cè)不同供回水溫度下系統(tǒng)HSPF

由以上數(shù)據(jù)可以看出，低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的負(fù)載側(cè)供回水溫度越低，系統(tǒng)運(yùn)行能耗越小，HSPF值越大，系統(tǒng)節(jié)能性越好。根據(jù)系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗，計(jì)算供回水溫度為47℃/42℃、42℃/37℃和37℃/32℃的系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗分別為499612kWh、476688kWh、453400kWh。與供回水溫度為47℃/42℃的系統(tǒng)相比，供回水溫度為42℃/37℃和37℃/32℃全年供暖季分別節(jié)省運(yùn)行能耗為4.59%和9.25%。綜上所述，從熱舒適性角度考慮：在供回水溫度為37℃/32℃時(shí)，室內(nèi)空氣溫度會(huì)低于供暖設(shè)計(jì)溫度，供回水溫度為42℃/37℃時(shí)，室內(nèi)空氣溫度在室內(nèi)設(shè)計(jì)供暖溫度范圍內(nèi)，供回水溫度在47℃/42℃時(shí)，室內(nèi)地板溫度過高，會(huì)使地板使用壽命減小并且達(dá)不到室內(nèi)熱舒適性要求。從系統(tǒng)節(jié)能性角度考慮：低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的供回水溫度越低，系統(tǒng)年運(yùn)行能耗越低，系統(tǒng)HSPF值越高，系統(tǒng)節(jié)能性越好。綜合兩方面因素考慮，供回水溫度為42℃/37℃時(shí)，低溫地板輻射供暖系統(tǒng)既能滿足室內(nèi)熱舒適性要求，又能兼顧節(jié)能性考慮，不造成能源的浪費(fèi)。

4 結(jié)論

通過對(duì)日喀則機(jī)場低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)測可知，其并未按設(shè)計(jì)的供暖供回水溫度（供水溫度47℃，回水溫度42℃）來運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行過程中的供回水溫度為42℃/37℃，但室內(nèi)溫度可以達(dá)到供暖設(shè)計(jì)溫度，且溫度穩(wěn)定，室內(nèi)溫度分布均勻，完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)供暖條件。本文通過對(duì)低溫地板輻射供暖不同供回水溫度進(jìn)行室內(nèi)溫度分布和系統(tǒng)能耗的研究比較，得出以下結(jié)論：

（1）由模擬結(jié)果可知，輻射供暖管道供回水溫度為47℃/42℃的地板表面溫度分布最為均勻，供回水溫度為37℃/32℃時(shí)的地板表面溫度最不均勻，當(dāng)供回水溫度為47℃/42℃時(shí)，地板會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)造成地板的使用壽命減小，而且會(huì)使室內(nèi)人員的熱舒適性降低，出現(xiàn)灼熱的感覺。因此供回水溫度為42℃/37℃時(shí)地板溫度較為合理。

（2）三種不同供回水溫度條件下，1.5m處的工作區(qū)域和2.0m處室內(nèi)人員的頭頂區(qū)域溫度均在20℃～28℃之間，都滿足室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)需求，但當(dāng)供回水溫度為47℃/42℃時(shí)，工作區(qū)溫度達(dá)到26～27℃，建筑中心區(qū)域溫度甚至超過28.5℃，遠(yuǎn)高于供暖設(shè)計(jì)溫度，不符合熱舒適性的要求。

（3）通過模擬計(jì)算可得，低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的負(fù)載側(cè)供回水溫度越低，系統(tǒng)運(yùn)行能耗越小，HSPF值越大，通過計(jì)算供回水溫度為47℃/42℃、42℃/37℃和37℃/32℃的系統(tǒng)能耗得出，與供回水溫度為47℃/42℃的系統(tǒng)相比，供回水溫度為42℃/37℃和37℃/32℃全年供暖季分別節(jié)省運(yùn)行能耗為4.59%和9.25%。

（4）綜合比較分析得出，供回水溫度為42℃/37℃時(shí)，低溫地板輻射供暖系統(tǒng)既能滿足室內(nèi)熱舒適性要求，又能兼顧節(jié)能性考慮，不造成能源的浪費(fèi)。

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The Optimization of the Low Temperature Floor Radiant Heating System in High Altitude Cold Area

Zou Qiusheng1Li Qianru2Li Yongcai2

( 1.Sichuan Provincial Architectural Design and Research Institute, Chengdu, 610000;2.Chongqing University, Chongqing, 400045 )

Due to its unique geographical conditions, high-altitude cold regions has the characteristics of high altitude, low air pressure, low temperature, long heating period and high proportion of building energy consumption. However, for the low temperature floor radiation heating system performance and the indoor environment quality in the high-altitude area, there has few former research. Based on a low-temperature radiant floor heating system of the large space building which located in Shigatse, this paper analyzes the optimization of the temperature of supply and return water temperature using Airpak simulation and filed test. This study will provide a reference for the application of low-temperature radiant floor heating system of large space buildings in high altitude and cold regions. By analyzing the indoor temperature distribution and the annual energy consumption of the system, the optimum water supply and return water temperature is 42℃/37℃. Compared with the design temperature of 47℃/42℃, While ensuring the comfort of the system energy consumption savings of about 4.59%.

High Altitude Cold Area; Low Temperature Floor Radiation Heating; Supply/Return Water Temperature; Airpak Simulation; Energy Consumption

1671-6612（2017）04-364-07

TU8

B

四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（計(jì)劃編號(hào)：2014GZ0133）

鄒秋生（1973.8-），男，本科，高級(jí)工程師，E-mail：305853892@qq.com

2017-07-08