毛细管网供冷室内环境对比实验研究

梁秋锦 陈金华 段坤林 梁秋爽 张波 宋静

4.重庆电讯职业学院，重庆 402247 5.重庆远鉴旅游规划设计有限公司，重庆401120）摘要：对重庆地区毛细管网18℃供水温度下辐射供冷系统进行实验测试，分析了毛细管网顶棚、墙面、地面3种敷设方式室内热工参数。结果表明：毛细管网顶棚、墙面、地面3种敷设方式供冷稳定时，人员活动区的平均温度依次为26.27℃、27.22℃、26.57℃，辐射表面平均温度依次为20.96℃、21.14℃、22.76℃，PMV依次为-0.27、0.32、-0.2，PPD依次为7.06%、7.47%、6.34%。在实验条件下，3种敷设方式供冷时室内温度均能满足≤28℃的要求，PMV、PPD均能满足《民用建筑室内热湿环境评价标准GB/T50785 -2012》I级热舒适评价指标。

关键词：毛细管网;辐射供冷;敷设位置 PMV和PPD

中图分类号：TU831    文献标识码：A  文章编号：

4.Chongqing Telecommunication Polytechnic College，Chongqing 402247，China; 5.Chongqing Yuanjian Tourism Planning & Design Co. Ltd，Chongqing401120，China）Abstract： Tests of capillary radiant cooling system in Chongqing district were taken and thermal parameter were analyzed in conditions of three different capillary laying modes （ceiling， wall and floor） with 18℃ supply water temperature. It concluded that when capillaries were laid on the ceiling， wall and floor respectively， the average temperature of working area was 26.27℃， 27.22℃ and 26.57℃ respectively and the radiation surface temperature was 20.96℃， 21.14℃ and 22.76℃ in turn. By calculation， the PMV of three conditions was-0.27， 0.32 and -0.2 and PPD results were 7.06%， 7.47% and 6.34% respectively. It illustrated that all three laying ways at this experimental conditions could meet the air temperature requirements （no more than 28℃） and PMV， PPD attain thermal environment category I.

Key words： Capillary;Radiant cooling;Laying way;PMV and PPD

毛細管网作为一种新型空调末端形式，具有不占用室内空间、能与可再生能源结合及室内舒适度更高等优势，受到越来越多的关注。在能源成本越来越高、环境污染与温室效应加剧的大背景下，毛细管网的研究与应用越来越多。

国外，R.HOSEGGEN[1]等人针对顶棚供冷节能与舒适度进行实验研究，同时利用ESP-r软件进行模拟论证，结果表明：模拟结果与实验数据结果吻合。MIKESKA T[2]等人针对辐射供冷室内舒适性与供水温度关系进行研究，结果表明：当室内温度比供水温度高4 K时，室内温度舒适性较好。MELANIE F[3] 等人针对新型辐射顶棚通过实验实测与模拟进行性能测试，结果表明：新型辐射顶棚性能优于常规辐射顶棚。KEBLAWI A[4]等人针对顶棚供冷辅助新风系统，设计遗传算法控制器，可实现低能耗下满足同样的舒适度。LEE K G[5]等人针对地面辐射与对流空调系统通过实测对比分析，结果表明：辐射空调系统室内垂直温差较小。EUSEBIO Z.E[6]等人针对辐射与对流空调系统通过实验进行对比分析，结果表明：辐射空调系统室内舒适度好。KYU N R[7]等人总结分析了近50年辐射空调系统应用，得出辐射空调系统在节能性、舒适性方面不断改进优化的结论。

国内，李炅[8]等人针对毛细管网进行模拟研究，分析了毛细管网供冷能力影响因素。朱备[9]等人针对毛细管网辐射供冷表面结露进行研究，明确结合过冷度的运行策略。谢东[10]等人与王赟[11]等人均针对毛细管顶棚辐射供冷进行模拟研究，分析了顶棚辐射供冷时的供冷量。张金明[12]等人针对壁面辐射供冷与对流空调系统进行模拟研究，对比两种空调方式下室内热工参数。刘猛[13]等研究了不同供水温度与室外天气下毛细管网地棚供冷房间温度，供冷量与结露情况。李妍[14]等人分析了影响毛细管网的供冷能力相关曲线图。陈金华[15]等人针对毛细管网地面不同供水温度供暖研究室内参数，确定了供暖的最佳供水温度。陈露[16]等人针对毛细管网顶棚、墙面、地面进行模拟研究，分析了3种敷设方式舒适性。

通过文献查阅可知，针对顶棚、墙面、地面毛细管网的研究，均为理论计算与软件模拟，或只针对一种敷设方式进行实验研究。文章通过毛细管网顶棚、墙面、地面3种敷设方式实验研究。从室内人员活动区温湿度、壁面温度、室内垂直与水平温度、PMV、PPD等热工参数全面分析3种敷设方式毛细管网供冷的室内舒适性。

1实验系统介绍

1.1实验房间概况

实验地点为两间相同房间[17]如图1所示，房间410，房间412，每个房间的面积为21m2，尺寸为6m×3.5m×2.7m（长×宽×高），门洞的尺寸0.8m×2.1m（宽×高），外窗的尺寸2700mm×2000mm（宽×高）;建筑外墙为实心砖墙（未做保温），厚度为240mm，内墙也为实心砖墙，厚度为200mm。窗户为单层玻璃窗，厚度为6mm，内设厚窗帘。

1.2实验系统

1.2.1 冷热源

该实验的冷热源为空气源热泵机组。冷热源与毛细管网末端中间设置换热水箱，通过换热水箱控制供水温度为18℃。原理图如图2所示。

1.2.2实验末端

实验的末端为顶棚、墙面、地面3种敷设方式，房间410顶棚、墙面敷设同侧供回S型毛细管网，房间412地面敷设同侧供回S型毛细管网。实验室建设时，为满足室内冷负荷需求，设置如下毛细管网参数见表1。

1.2.3新风系统 实验新风温度为24℃，相对湿度为60%，新风量为60m3/h，新风送风方式为上送风。

1.3实验内容

1.3.1测试方案 实验系统运行工况见表2，根据《辐射供暖供冷技术规程JGJ142-2012》中规定：毛细管网供水温度应保证供冷表面温度高于露点温度1℃ ～ 2℃。故本次实验在18℃供水温度下，测试毛细管网顶棚、墙面、地面3种敷设方式的室内热工参数。

1.3.2测点布置 实验测点[18]的布置原则参照《民用建筑室内热湿环境评价标准GB/T50785-2012》中的规定，详见图5、图6。实验数据采用实时监测，记录间隔为10min/次。

实验房间围护结构表面温度测点布置如下：顶棚布置5个，地面布置5个，左墙布置9个，右墙布置9个，外墙布置2个，内墙布置2个，共计32个。

实验房间空间温度测点布置如下：在图5中a、b、c、d、e位置上距地0.1m（脚踝）、0.6m（膝蓋）、1.1m（坐姿头部）、1.7m（站姿头部）、2.5m（房间上空）处，共计25个。空间湿度测点布置如下：在a、c、e位置距地1.1m高度处，共计3个。

1.3.3测试仪器 实验主要仪器如下表3所示：

2实验数据分析

2.1室外空气温度

实验期间室外逐时温度见图7。顶棚、墙面、地面3种敷设方式室外平均温度依次为29.97℃、31.26℃、29.97℃。

2.2室内人员活动区平均温度

人员活动区平均温度为a、b、c、d、e 五个水平位置分别距地0.1m、0.6m、1.1m、1.7m四个垂直高度的20个测点平均值。3种敷设方式实验期间人员活动区逐时温度见图8，由图可知：

1）毛细管网地面辐射供冷时，人员活动区温度达到28℃响应时间最长。顶棚、墙面、地面3种敷设方式响应时间依次为：20min、50min、60min。

2）3种敷设方式人员活动区平均温度均满足≤28℃要求，顶棚、墙面、地面3种敷设方式供冷稳定时人员活动区的平均温度依次为：26.27℃，27.22℃，26.57℃。

3）人员活动区温度的影响因素主要包括以下两个方面：辐射壁面温度与距辐射壁面距离。顶棚敷设毛细管网，由于其敷设构造较薄，辐射壁面温度低，因此供冷稳定时室内温度低于另外两种敷设方式;墙面敷设毛细管网，由于其敷设单面，冷空气横向传播速度慢，因此供冷稳定时室内温度高于另外两种敷设方式;地面敷设毛细管网，虽然其辐射壁面温度较另外两种敷设方式高，但是距离人员活动区最近，因此稳定时室内温度与顶棚敷设时温度接近。

2.3室内人员活动区平均相对湿度

人员活动区平均相对湿度为a、c、e点距地1.1m高度的相对湿度平均值，3种敷设方式人员活动区逐时平均相对湿度见图9，由图可知：

顶棚、墙面、地面3种敷设方式人员活动区稳定时平均相对湿度均满足室内舒适要求。墙面敷设人员活动区平均相对湿度略小于顶棚、地面。平均相对湿度依次为68.58%、64.13%、70.05%。

2.4露点温度分析

3种敷设方式露点温度见图10，由图可知：

顶棚、墙面、地面3种敷设方式的辐射壁面温度、附近空气温度均高于辐射壁面露点温度，因此实验过程中均未出现结露现象。但重庆地区湿度较大，为防止辐射供冷时出现结露，应设置通风除湿系统。

2.5辐射壁面平均温度

辐射壁面平均温度与毛细管网敷设构造密切相关。3种敷设方式辐射壁面逐时温度见图11，由图可知：

1）毛细管网敷设构造越薄，辐射壁面热响应时间越快，辐射壁面温度也越低。顶棚、墙面、地面敷设构造厚度依次递增，热响应时间依次递增，辐射壁面平均温度也依次递增，依次为20.96℃，21.14℃，22.76℃。

2）顶棚、墙面、地面3种敷设方式辐射壁面平均温度均满足《辐射供暖供冷技术规程JGJ142-2012》中的规定。具体要求值见表4。

3）常规地盘管地面上部敷设构造厚度较厚，不宜用于毛细管网地面，为缩短地面辐射热响应时间，降低辐射壁面温度，可降低毛细管网地面敷设构造厚度。

2.6围护结构壁面温度

3种敷设方式围护结构壁面温度分布见图13，由图可知：

1）3种敷设方式外墙温度高于其他壁面温度，由于外墙未做保温，故受室外温度影响较大。

2）墙面、地面敷设毛细管网供冷时，顶棚壁面温度均较高。主要原因是热空气在房间上部堆积，减弱顶棚壁面降温。

3）3种敷设方式辐射角系数对壁面温度的影响较小。

2.7空间垂直温度分析

3种敷设方式垂直温度分布见图14，站姿高差为0.1m～1.7m，坐姿高差为0.1m～1.1m。由图可知：

1）3种敷设方式供冷时，顶棚敷设垂直温差最小，且有“头凉脚暖”的感觉，舒适度最好。

2）3种敷设方式供冷时，坐姿或站姿纵向温差均小于1℃，满足ISO7730[19]推荐的小于2℃（A级）的温差。

2.8空间水平温度分析

室内空间水平温度分析选取a、b、c、d、e距地1.1m处温度。3种敷设方式水平温度分布见图15，由图可知：

1）墙面敷设毛细管网供冷时，水平温度分布最不均匀。为减弱单面墙供冷造成水平温度分布不均匀可两对面墙同时敷设。

2）顶棚、墙面敷设毛细管网供冷时，d点的温度出现温升的主要原因是该点位于门口，实验状况记录人员进出房间时将内走廊热量带入房间造成。

2.9 PMV、PPD分析

由图16、17可知：

1）顶棚、墙面、地面3种敷设方式供冷稳定时，PMV依次为-0.27，0.32，-0.2， PPD依次为7.06%，7.47%，6.34%。

2）3种敷设方式供冷稳定阶段时，室内PMV、PPD均满足《民用建筑室内热湿环境评价标准GB/T50785-2012》I级热舒适评价指标-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%[17]。

3）3种敷设方式墙面辐射供冷时，室内舒适度最差。单面墙辐射供冷时，被降温的冷空气沿墙面下沉，在右墙下侧积聚，冷空气横向传递效果较差。因此墙面辐射供冷若想达到顶棚，地面辐射供冷效果，可通过增大毛细管网敷设面积、降低供水温度或增大管内流速等途径实现。

3结论

通过对比分析夏季毛细管网供冷室内环境，得出以下结论：

1）毛细管网供水温度设定为18℃时，3种敷設方式辐射供冷，室内人员活动区平均温度均满足≤28℃的要求。供冷稳定阶段，顶棚、墙面、地面人员活动区平均温度依次为26.27℃，27.22℃，26.57℃

2）毛细管网敷设构造越薄，辐射壁面热响应时间越快，辐射壁面温度也越低。顶棚、墙面、地面敷设构造厚度依次递增，热响应时间依次递增，辐射壁面平均温度也依次递增，依次为20.96℃，21.14℃，22.76℃。

3）顶棚敷设毛细管网供冷时纵向温差明显低于墙面、地面，舒适度更高。3种敷设方式纵向均小于1℃，满足ISO 7730推荐的小于2℃（A级）温差。

4）顶棚、地面敷设毛细管网供冷时室内水平效果接近，优于墙面。墙面敷设毛细管网供冷时，水平温度分布最不均匀。为减弱单面墙供冷造成水平温度分布不均匀可两对面墙同时敷设。

5）3种敷设方式室内预计平均热感觉指数PMV，预计不满意者百分数PPD均满足《民用建筑室内热湿环境评价标准GB/T50785 -2012》I级热舒适评价指标-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%，供冷稳定阶段，顶棚、墙面、地面PMV依次为-0.27，0.32，-0.2，PPD依次为7.06%，7.47%，6.34%。

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（编辑：邓云）