廣西大學      胡映寧   張淑鳳

摘   要：實驗研究了直膨式多聯機輻射空調在人工模擬氣候環境下冬季采暖、夏季制冷及除濕工況下的舒適性和能耗特點。結果表明，采暖工況，輻射+新風模式在室內同一時刻的溫差均低于2.5℃，達到室內設定溫度25℃的時間約2~3h；制冷工況，輻射+新風模式在室內同一時刻的溫差在0.5℃~2℃左右，達到室內設定溫度26℃的時間約1h~3h左右。新風模式下室內同一時刻的溫差和響應時間相比輻射+新風模式略大。新風的冷凍除濕效果明顯，除濕新風含濕量在6.2~10.7g/kg之間，除濕效率可達50%。

關鍵詞：輻射空調；溫差；響應時間；除濕；舒適性

       0   引言

       輻射空調因其具有良好的熱舒適性及節能性而越來越受重視，各國學者對輻射空調的運行性能進行了大量研究。

       Song D等^[1]通過實驗和仿真研究了地板輻射在韓國某公寓的制冷運行特性，系統采用水做冷媒，結合除濕通風系統能夠一定程度改善結露和響應。隋學敏等^[2]實驗測試了昆山某別墅地板輻射采暖+新風系統的冬季運行特性，由于地板采暖惰性較大，從15℃升到23℃約用了170min，夏季制冷時需采用輻射吊頂+新風系統。輻射地板采暖能節約能源并有較好的舒適性，但制冷時易結露，且系統慣性較大、響應時間長，需采用多套系統才能得到合適的舒適度。明錦等^[3]通過實驗研究了微孔金屬輻射頂板在株洲冬季時的熱舒適性，發現水溫較高時系統的使用范圍更廣，系統開機160min才能達到舒適。唐凱等^[4]測試了輻射吊頂+置換通風系統在冬季供暖時的熱舒適性，系統以水為循環液體，能提供較舒適的室內環境，但是系統溫升較慢且惰性較大。婁載強等^[5]通過實驗與模擬對頂棚輻射制冷室內溫度分布進行研究，結果表明室內基本溫差在3℃內。

       本文針對傳統輻射板應用中存在的問題，提出一種新型直膨式多聯輻射空調能用于采暖、制冷和除濕工況，系統采用R410A做冷媒，采用課題組自主設計的輻射板結構，可有效防止結露和制冷量不足等問題。在人工模擬氣候環境分別研究新風模式、輻射模式及輻射+新風模式在冬季采暖和夏季制冷工況下系統的運行特性，并通過實驗研究系統在各工況下室內溫度分布均勻性，得到在不同外環境時最合適的控制模式。

       1   實驗平臺

       1.1   實驗平臺簡介

       實驗平臺由兩部分嵌套而成，外部是人工模擬氣候環境室（簡稱大房間），里面嵌套內部實驗室（簡稱小房間），東墻開門，所有墻體和門均采用80mm厚的聚酯保溫材料制成。大房間由常規空調提供一個溫濕度可控且不受外界影響的實驗環境（溫度調節范圍：-20℃~55℃，相對濕度可由實際相對濕度加濕到90%以上）；小房間由一臺三匹的多聯主機和輻射板、新風機和風機盤管末端組成（末端均可單獨控制），空調系統采用的冷媒為R410A。實驗平臺整體示意圖如圖1所示。

圖1   實驗平臺示意圖

       1.2   測試參數和實驗儀器

       本次實驗主要研究在不同模擬室外溫度環境下室內的舒適度和能耗。測試參數主要包括室內空氣溫度、各平面溫濕度、圍護結構溫度、新風機進回風溫濕度、輻射板溫度、室外空氣溫濕度、空調系統的耗電量和功率。實驗每隔1min采集一次，為減少誤差，采用多點測量取平均值的方法。測試儀器主要有PT100溫度傳感器、溫濕度變送器、多路溫濕度無紙記錄儀、電能質量分析儀，測試儀器具體參數見表1。

表1   測試儀器參數

       為研究輻射空調在小房間的運行特性，分別在0.1m、1.1m、1.7m水平面，室內進、回風口布置溫濕變送器，在2.5m平面、墻體和地面布置PT100溫度傳感器。其中0.1m、1.1m、1.7m、2.5m四個水平面分別用A、B、C、D表示，每個平面布置5個傳感器（1、2、3、4、5），墻體和地面的傳感器置的具體位置見圖2。

 

       1.3   實驗工況

       實驗研究的所有工況見表2，室內輻射空調共有三種模式，即輻射+新風模式（RCS+DOAS）、輻射模式（RCS）和新風模式（DOAS）。采暖工況和制冷工況模擬室外濕度不進行處理，除濕工況采用超聲波加濕器使室外濕度在85%左右，實驗測試系統從開機到穩態各工況下測試點的溫、濕度，巡檢儀每1分鐘記錄一組數據，電能質量分析儀也逐時記錄主機的功率和耗能。

表2   實驗工況

       2   實驗結果分析

       實驗每個工況運行24小時，每分鐘自動記錄一次各測試點的溫濕度，以半小時為間隔取點形成實驗曲線進行分析。每一次工況測試之前，先開啟人工模擬氣候環境的空調設備，使室外模擬溫度達到設置的溫度范圍，并開始記錄室內的溫濕度變化。豎直方向分別取0.1m、1.1m、1.7m、2.5m平面5點的平均溫度作為該平面的溫度，水平面主要研究1.1m水平面5點的溫度分布情況。

       2.1   采暖工況室內溫度分布

       圖3為人工模擬氣候環境溫度-10~-6℃時開啟輻射+新風時室內溫度分布情況，系統開機3h室內空氣溫度從-5℃左右升到25℃以上，穩定后周期波動開停機時間分別為2h和1h，豎直方向平均溫差和 1.1m水平方向溫差在2.5℃左右。系統響應較快，溫差較小，溫度分布在舒適度要求范圍。  

（a）豎直方向溫度分布	（b）1.1m水平面溫度分布

圖3   采暖工況（-10 ~ -6℃）輻射+新風模式室內溫度分布

       圖4為環境溫度0~4℃時開啟輻射+新風時室內溫度分布情況，系統開機2.5h室內溫度從4℃左右上升到25℃以上，達到穩態后周期開停時間分別為1h和1.5h，豎直方向和1.1水平方向溫差均在1.5℃左右，豎直方向2.5m平均溫度略高，1.1m處B1點由于遠離輻射板和進風口溫度略低。

（a）豎直方向溫度分布	（b）1.1m水平面溫度分布

圖4   采暖工況（0 ~ 4℃）輻射+新風模式室內溫度分布

       圖5到圖7為人工模擬氣候環境溫度為9~12℃時分別開啟輻射+新風模式，輻射模式，新風模式時室內溫度變化圖。圖5為輻射+新風模式系統開啟不到2h室內溫度從11℃左右上升到25℃以上，達到穩態的峰值，之后周期開停時間分別為1h和2h，豎直和1.1水平方向溫差均在1.5℃左右。

（a）豎直方向溫度分布	（b）1.1m水平面溫度分布

圖5   采暖工況（9 ~ 12℃）輻射+新風模式室內溫度分布

       圖6輻射模式時室內5h從11.5℃升到25℃以上達到穩態峰值，開停機時間分別為2h和2h，豎直方向2.5m水平面溫度比其他平面平均溫度高1.5℃左右，0.1m到1.7m溫差在1.5℃左右，1.1m水平方向溫差大于3℃，B5由于在輻射板正下方溫度較高。

（a）豎直方向溫度	（b）1.1m水平面溫度分布

圖6   采暖工況(9~12℃)輻射模式室內溫度分布

       圖7新風模式室內溫度從11℃上升到25℃用時2h左右，之后周期開停機時間分別為1h和2h，豎直方向和1.1m水平方向溫差均在1.5℃以內，1.1m水平面B2由于靠近進風口溫度略高。在該人工模擬氣候環境溫度下，除輻射模式響應較慢，溫差較大，達不到舒適性要求，其他兩種響應較快，溫差較小，在舒適度要求范圍。

（a）豎直方向溫度	（b）1.1m水平面溫度分布

圖7   采暖工況（9~12℃）新風模式室內溫度分布

       圖8為采暖工況人工模擬外環境為13~16℃時開啟新風采暖模式室內溫度的分布情況，開機不到2h就可以達到設定溫度25℃以上，達到穩態后周期開停時間分別為1h和3h，室內豎直方向和1.1m水平面的溫差均在2℃以內，室內溫度分布均勻，滿足舒適性要求。

（a）豎直方向溫度分布	（b）1.1m水平面溫度分布

 

 

       由圖8可知采暖工況下，隨人工模擬氣候環境溫度的上升，輻射+新風模式的室內空氣溫差略有下降，模擬室外溫度在-10~-6℃時，室內溫差最高，模擬室外溫度在0℃以上的采暖工況室內溫差基本低于2℃，室內溫度分布均勻。新風模式在模擬室外溫度9℃以上室內總體溫差均在3℃以內，隨室外溫度降低室內溫差增大；輻射模式室內溫度分布最不均勻。

（a）豎直方向溫度	（b）B水平面溫度（1.1m）

圖8   采暖工況（13~16℃）新風模式室內溫度分布

       2.2   制冷工況室內溫度分布

       圖9為制冷工況人工模擬氣候環境溫度為30~33℃時開啟輻射+新風模式室內的溫度變化圖，系統經過大約1h到達穩態，室內溫度從30℃降到26℃以下，之后室內溫度穩定波動，豎直方向2.5m處由于接近輻射板，在開機后溫度下降最快，最低點時比其他點溫度低0.5℃左右，0.1m到1.7m活動區域的溫差在1℃內，1.1m水平面總體溫差小于1℃，室內溫度分布均勻。

（a）豎直方向溫度	（b）1.1m水平面溫度分布

圖9   制冷工況（30~33℃）輻射+新風模式室內溫度分布

       圖10到圖12為制冷工況人工模擬氣候環境溫度36~39℃時，分別開啟輻射+新風模式、新風模式、新風模式在室內豎直方向和1.1m水平面的溫度變化圖。圖10輻射+新風模式時，系統約1.5h達到穩態，室內溫度從34℃降到26℃以下，之后室內溫度穩定波動，豎直方向2.5m水平面由于接近輻射板，在開機后溫度下降最快，最低點時比其他點溫度低0.5℃左右，0.1m水平面到1.7m水平面活動區域的溫差在1℃左右，1.1m水平面靠近新風進口B2點溫度略低，該平面溫差約2℃。

（a）豎直方向溫度	（b）1.1m水平面溫度分布

圖10   制冷工況（36~39℃）輻射+新風模式室內溫度分布

       圖11輻射模式時，系統開啟4h室內溫度從32.5℃下降到26℃，之后緩慢降低，豎直方向2.5m水平面由于靠近輻射板溫度較其他水平面低1~1.5℃左右，0.1m水平面到1.7m豎直方向溫差在1℃左右，1.1m水平面溫差在1℃左右。

（a）豎直方向溫度	（b）1.1m水平面溫度分布

圖11   制冷工況（36~39℃） 輻射模式室內溫度分布

       圖12新風模式時，系統開機后3h室內溫度從31下降到26℃后緩慢降低，12h時溫度稍微有一點上升是因為室內開門的原因。豎直方向平均溫差在2℃左右，1.1m水平面溫差在約2℃。

（a）豎直方向溫度	（b）1.1m水平面溫度分布

圖12   制冷工況（36 ~39℃）新風模式室內溫度分布

       圖13為制冷工況人工模擬氣候環境溫度為42~46℃下開啟輻射+新風模式時室內溫度變化圖，系統開機4h左右室內溫度從36℃以上降低到26℃以下，之后在26℃波動。其中0.1m平面溫度相比于其他平面低，這是由于新風進口的溫度經過冷卻處理，冷空氣下沉的原因，豎直方向和1.1m水平溫差在2℃左右。

（a）豎直方向溫度	（b）1.1m水平面溫度分布

圖13   制冷工況（42 ~ 46℃）輻射+新風模式室內溫度分布

       由上圖可知制冷工況下，隨人工模擬氣候環境溫度的上升，輻射+新風模式下室內同一時刻的溫差呈上升趨勢，在模擬室外溫度30~33℃，36~39℃、42~46℃時，室內平均溫差分別在0.5℃、1℃和2℃左右。在相同的人工模擬氣候環境溫度下，輻射+新風模式溫度分布最均勻，新風模式和輻射模式溫差較大。

       新風機有冷凍除濕功能，冬季采暖工況和夏季制冷工況的輻射模式的室內和人工模擬氣候環境含濕量基本一致，夏季制冷工況和過渡季節除濕工況的新風除濕效果如下表3所示。

表3   室內新風除濕量

       從表3可以看出，夏季和過度季節開啟工況新風冷凍除濕效果明顯，除濕后的室內含濕量在舒適性范圍內，實驗幾種工況的除濕效率在50%左右。

       3   結論

       實驗研究了輻射+新風模式在人工模擬氣候環境全工況下的運行特性，同時也比較了輻射+新風模式、輻射模式、新風模式豎直方向和1.1m水平面的溫度分布均勻性和系統的響應時間，分析制冷和除濕工況系統除濕效果。主要的結論可以總結為如下幾點：

       （1）采暖工況，隨人工模擬氣候環境溫度降低，輻射+新風模式室內豎直方向和1.1水平面溫差呈上升趨勢，模擬室外溫度在-10~-6℃范圍內室內同一時刻的溫差約2.5℃，當模擬室外溫度上升到0℃以上，室內溫差在2℃左右。制冷工況時，隨人工模擬氣候環境溫度從30℃上到46℃，輻射+新風模式豎直方向的溫差由0.5℃上升到1.5℃左右。總的來說，輻射+新風模式溫度分布均勻，室內有較好的舒適性。相比而言，新風模式室內溫差略大。

       （2）采暖/制冷工況時，在相同的人工模擬氣候環境下，輻射+新風模式室內溫度達到穩定的時間最短，新風模式次之，輻射模式最慢。輻射+新風模式在采暖工況模擬人工模擬氣候環境溫度-10~-6℃時，達到室內設定溫度25℃的時間約3h，當人工模擬室外溫度大于0℃時，達到室內設定溫度25℃的時間在2~2.5h左右。制冷工況室外環境溫度低于40℃時，輻射+新風模式均能在2h內達到室內設定溫度26℃，室外環境溫度40℃以上時，達到室內設定溫度26℃需要3h以上。

       （3）由于新風機有制冷除濕能力，在制冷工況和除濕工況開啟新風除濕后，室內空氣的濕度能在舒適性范圍內，實驗工況中新風的除濕效率在50%左右，除濕新風的含濕量在6.2~10.7g/kg左右，在國家規定的舒適范圍內。

參考文獻

        [1] Song D,Kim T,Song S,et al.Performance evaluation of a radiant floor cooling system integrated with dehumidified ventilation[J]. Applied Thermal Engineering, 2008,28(11–12):1299–1311.

        [2] 隋學敏, 張旭, 韓星. 戶式地板輻射采暖+新風系統冬季工況運行性能與分析[J]. 流體機械, 2009,37(3):53–55, 5.

        [3] 明錦, 李燦. 微孔金屬輻射頂板空調冬季熱舒適性實驗研究[J]. 建筑熱能通風空調, 2016(04):9–13.

        [4] 唐凱,周翔, 張恩澤,等.輻射吊頂+置換通風系統冬季室內環境舒適性試驗研究[J].流體機械, 2011,39(8):54–58, 86.

        [5] 婁載強, 楊冬, 張云婷, 等. 頂棚輻射供冷房間的溫度分布探析[J]. 制冷技術, 2013(3):59–60, 69.

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年8月刊總第24期。
                 版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。