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西南科大刘东:辐射-对流系统环境营造及舒适性分析

来源:V客暖通网 作者:V客暖通网

2023-07-20 09:43:42

图/西南科技大学土木工程与建筑学院学科办主任刘东

对流辐射系统其实就是两个末端,对环境营造起着非常关键的作用。今年,“五恒系统”一词非常火。根据小红书上的说法,五恒系统就是恒温、恒湿、恒氧、恒洁、恒静,同时拥有舒适、健康、低碳、节能、智能等特点。从各大厂家的广告语宣传中,我得到了一个结论,所谓五恒,就是要做到环境可控、高度智慧、实现尽量的科技化。

那么如何营造建筑环境?我认为,在环境可控的基础上,通过现在的一些监测手段,实现智慧和科技,就是做到了五恒系统。
对于如何保障建筑环境,其实就是把屋子里的热和湿度给除掉,也就是消除余热余湿。而室内的余热余湿从何而来呢?是通过墙、开门开窗、太阳照上来的热以及灯、电脑等一系列内部热源给出来的热。湿就是人体排汗。如何处理这些热湿湿非常关键的问题。
在不考虑新风负荷或只考虑一半新风负荷的情况下,可以发现室内要处理的热有1/3~1/2是辐射的热量,有一半左右是对流的热量。而现在传统的空调全部都是处理对流的热,因此,不难发现,传统空调在保障室内环境方面效果并不是很好。第一,外界来的辐射热是没有被处理掉的;第二,从人体舒适的角度来说,对流25~30%,辐射40~50%,人的无感觉蒸发呼吸散热25~30%,也就是说其实人本身就有一半的热量是辐射热,这是传统空调无法处理的。
在保障生态环境时,是需要辐射末端的,不然所有的辐射热都必须通过对流带走,而通过对流带走的后果就是对流热的增加,从而导致湿度过度不适,这也就是现在空调非常干的原因所在。因此针对不同负荷和人体需求,需合理设置对流+辐射末端,才能保证人体的舒适度。

那这个空调系统就是我们常说的标准两联供。所谓标准两联供就是一源二末端。这里的末端,指的是对流末端和辐射末端。针对该系统,我也做了相应的实验。
在冬季供暖研究中,我们发现相同供水温度下,风机盘管平均辐射温度最低,室内空气温度最高;有辐射参与的系统平均辐射温度较高,室内空气温度波动较小;室内空气温度与PMV值之间呈现显著弱相关,拟合优度为0.480;平均辐射温度、操作温度与PMV值之间呈现显著强相关,拟合优度分别为0.821、0.986。这也进一步证明,为了保证更好地控制建筑室内热舒适性,保障人体舒适,对流+辐射末端合理搭配使用是非常重要的。在能耗方面,供水温度对系统能耗存在影响,且随着供水温度升高,系统总能耗越高。因此在满足建筑室内热舒适性的前提下,低温供暖可以节能。
通过冬季不同间歇策略下系统性能研究发现,由于风机盘管系统可以迅速加热室内空气使室内热环境快速达到舒适范围,而地板辐射系统地板层存在热阻,供暖存在滞后性。为了保证房间在人员进入时室内满足Ⅱ级舒适区条件,冷暖两联供系统、风机盘管系统提前1~2h开启,地板辐射系统提前3~4h开启。供暖系统关闭时长约为全天时长60%时,冷暖两联供系统、风机盘管系统、地板辐射系统分别节省25.48%、37.39%、39.73%的能耗,但由于建筑墙体夜间不断蓄冷,间歇运行对室内舒适度存在影响。
在夏季供冷研究中,随着供水温度越高,供冷系统能提供的冷量越少。随着下午太阳直射西面建筑围护结构,室内负荷增大,系统供冷能力不足,导致建筑室内舒适度降低;在夜晚和早晨室外温度较低时,室内出现冷感;因此为了保证建筑室内有更好的热舒适性,要根据室外温度的变化情况对供冷系统进行分时段实时调节。供冷系统间歇运行会导致室内空气温度发生波动,且暂时关停次数越多,室内空气温度波动越大。系统中途关停时,冬季室内空气温度波动幅度比夏季大。为了保证人员进入室内时满足Ⅱ级舒适区条件,夏季供冷时暖两联供系统、风机盘管系统提前0.5h开启。

且风机盘管供冷系统下,供冷能耗随着窗墙比的增加而增加;对流辐射供冷系统下,供冷能耗随着窗墙比的增加而减少。与对流辐射供冷系统相比,在辐照情况下,风机盘管系统下对流方式处理辐射负荷是低效的,室内舒适度较差,且对流辐射供冷系统具有较高的平均小时制冷性能系数。
从研究得出以下结论:两联供空调系统可以很好满足舒适等级要求;供水温度对系统能耗存在影响,低温供暖、高温供冷可以降低能耗;间歇运行策略可以节能,且夏季比冬季更适合采用间歇运行策略;操作温度与PMV值之间呈现显著强相关,建议使用操作温度作为室内温控器的控制指标;考虑太阳辐照的影响,在辐射区域外的平均辐射温度上升有限,而在辐射区域内的平均辐射温度上升幅度较大。

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