(1 大連大學(xué)建筑工程學(xué)院 大連116622； 2 大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院 大連116024； 3 西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院 西安710049)

隨著科技的進(jìn)步及人們對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，人們對(duì)建筑室內(nèi)的空氣品質(zhì)及舒適度也有了更高的要求。頂板輻射供冷系統(tǒng)通入冷水后很快降溫形成輻射面，通過(guò)輻射與圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行換熱實(shí)現(xiàn)降溫，在實(shí)現(xiàn)較高的舒適性要求的同時(shí)還可以節(jié)約能源，但由于表面易結(jié)露結(jié)霜等原因，其供冷能力有限，且不能滿足室內(nèi)新風(fēng)要求[1]。混合通風(fēng)系統(tǒng)是一種將送風(fēng)口設(shè)置在工作區(qū)上方頂板處的一種上送風(fēng)方式，通入的新風(fēng)可以承擔(dān)內(nèi)全部濕負(fù)荷[2]。因此，將混合通風(fēng)系統(tǒng)與頂板輻射供冷系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)組成了典型輻射空調(diào)系統(tǒng)。頂板輻射供冷系統(tǒng)主要通過(guò)降溫維持室內(nèi)溫度，而混合通風(fēng)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)除濕及維持室內(nèi)空氣質(zhì)量[3]。此外，混合通風(fēng)還能提高頂板輻射供冷表面對(duì)流換熱及供冷量[4]。

國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者對(duì)頂板輻射供冷與混合通風(fēng)房間室內(nèi)空氣分布特性進(jìn)行了相關(guān)研究。黃翔[5]采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)頂板輻射供冷不同送風(fēng)方式下的室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)果表明采用混合通風(fēng)-頂板輻射供冷系統(tǒng)時(shí)能更有效地排除污染物，并使室內(nèi)污染物分布更加均勻。P. Mustakallio等[6]對(duì)冷卻頂板-混合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明冷卻頂板-混合通風(fēng)系統(tǒng)能更有效地覆蓋人工環(huán)境室內(nèi)熱負(fù)荷的中心位置。S. P. Corgnati等[7]對(duì)比分析了單獨(dú)使用混合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和使用頂板輻射-混合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)果表明頂板輻射-混合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可以有效地解決全空氣系統(tǒng)不能維持室內(nèi)熱舒適性的問(wèn)題。O. Kanzanci等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究了頂板輻射+混合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境，結(jié)果表明室內(nèi)舒適度良好。C. Teodosiu等[9]基于CFD技術(shù)，對(duì)有混合通風(fēng)-頂板輻射供冷系統(tǒng)的建筑物的熱舒適性和冷凝風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，結(jié)論顯示當(dāng)在房間內(nèi)供應(yīng)干燥涼爽空氣時(shí)，混合通風(fēng)-頂板輻射供冷系統(tǒng)無(wú)論是在熱舒適性還是在冷凝風(fēng)險(xiǎn)方面均有優(yōu)異的表現(xiàn)。P. Mustakallio等[10]基于人體模型的等效溫度，通過(guò)使用兩種熱人體模型對(duì)頂板輻射-混合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(CCMV)進(jìn)行研究，結(jié)果表明與其他系統(tǒng)相比，CCMV提供了更加均勻的熱環(huán)境。M. Behne[11]的研究表明，當(dāng)頂板輻射供冷用于去除顯熱冷負(fù)荷的主要部分時(shí)，置換通風(fēng)在空氣質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)可能會(huì)消失，因此頂板輻射供冷與混合送風(fēng)系統(tǒng)的組合可能更合適。

目前，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者研究頂板輻射供冷與混合通風(fēng)房間內(nèi)空氣分布特性時(shí)均忽略了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的影響，而外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對(duì)空調(diào)房間內(nèi)空氣分布具有一定影響[12]，尤其對(duì)于輻射空調(diào)房間，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對(duì)室內(nèi)熱舒適度的影響不可忽略[13]。因此，本文在人工環(huán)境室中設(shè)置電熱膜模擬外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，實(shí)驗(yàn)研究典型輻射空調(diào)(頂板輻射供冷+混合通風(fēng))房間室內(nèi)空氣分布特性，研究結(jié)果為輻射空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制提供指導(dǎo)。

1 室內(nèi)空氣分布的實(shí)驗(yàn)方法

1.1 人工環(huán)境室及測(cè)試系統(tǒng)

人工環(huán)境室的長(zhǎng)、寬、高分別為3.7、2.8、2.6 m，如圖1所示。三面墻壁由75 mm厚帶有中心夾層為保溫發(fā)泡材料的彩鋼復(fù)合板構(gòu)成，其中一面墻壁上開有1.2 m×1.2 m的雙層塑鋼玻璃窗戶；另一面墻壁和門窗由雙層塑鋼玻璃構(gòu)成，塑鋼玻璃表面貼了一層厚度為6 mm的保溫材料。將功率為1 500 W的電熱膜均勻鋪設(shè)在整面外墻上來(lái)模擬外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，電熱膜的整體尺寸約為2.6 m×2.8 m，電熱膜表面貼有9 mm厚的石膏板以使表面溫度更加穩(wěn)定，其功率變化范圍為0～1 500 W。室內(nèi)熱源包括散熱假人、電腦及燈等。兩個(gè)假人用尺寸為400 mm×250 mm×1 200 mm(L×W×H)的鐵箱子模擬，假人內(nèi)部裝有3個(gè)60 W的白熾燈泡，其功率調(diào)節(jié)范圍為0～180 W。電腦用兩個(gè)尺寸為400 mm×400 mm×400 mm(L×W×H)的鐵箱子模擬，電腦內(nèi)放置了兩個(gè)100 W的燈泡，其功率可以在0～200 W間調(diào)節(jié)。在吊頂裝有兩個(gè)功率為72 W的節(jié)能燈。

實(shí)驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)由頂板輻射供冷系統(tǒng)和混合送風(fēng)系統(tǒng)組成。頂板輻射供冷系統(tǒng)末端由11塊尺寸為600 mm的金屬輻射板組成，覆蓋率約為76%。金屬輻射板由保溫層、石墨板、銅管、纖維棉和鍍鋅鋼板組成。混合送風(fēng)口采用尺寸為600 mm×600 mm的散流器。

圖1 測(cè)試房間Fig.1 Test room

圖2 測(cè)線布置(單位：mm)Fig.2 The measurement lines(Unit: mm)

1.2 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試儀器

測(cè)線的布置如圖2所示，其中測(cè)線L2、L4、L5和L6測(cè)試人體附近的二氧化碳濃度、溫度和速度分布。L1、L3、L7和 L8測(cè)試室內(nèi)工作區(qū)的二氧化碳、溫度和速度分布。

表1 頂板輻射供冷+混合通風(fēng)實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 The experimental operating conditions of system

實(shí)驗(yàn)在高度方向上布置Swema03(精度：±0.2 ℃，±0.02 m/s)以測(cè)室內(nèi)溫度與空氣速度，測(cè)線測(cè)點(diǎn)高度分別為0.1、0.6、1.1、1.3、1.7、2.5 m(如圖3所示)，其中0.1 m 和2.5 m測(cè)量地面和輻射板附近的溫度和速度分布，0.6 m處的測(cè)量值作為室內(nèi)溫度參考點(diǎn)，該點(diǎn)溫度被控制在26 ℃左右。用TES1370(精度：±50 mg/kg或3%讀值)測(cè)CO2濃度，測(cè)線測(cè)點(diǎn)高度分別為0.9、1.1、1.3 m(如圖4所示)，用這3個(gè)高度的二氧化碳濃度來(lái)代表呼吸區(qū)的二氧化碳濃度值。在每個(gè)假人正前方1.1 m處有一個(gè)直徑為8 mm的小孔，從小孔以320 mL/min的流量釋放CO2[14]。

圖3 速度和溫度測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 The measurement point of velocity and temperature

圖4 CO2測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 The measurement point of CO2

1.3 測(cè)試工況

本實(shí)驗(yàn)中，室內(nèi)熱源設(shè)為430 W，電熱膜設(shè)為430 W和720 W?；旌纤惋L(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)溫度為22 ℃，輻射頂板溫度為17～23 ℃，通過(guò)調(diào)節(jié)混合送風(fēng)量控制室內(nèi)參考溫度(ta)保持為26 ℃(具體為房間中心離地0.6 m處的空氣溫度)，送風(fēng)溫度(ts)為22 ℃，如表1所示。

由表1 可知，不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱或電熱膜功率下，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度變化較大。當(dāng)電熱膜功率由430 W增至720 W時(shí)，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度由34 ℃增至40 ℃，對(duì)應(yīng)的其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度增大至少1 ℃。

1.4 測(cè)試參數(shù)計(jì)算公式

本文分別采用垂直溫差、空氣紊流強(qiáng)度及除污效率評(píng)價(jià)室內(nèi)垂直溫度、速度及污染物濃度分布，如式(1)、式(2)及式(3)所示[15-17]：

ΔTa0.1-1.1=Ta1.1-Ta0.1

(1)

式中：Ta1.1為距離地面1.1 m處測(cè)試周期內(nèi)空氣溫度的平均值，℃；Ta0.1為距離地面0.1 m處測(cè)試周期內(nèi)空氣溫度的平均值，℃。

(2)

(3)

式中：cp、cz、co分別為測(cè)試周期內(nèi)排風(fēng)污染物濃度、呼吸區(qū)污染物濃度、送風(fēng)污染物濃度的平均值，mg/kg。

圖5 冷負(fù)荷為83 W/m2室內(nèi)空氣溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the air when indoor cooling load is 83 W/m2

2 室內(nèi)空氣分布測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)空氣溫度測(cè)試結(jié)果與分析

圖6 冷負(fù)荷為111 W/m2室內(nèi)空氣溫度分布Fig.6 Temperature distribution of the air when indoor cooling load is 111 W/m2

圖5和圖6所示為不同冷負(fù)荷下頂板表面溫度對(duì)室內(nèi)空氣溫度分布的影響。由圖5及圖6可知，當(dāng)頂板表面溫度變化范圍分別為17～23 ℃和15～20 ℃時(shí)，室內(nèi)垂直方向1.7 m以下空氣溫度分布呈現(xiàn)正溫度梯度，1.7 m以上呈現(xiàn)負(fù)梯度分布，且在室內(nèi)頂板及地板附近空氣溫度較為發(fā)散，在工作區(qū)較為均勻。這是因?yàn)槭覂?nèi)空氣溫度分布受上升熱羽流、下沉冷氣流和送風(fēng)射流的共同影響。在1.7 m以下，地板附近空氣主要受下降到地板附近的冷氣流影響，因此溫度較低且發(fā)散，而隨著高度上升，熱源的影響逐漸加強(qiáng)，溫度逐漸升高，在工作區(qū)附近的空氣受送風(fēng)射流與上升的熱羽流的共同作用，使空氣更有效的擴(kuò)散，溫度分布均勻。在1.7 m以上，由于冷卻頂板溫度較低及存在下降冷氣流，因此越靠近頂板空氣溫度越低，而由于送風(fēng)口采用方形散流器，因此頂板附近也會(huì)受送風(fēng)射流直接影響，導(dǎo)致其附近空氣溫度較為發(fā)散。

表2所示為各測(cè)點(diǎn)的頭部(1.1 m)和腳踝(0.1 m)處垂直空氣溫差。當(dāng)頂板表面溫度變化范圍分別為17～23 ℃和15～20 ℃時(shí)，平均室內(nèi)垂直空氣溫差分別為0.2 ℃左右和0.1～0.2 ℃。由表2可知，測(cè)線L4上的垂直溫差普遍較大，這主要與測(cè)線4的位置布置有關(guān)，測(cè)線4位于假人與電腦之間，L4上1.1 m處附近的空氣受熱源影響較大，相對(duì)同高度處其他測(cè)點(diǎn)溫度較高，而在0.1 m處受下降到地板附近的冷氣流影響較大，其附近溫度較低，因此導(dǎo)致測(cè)線L4上垂直溫差較大。測(cè)線L3及L7上垂直溫差小，主要是其測(cè)點(diǎn)布置在假人后方，1.1 m附近空氣受熱源影響較小?？梢园l(fā)現(xiàn)個(gè)別出現(xiàn)負(fù)值的情況，原因可能在于1.1 m處受下降冷氣流、送風(fēng)射流的影響大于熱源對(duì)其影響。即使各垂直溫差有大有小，但每個(gè)工況各測(cè)線的垂直溫差均能滿足ASHRAE 55—2013中垂直溫差<3 ℃的要求。

表2 內(nèi)垂直空氣溫差計(jì)算結(jié)果(℃)Tab.2 The computation of indoor vertical air temperature difference(℃)

2.2 室內(nèi)空氣速度測(cè)試結(jié)果與分析

圖7和圖8所示為不同冷負(fù)荷下頂板表面溫度對(duì)室內(nèi)空氣速度分布的影響。由圖7及圖8可知，當(dāng)頂板表面溫度變化范圍分別為17～23 ℃和15～20 ℃時(shí)，室內(nèi)垂直方向1.7 m以下空氣速度分布呈負(fù)梯度分布，1.7 m以上呈現(xiàn)正梯度分布，在室內(nèi)工作區(qū)附近空氣速度均勻，在頂板及地板附近速度發(fā)散。這是因?yàn)樵?.7 m以下，地板附近的空氣主受下降到地板附近的冷氣流影響，速度較大，而隨著高度的增加，熱羽流和送風(fēng)射流起主導(dǎo)作用，空氣混合比較均勻；在1.7 m以上，下沉冷氣流及送風(fēng)射流起主導(dǎo)作用，越靠近頂板，送風(fēng)射流作用越明顯，空氣速度越大。

表3所示為室內(nèi)空氣紊流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。由表3紊流強(qiáng)度平均值可知，室內(nèi)空氣紊流強(qiáng)度普遍受頂板溫度變化影響較小，平均紊流強(qiáng)度變化范圍分別為32%～36%及32%～38%。對(duì)比兩種負(fù)荷下的工況1～工況3和工況4～工況6可知，冷負(fù)荷變化對(duì)室內(nèi)空氣紊流強(qiáng)度影響較小。不同工況下熱源附近紊流強(qiáng)度普遍較大，主要原因是受熱羽流的干擾。

圖7 冷負(fù)荷為83 W/m2室內(nèi)空氣速度分布Fig.7 Velocity distribution of the air when indoor cooling load is 83 W/m2

圖8 冷負(fù)荷為111 W/m2室內(nèi)空氣速度分布Fig.8 Velocity distribution of the air when indoor cooling load is 111 W/m2

表3 室內(nèi)空氣紊流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果(%)Tab.3 The calculation results of indoor air turbulence intensity (%)

2.3 室內(nèi)污染物濃度測(cè)試結(jié)果與分析

圖9和圖10所示為不同冷負(fù)荷下頂板表面溫度對(duì)室內(nèi)CO2濃度分布的影響。由圖9和圖10可知，CO2沿水平方向的分布較為均勻，在工作區(qū)附近的CO2濃度較高，而在頂板及地板附近濃度較低，主要是因?yàn)榧偃伺欧诺腃O2主要集中在工作區(qū)，而在頂板及地板附近由于下降冷氣流與送風(fēng)射流的作用濃度較低。頂板表面溫度的變化對(duì)室內(nèi)CO2濃度分布影響很小。表4所示為除污效率的計(jì)算結(jié)果。

由表4可知，在低負(fù)荷下頂板表面溫度的變化對(duì)除污效率影響較小，當(dāng)頂板表面溫度由17 ℃增至23 ℃時(shí)，除污效率的變化范圍為0.76～0.84。在高負(fù)荷下，隨著頂板表面溫度由15 ℃升至20 ℃，除污效率也隨之增加，其范圍為0.62～0.86。當(dāng)頂板表面溫度為15 ℃時(shí)，除污效率最低，很可能是由于強(qiáng)烈的下沉冷氣流及低送風(fēng)量阻礙了空氣污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致呼吸區(qū)污染物濃度較高。一方面，由于頂板表面與空氣的對(duì)流換熱產(chǎn)生的冷氣流增大，下沉至人員活動(dòng)區(qū)后會(huì)阻礙污染物向上擴(kuò)散；另一方面，低風(fēng)量送風(fēng)產(chǎn)生的慣性力較弱，如此污染物隨著空氣向上流動(dòng)的動(dòng)力較小，不利于污染物擴(kuò)散。因此，頂板表面溫度較低或送風(fēng)量較小均不利于污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致活動(dòng)區(qū)污染物濃度增加，通風(fēng)系統(tǒng)除污效率減小。

表4 除污效率Tab.4 The contaminant removal effectiveness

圖9 冷負(fù)荷為83 W/m2室內(nèi)CO2濃度分布Fig.9 CO2 concentration distribution of the air when indoor cooling load is 83 W/m2

圖10 冷負(fù)荷為111 W/m2室內(nèi)CO2濃度分布Fig.10 CO2 concentration distribution of the air when indoor cooling load is 111 W/m2

3 結(jié)論

本文以混合通風(fēng)與頂板輻射供冷房間為研究對(duì)象，在冷負(fù)荷分別為83 W/m2及111 W/m2條件下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比研究頂板輻射+混合通風(fēng)供冷房間室內(nèi)空氣熱環(huán)境參數(shù)分布、紊流強(qiáng)度、除污效率,當(dāng)輻射頂板表面溫度變化范圍為17～23 ℃及送風(fēng)溫度為22 ℃時(shí)，得到如下結(jié)論：

1)室內(nèi)工作區(qū)垂直方向空氣溫度及速度分布較為均勻，在頂板及地板附近溫度分布較為發(fā)散；

2)頂板表面溫度的變化對(duì)室內(nèi)垂直空氣溫度及速度分布影響較??；

3)頂板表面溫度對(duì)室內(nèi)污染物濃度分布影響較小，但對(duì)除污效率影響較大；頂板溫度越低，送風(fēng)量越小，污染物擴(kuò)散條件越差，導(dǎo)致活動(dòng)區(qū)污染物濃度越高，除污效率越低。

本文受中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(DUT17RC(3)086)和大連大學(xué)博士啟動(dòng)專項(xiàng)基金(20172QL020)資助。(The project was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No.DUT17RC(3)086) and the Doctoral Scientific Research Foundation of Dalian University (No.20172QL020).)