宋守杰，任婧，苏蒙，刘吉营，3，*，苗纪奎

(1. 山东建筑大学热能工程学院，山东济南 250101；2. 山东安泰智能工程有限公司 建筑节能研究所，山东 济南 250101；3. 山东格瑞德集团有限公司人工环境产业设计研究院，山东德州 253000)

0 引言

辐射供冷系统因其节能潜力和改善室内热环境等优点而受到广泛关注与研究[1-2]。 辐射供冷系统通过温控辐射表面与周围环境以对流传热与辐射传热的形式进行换热，总传热量中的辐射传热量占比＞50%[3-4]。 然而，辐射供冷系统只承担房间的显热负荷部分，潜热负荷则需要单独的通风系统承担，辐射供冷与通风复合系统的结合实现了温湿度的独立控制。 由于两种系统的供冷性能存在差异，在应对不同室外天气状况和室内得热量剧烈变化时，需要寻求高效的联合运行方式，达到优势互补的效果。

辐射供冷结合通风系统的优化控制研究涉及送风参数和供水参数的开启、关闭等变化调节。 通过调整辐射供冷系统供水参数，改变辐射板供冷能力，以适应负荷变化。 可调控的供水参数包括供水温度和供水流量，辐射供冷系统采用基于供水温度控制方法比基于流量控制方法效果更好[5]，在建筑冷负荷指标＜20 W/m2时，采用较高的供水温度即可满足室内设计要求并且节能显著[6]。 充分利用辐射供冷系统的热惯性特点调控系统运行，有利于提高系统的运行效率，地板辐射供冷系统在夜间蓄存的冷量用于白天供冷，可以减小白天的峰值负荷，降低能耗[7]，且可以提前关闭辐射系统，在满足室内舒适度的要求下实现最大程度的节能[8]。 辐射系统关闭后蓄存的冷量仍能继续作用于房间，可以减少预冷期的能耗[9]。

合理有效地调控通风系统对复合系统节能高效运行有着重要作用。 现有的通风系统运行性能研究表明，室内空气温度与操作温度均随着送风温度的增加而增加，呈近似线性关系[10]。 不同通风方式的适用条件需要明确，当辐射末端处理的显热负荷比例＜50%时，采用一次回风通风策略，可以减少复合供冷系统的能耗[11]。 在热湿气候条件下，基于温度的室外空气供冷模式的能效高于基于焓值的室外空气供冷模式的能效[12]。 而为避免辐射供冷表面结露并维持室内舒适性，必须利用通风系统进行湿度控制。 将辐射供冷系统与独立新风系统结合，可以稳定地供应新鲜空气并充分除湿，调节室内湿度[13-14]。 目前，很多研究主要针对特定工况下地板辐射与通风复合系统的调控或复合系统的某一方面性能，缺乏针对多种具体典型室内热环境工况的控制策略研究。

文章利用瞬时系统模拟(Transient System Simulation，TRNSYS)程序对地板辐射供冷与通风复合系统进行模拟优化控制，根据不同的天气情况与室内热源条件确定复合系统的调控参数和调控策略。 通过系统间歇方式下不同运行参数的对比，阐明地板幅射供冷系统的节能潜力；针对4 种典型工况，即系统启动前高湿工况、室内得热突增工况、室内高得热工况和室内低得热工况，实施不同的控制措施，对比分析得出适用于各工况的最优调控措施及复合供冷系统优先级调控策略，为地板辐射供冷系统与通风系统的实际运行调控提供参考。

1 建筑物能量平衡模型

建筑物能量平衡可以通过室内空气节点换热量平衡、围护结构内表面换热量平衡、空气节点湿量平衡等3 个能量平衡方程完整的表达。

室内空气节点换热量平衡由式(1)表示为

式中 Qi为室内空气节点换热量，W；Qsurf，i为室内表面对流热增益，W；Qinf，i为渗透热增益(室外空气渗透)，W； Qinf，i＝ V·ρ·Cp(Toutside，i- Tair) ，其中 V 为室内空气通风量，m3/h；ρ 为空气密度，kg/m3；Cp为空气比热容，J/(kg·℃)；Toutside，i为室外渗透空气温度，℃ ；Tair为室内空气温度，℃ ；Qvent，i为通风热增益，W； Qvent，i＝ V·ρ·Cp(Tventilation，i-Tair) ，Tventilation，i为通风空气温度，℃；Qg，c，i为室内热源对流热增益，W；Qcplg，i为来自边界或其他空气节点的对流热增益，W； Qcplg，i＝ V·ρ·Cp(Tzone，i-Tair) ，Tzone，i为边界或其他节点空气温度，℃；Qsolar，i为通过外窗进入空气节点的太阳辐射，W，其一部分以对流热增益的形式传到室内空气；QISHCC，i为室内遮阳装置吸收的太阳辐射，W，以对流热增益的形式传到室内空气。

围护结构内表面换热量平衡由式(2)表示为

式中 Qs，i为围护结构内表面换热量，W；Qc，s，i为围护结构表面与室内空气节点的对流换热量，W；Qr，s，i为围护结构内表面与其他内表面的辐射换热量，W；Ss，i为太阳辐射热量与室内热源长波辐射热量，W；Qwg为围护结构能量输入，W。

空气节点的湿量平衡由式(3)表示为

式中 Mi为空气节点含湿量变化，g/kg；Minf，i为渗透引起的含湿量变化，g/kg；nvent为通风口个数，个；k、i、j 分别为通风口节点；Mv，k，i为通风引起的含湿量变化，g/kg；Wg，i为室内湿源散湿量，g/kg；Mcplg，s为通过墙或窗进入的含湿量，g/kg。

基于建筑物能量平衡模型，构建地板辐射供冷与置换通风复合系统，寻求不同的室内热湿状态下最优的供冷控制措施，提高系统能效与室内舒适性。

2 模型建立与验证

2.1 建筑模型

文章以济南一栋五层办公建筑为研究对象。 测试房间尺寸为: 8.8 m×7.2 m×3.9 m(长×宽×层高)。建筑的围护结构热物性参数有:外墙传热系数为0.6 W/(m2·K)、外窗传热系数为2.4 W/(m2·K)、屋顶传热系数为0.55 W/(m2·K)。 采用的供冷末端为辐射地板，其结构组成从室内侧向外依次为抹灰层、混凝土填充层、绝热保温层，各结构层的热物性参数见表1，供回水埋管位于混凝土填充层，其外径为20 mm、壁厚为2 mm、间距为0.2 m。

表1 辐射地板结构层热物性参数表

2.2 空调系统模型

办公建筑采用地板辐射供冷结合置换通风系统，承担工作日工作时间9:00—17:00 内的室内热湿负荷，空调系统模拟控制图如图1 所示。 室内人员的显热、潜热的散热量分别为61、73 W/人，灯光显热、设备显热的散热量分别为11、20 W/m2，室内热源数量随时间变化情况如图2 所示。 室内设计温度为26 ℃，设计相对湿度为60%。

图1 空调系统模拟控制图

图2 工作日室内热源变化图

地板辐射供冷与置换通风复合系统运行参数设置为:置换通风系统常规运行时间为工作日7:00—17:00、送风温度设计值为20 ℃、送风量设计值为200 kg/h (折合换气次数0.5 次/h)，采用基于室内设计温度与设计相对湿度的开关控制，室内温度＞26 ℃或相对湿度＞60%时开始送风，室内温度与相对湿度都满足设计要求时停止送风；地板辐射供冷系统常规运行时间为工作日7:00—17:00、供水温度设计值为18 ℃、供水流量设计值为0.6 m3/h。 模拟工况1～5 分别为地板辐射系统间歇运行、系统启动前高湿工况、室内得热突增工况、室内高得热量工况、室内低得热量工况，各工况的调控措施见表2，其中部分运行控制时间只对应于供冷系统运行参数发生变化，不同于设计参数的情况，其余时间系统按照设计参数运行，所以未在表中列出。

表2 不同模拟工况参数设置表

2.3 模型验证

2020 年8 月至9 月，在办公建筑5 层一南向房间进行实验测试，实验研究对象为地板辐射和置换通风供冷复合系统，比较实验测量值和模拟结果，以验证模型的准确性。 模拟中的天气条件与室内热源等外扰条件按照实验情况设置。 室内空气温度和湿度测点在实验房间两处支架的竖直高度分别为0.1、0.6、1.1、1.7 和 2.5 m 处及房间中心 1.1 m 处布置(如图 3 所示)。 选取 8 月 13—17 日的室内温度、室内相对湿度数据进行对比，可以看出室内温度、室内相对湿度的实测数据与模拟数据比较吻合，且计算得到室内温度数据的平均偏差误差[15]为0.22、平均方根误差[15]为0.46，室内相对湿度数据的平均偏差误差为0.7、平均方根误差为3.43，其误差均较小，说明模型精度较高，模拟研究可靠。

图3 模拟与实测数据对比图

3 模拟结果与分析

3.1 模拟工况舒适性与能耗分析

不同模拟工况的调控措施下的地面温度与露点温度温差最小值ΔTmin，操作温度最大值Top_max，舒适性指标平均热感觉指数(Predicted Mean Vote， PMV)与能耗结果见表3，其中工况2 的能耗仅为置换通风系统能耗，不包括地板辐射供冷系统能耗，工况1、3、4、5、6 的能耗包括置换通风系统能耗与地板辐射供冷系统能耗。 各工况工作时间内 (9:00—17:00)，地面温度均高于露点温度，地板表面不会发生冷凝结露，其操作温度最大值＜27 ℃、PMV 均在-1～1 之间。

表3 工作时间内(9:00—17:00)不同模拟工况运行控制结果表

3.2 模拟运行控制分析

3.2.1 间歇运行工况

图4 为不同间歇运行方式下的室内温度、湿度对比。 可以看出间歇运行1 的室内温度始终高于间歇运行2 与3 的室内温度。 起初地板蓄存较多热量，地板表面附近温度梯度大[16]，且室内余热量较大，间歇运行2 的地板供水流量高于间歇运行3 的地板供水流量，换热效率更高，室内温度最早开始下降。 运行期间辐射地板内的供水持续释放冷量，辐射地板供冷能力逐渐增强，较低的供水温度使间歇运行3 的辐射地板对室内热环境的冷却潜力更大，室内温度逐渐低于间歇运行2 的室内温度。 间歇运行3 的湿度高于间歇运行1 与2 的湿度，7 月6 日在供冷系统运行期间，间歇运行3 的湿度基本＞65%。结合上述分析及表3 列出的能耗和舒适性，表明间歇运行1 的操作温度较高且能耗较大，间歇运行3的舒适度指标PMV 为负值，偏离热舒适中性较远，相比间歇运行1，间歇运行2 供水流量在减少30%的情况下，供水温度降低2 ℃，仍能增强辐射地板对室内热环境的冷却潜力，为地板辐射供冷系统的最优间歇运行方式。

图4 不同间歇运行方式对室内热环境的影响图

3.2.2 系统启动前高湿工况

辐射板表面在辐射供冷系统启动阶段有结露风险，应提前开启新风系统进行预除湿[17-18]。 图5 为4 种预除湿措施下的室内湿度变化情况。 7 月19 日系统启动前室内湿度＞90%，高湿1 措施到高湿3 措施中置换通风系统都在7:00 (提前工作时间2 h)与地板辐射系统同步开启，以恒定风量送风，高湿4措施中置换通风系统在预除湿时间段 (7:00—9:00)内以大风量送风，除湿力度较大，以达到短时间内去除大量余湿的效果，到工作时间再减小风量应对室内持续的产湿。 在工作时间9:00，高湿1 和2 措施的室内相对湿度仍高于65%，高湿3 和4 措施的室内相对湿度均＜65%。 随着室内人员增多，向室内散湿，室内湿度下降速率减缓。 4 种调控措施中高湿3 和4 措施均满足除湿要求，而高湿4 措施能耗较低。 由此得到置换通风系统可以提前2 h 开启，在室内没有人员产湿的情况下以大风量400 kg/h 高强度除湿，在工作时间9:00 室内湿度降到60%的基础上减小风量到200 kg/h，承担工作时间内持续产生的湿负荷，使室内产湿与除湿维持动态平衡状态，保证室内湿度满足设计要求。

图5 4 种置换通风系统预除湿措施下室内相对湿度变化情况图

3.2.3 室内得热突增工况

在室内得热量突然增加情况下，4 种复合系统调控措施对应的室内温湿度变化对比如图6 所示。7 月4 日8:00 室内热源突然增加引起室内热湿负荷增加，得热突增1 的室内温度和湿度在室内热源增加后明显上升，其温度最高接近27 ℃，而湿度最大时＞70%；得热突增措施2 中置换通风系统在室内热源增加时加大送风量，降低送风温度，在室内热源数量降为原值时恢复原运行参数，室内温度、湿度上升幅度明显减小，均维持在舒适范围内。 得热突增3 措施中在室内热源增加时增大送风量，降低送风温度，但在室内热源数量降为原值1 h 后，置换通风系统恢复至原运行参数，使室内突增的热湿负荷得到充分的处理。 得热突增4 措施中，在室内热源增加0.5 h前增大地板供水量，在室内热源增加时加大风量降低送风温度，在室内热源数量降为原值时减少地板供水量至原水量，1 h 后置换通风系统恢复至原运行参数，与其他措施相比，得热突增4 措施的室内降温效果较好，但室内湿度在室内热源增高时段有起伏。 综合比较3 种改进措施，得热突增3 的室内温湿度控制效果最好，所以得热突增3 措施为最佳调控措施。 由此可知室内热源增加时，可以增大置换通风系统供冷量，送风系统响应较快，相比地板辐射系统，更适用于负荷突增情况；同时起到补充供冷作用，及时去除室内增多的热湿负荷，避免室内温度、湿度过度升高影响室内舒适度，将室内温度、湿度维持在规定范围内。

图6 室内得热突增情况下复合系统调控对室内热环境的影响图

3.2.4 室内高得热量工况

图7 为室内高得热量情况下4 种复合系统调控措施对应的室内温度湿度对比。 7 月31 日室外温度较高，最高温度＞35 ℃，由室外向室内的传热量较多。 在高得热1 措施中随着室内热源增加，室外温度越来越高，室内温度持续升高，湿度开始逐渐增大，在供冷系统运行期间室内温度一直处于较高水平，基本维持在26.8 ℃。 高得热2 措施中在8:00增大送风量，降低送风温度，室内温度上升幅度减小，室内湿度维持在＜60%。 基于变水温控制能够更快响应室内热环境变化[19]，对室内温度的影响较大，高得热3 与4 措施都在7:00 增大地板供水量，降低供水温度，但对送风量与送风温度的调整量不同，两种调控措施下的室内温度湿度接近。 3 种改进措施下，室内温度、湿度在室内得热量越来越多时均能得到有效控制，维持在适宜范围，不同于高得热2 措施，高得热3 与4 措施同时调整地板辐射系统与送风系统的运行参数，供冷性能更稳定，舒适性更高，而高得热3 措施能耗较低，所以高得热3 措施为最佳调控措施。 此外，室内高得热量情况下，由于辐射地板换热面积很大，能够通过辐射换热有效降低其他内表面温度，去除通过围护结构的热增益，可以优先调整辐射地板运行参数，送风系统补充供冷，增大供冷量，从而降低峰值负荷，保证室内热舒适。

图7 室内高得热量情况下复合系统调控对室内热环境的影响图

3.2.5 室内低得热量工况

图8 为室内低得热量情况下4 种复合系统调控措施对应的室内温度、湿度变化对比。 7 月5 日室外温度较低，其最高温度＜30 ℃，从室外进入室内的热量较少。

图8 室内低得热量情况下复合系统调控对室内热环境的影响图

在低得热1 措施中，复合供冷系统运行时间内室内温度较低，在25.6 ℃波动、湿度＜60%，说明可以适当减少系统供冷量，去除室内较少的热湿负荷。低得热2 措施中减小风量，与低得热1 相比室内温度湿度未产生较大变化。 低得热3 措施中减小送风量，同时减小地板供水量，室内温度湿度有所上升，仍处于舒适范围内，能够保证较好的室内供冷效果。与低得热2 措施相比，低得热3 措施增加了对地板供水参数的调节，减少了地板供冷量，能够避免空气温度升高、地面温度偏低导致的冷凝结露，减弱不对称辐射温度对舒适度的负面影响，且节省更多的能耗。 低得热4 措施中送风量减少较多，使室内湿度过高，超出可接受范围。 低得热3 措施为最佳调控措施，室内得热量较小时，其可以同时减小地板供冷系统与置换通风系统供冷量，使供冷量与需求量相匹配，既能节省能耗，又足以使室内温度湿度满足设计要求。

4 结论

通过上述研究可知:

(1) 不同间歇运行方式中设计运行参数供水量为0.6 m3/h、供水温度为18 ℃更具优势，并且在辐射地板供水流量减少30%的情况下，供水温度可降低2 ℃，仍能保持地板辐射系统的冷却潜力。

(2) 在启动前高湿工况中，置换通风系统需要提前2 h 的工作时间，室内没有人员产湿的情况下以送风量400 kg/h 运行，高强度除湿，到工作时间(9:00)减小至200 kg/h，有效降低室内湿度到＜65%。

(3) 在室内得热突增工况中，室内热源增加时，置换通风系统送风量宜增大到400 kg/h，送风温度降低2 ℃；在室内热源发热量降为初始值1 h 后调整到原运行参数，说明送风系统响应较快，更适用于负荷突增情况。 在室内高得热量工况中，地板辐射系统供水量宜在系统启动时增加到0.8 m3/h，供水温度降低1 ℃，送风量宜在人员进入室内时增大到300 kg/h，送风温度降低2 ℃，表明优先调整辐射地板运行参数能够更有效应对室内高得热情况。 在室内低得热量工况中，地板供水流量、送风量分别减少到0.3 m3/h、150 kg/h，仍能维持室内温湿度在规定范围内。