徐正宏

（南京市建筑设计研究院有限责任公司，江苏南京 210000）

1 引言

辐射盘管是一类基于辐射传热原理的空调末端设备，已经广泛应用于各种建筑领域，相关的研究成果也很多，基于空气特性，常见夏季用于吊顶方式供冷，冬季用作地板采暖。毛细管辐射盘管是近年来出现的一种新型辐射盘管方式，其仿造人体及叶脉毛细管构造，采用壁厚约0.9mm，直径约3.5～5mm的PP－R（无规共聚聚丙烯）材料制成。与传统辐射盘管相比，毛细管辐射盘管具有换热面积大，换热均匀，供水温度要求低（采暖时温度可以较低，供冷时温度可以相应提高）的优点。

针对毛细管热工特性，德国国家标准化学会（DNI）组织制定了DN47标准，一些生产研究毛细管的工厂、设计制造安装公司组织制定了FGK标准，为毛细管设计研发提供了参考。Tacycon Kim［1］总结前人的研究得到毛细管辐射盘管系统应用有很大的节能潜力。辐射盘管在高湿度的气候条件下使用时，出现了结露和不能除湿等问题。针对这一现状，学者沿着热湿负荷独立处理的思路进行研究。F.Alamdari［2］、S.G.Hodder［3］通过研究置换通风和辐射末端的结合，解决了结露的问题;LZ.Zhang、J.L.Liu［4］和丁云飞［5］提出用转轮的方法除湿。毛细管辐射盘管作为空调系统的末端，夏季供冷时同样存在以上的问题。马玉奇、刘学来等［6］建立了毛细管平面辐射盘管空调系统的传热传质模型，试验研究毛细管辐射盘管/置换通风空调系统的结露过程，认为结露是很缓慢形成的且有方法控制，不应该成为毛细管辐射盘管空调系统应用和推广的障碍。高志宏，刘晓华［7］对毛细管辐射盘管吊顶空调系统进行了试验研究，分析了不同供水状况和不同敷设形式下，毛细管辐射盘管空调的供冷能力和热舒适性。从目前的现状来看，结合风机盘管的毛细管辐射盘管空调系统还是最成熟的方案，实际工程当中也有应用。

根据我国的气候条件，许多的地方不仅夏季需要制冷空调，冬季也需要供暖。目前研究毛细管辐射盘管系统用于冬季采暖的很少，傅允准、蔡颖玲、陈帅［8］等将毛细管应用于地板采暖系统中，但毛细管顶板/风机盘管系统冬季供热时的状况鲜有提及。欧洲及美国在使用毛细管顶板空调系统时，通常在冬季增加另一套末端来解决供热问题。就我国的目前经济水平和实际资源的情况来看，参照欧洲和美国的做法无疑是不合适的。同时，单独使用辐射盘管供暖时存在供暖速度慢的问题。基于以上的考虑，本文对毛细管辐射盘管顶板/风机盘管系统冬季供热的工况条件、房间舒适性以及系统能耗状况进行了试验和分析，为实际工程中的应用打下一定基础。

2 试验

2.1 试验环境及测试内容

本文搭建了毛细管顶板/风机盘管空调系统试验平台，平台利用南京市建筑设计研究院与某地产公司共建的试验房间作为研究对象，周围房间没有供暖，尺寸为8.4m×3.75m×2.8m。试验通过加热器向毛细管及风机盘管提供热量，房间顶部设有金属板毛细管吊顶，下部设有送风口，顶部设有回风口。房间平面面积为31.5m2，金属板毛细管每块面积为0.36m2，总共分三部分敷设，每部分敷设17块，供暖板总面积为3×17×0.36m2=18.36 m2，见图 1。

本试验中测试内容:

（1）水温测试:

测试金属板毛细管进出口水温，风机盘管进出口水温。采用四线制铂电阻，精度为±0.1℃。

图1 试验室示意及测点布置

（2）水流量测试:

测试供水流量，采用TOSHIBA电磁流量计LDTH型精度为0.2%Q。

（3）房间及室外空气温度测试:

1）测试房间几何中心位置处的空气温度和室外空气温度，采用VAISALA HMT333型温湿度测试仪，精度为±0.2℃

2）如图2中右侧示意的测点平面，三组测点投影位置在房间南北三分和东西两分处，每组测点在垂直方向上从0.1m至2.1m，每隔0.5m布置一个，共5个，采用K型热电偶，精度为±0.0075|t|℃。

本试验采用Agilent 34970A数据采集仪采集及记录试验数据。

2.2 试验条件及方法

试验房间为西面墙体有保温（聚苯保温材料），其余为正常墙体。因此，室外气温及天气条件是对试验存在干扰，根据实测 （实测从某日19∶00至次日19∶00，房间没有供暖、人员和设备散热，也没有人员进出，门窗保持关闭）房间温度，见图2。由试验结果可以看出，晚上至凌晨的时段房间温度变化较小，白天时存在太阳辐射的影响，房间气温变化较快。因此，选取试验的时间为晚上10∶00至次日凌晨8∶00，可以最小程度的减小外界环境对试验的影响。试验分成两部分，第一部分为变供水工况试验，以测试变供水工况下的性能;第二部分为24h连续运行试验，以测试长时间连续运行的性能。另外，还运用TRNSYS软件模拟了该系统冬季不同工况 （流量、供水温度）下系统及房间特性 （具体模拟过程略）。

（1）变工况试验方法及步骤:

1）试验前利用阀门调节水路流量，待流量稳定后再进行试验操作。

图2 房间温度随时间变化

2）试验室利用加热器加热水温，以开启加热器为试验的时间起点，记录试验数据。

3）试验时改变供水工况，温度变化为39℃、41℃、43℃和 45℃，流量变化为 0.6m3/h、0.8 m3/h和1.0 m3/h。

4）试验:每组工况进行4小时，试验室开始时，采用另一套空调设备将房间温度 （房间几何中心处）调整为8℃，管路中水温调整为12℃，一组试验结束后，待试验室条件恢复初始值再进行下一组。

（2）长时间运行试验方法及步骤:

长时间运行时，两末端设备同时开启三小时后关闭风机盘管，

3 结果分析与讨论

本文对房间的负荷情况进行了分析计算，计算时依据《实用供热空调设计手册 （第二版）》中的相关计算方法和标准［8］，室内计算温度20℃，室外计算温度3℃，得出了试验房间冬季供热负荷，人体散热标准采用ISO7730［9］中关于人员散热的标准，结果见表1。

表1 房间负荷及内热源情况

3.1 房间稳定温度分析

实际进行试验时，选在2月的晚间至凌晨进行，模拟也采用相应的天气参数，各种变供水温度和流量工况下，室外气温比较接近，实际试验中测得的平均值最高组和最低组见图3，室外气温在试验的四个小时内的变化在1.5℃之内，平均值最大组为4.26℃。最小组为2.36℃，试验室气密性良好，室内没有人员走动，因此，外界环境条件对试验的影响很小。

图4为模拟和试验时房间温度稳定后的情况，图中房间温度由位于房间几何中心的温湿度变送器测得 （以下的文章中除讨论舒适性的章节外，所提及的房间温度均是指此温度）。从图4的试验及模拟结果可以看出，室外气温维持在1.5℃至5.5℃范围时，随着供水温度和供水水量的上升，房间稳定的温度均呈现上升的趋势，房间最终温度都可以维持在20℃以上，满足规范中18℃至22℃的冬季室内设计温度范围，达到舒适性的要求。

图3 室外气温逐时变化

3.2 房间温度响应时间分析

图4 变工况房间稳定时温度

图5 变供水温度、水流量情况下房间温度响应时间

试验和模拟时，初始条件为:供水水温为12℃，房间温度为8℃。本文定义从初始条件到房间温度20℃时所经历的时间为房间响应时间。图5为变供水水温和变供水流量情况下，房间温度响应时间变化情况。

图5反映出，试验及模拟条件下，随着供水温度和流量的提高，房间响应时间逐渐减小，试验值和模拟值非常接近，从图中可以看出:

1）系统运行在较大流量 （0.8m3/h和1.0m3/h）区间时，增大流量对于系统快速达到温度要求相对于提高水温其效果更加明显。

2）系统在小流量 （0.6m3/h）状态运行时，改变系统的供水温度，对房间响应时间的影响也是比较明显的。

3）当供水温度在43℃以上时，提高供水温度对于房间快速达到温度要求，已经没有太大的作用，因此，不建议采用提高水温的方法减少系统的响应时间。

3.3 系统舒适性分析

根据ISO7730的标准，房间的参数可以拟合为PMV－PPD，从而判定房间的舒适性。Fanger教授根据人员活动量和衣着情况以及四个环境变量，即空气流速、空气温度、空气湿度和平均辐射温度计算出来的热舒适性标准，PMV指标作为一种度量热感觉的尺度，从心理生理学作为出发点，采用7点热感觉标尺，见表2。

表2 热感觉－PMV尺度

PMV指标是根据客观值计算出来的，而舒适性是一种主观感受，因此Fanger教授又引入了PPD，意为一大群人对于给定环境热感觉表示不满意的百分率的预计值，其与PMV的关系式为:

PPD={100－95exp［－（0.03353PMV4+0.2179PMV2）］}%［9］

根据计算PPD服从正态分布，当PMV=0时，PPD=5%，也就是说即使室内环境达到最舒适的状态时，由于个体的差异，仍然会有5%的人表示不舒适。ISO7730对PMV－PPD指标的推荐值为:PPD＜10%，相应的PMV为－0.5＜PMV＜+0.5。试验房间的PMV－PPD值如图6，图7。

图6 PMV值

图7 PPD值

图6中PMV值随着供水温度和流量的升高而升高，当供水水量为0.6m3/h时，房间的PMV值始终是在－1以下，也就是说房间中人体感觉是凉的，不满足舒适性的要求。当供水水量提高到0.8m3/h和1.0m3/h时，房间的PMV值明显升高，除了供水温度39℃，水量0.8m3/h时，房间其余的PMV值均在－1和1之间，PPD的范围在10%以内，也就是说只有10%以内的人员会对房间的舒适度不满。如果进一步考虑计算人员散热率采用的是办公室静坐办公标准，实际上人员在室内时不可能全部时间都是在静坐办公状态，故房间PMV值还会进一步升高，房间PPD值也会随着下降，放宽供水温度和水量的要求，供水水量0.8～1.0 m3/h，温度为39～45℃时均可以满足房间舒适性要求。

房间负荷4.02kW，是以20℃作为室内计算干球温度的，而PMV－PPD结果却表明在此温度下的房间舒适性达不到要求，这与目前我国采暖规范中的房间设计温度为18～22℃具有一定的冲突。Fanger教授在总结PMV公式时，人员冬季衣服热阻采用的标准是薄毛衣加一件风衣，使得人员感觉偏冷。鉴于目前我国能源资源状况，房间温度控制在20℃符合节能减排的要求，同时，人员在办公时适量添加衣物就可以很好的改善舒适性状况，因此，房间采暖时，选取供水温度和供水量时，还是要综合考虑房间稳定温度和PMV－PPD值，不必要刻意追求完全符合ISO7730中的PMV－PPD要求，只要偏差不是很大，相应的供水参数是可以接受的。

在舒适性范围内，进一步考虑人体对于头部和脚部温差的感受。IS07730标准中规定:在工作区的上方1.1m和0.1m之间的温差≤3℃。以试验时房间温度的最终稳定值高低标准，选取三种典型工况 （0.6 m3/h，39℃;0.8 m3/h，41℃;1.0 m3/h，45℃），对房间垂直高度上温度的分布情况进行分析，见表3。

表3 垂直高度温度及温差分布

1）所有工况和位置，1.1m处和0.1m处的温差都没有超过3℃，符合ISO的舒适性标准。

2）北中南三个位置处的温差很小，房间温度场均匀性很好，舒适性较强。

3）房间温度分布无论是纵向还是水平方向均满足舒适性的要求，但没有形成“头冷脚热”的温度分布，这与热辐射面布置在顶部有关，在以后的研究当中可以将送风方式改为地板送风，加以解决。

3.4 系统节能潜力研究

传统的采暖方式中，末端采用散热片形式的系统需要80℃以上的供水，地板采暖需要45～55℃的供水，风机盘管需要45℃ （热泵）或60℃ （锅炉）的供水，由此可以看出，风机盘管联合毛细管金属板末端设备可以有效地降低供水温度，具有节能的潜力，图8是与本文同一试验平台的地源热泵机组采用本文末端设备测试机组性能时的COP值，机组COP随着供水温度的升高而降低，机组提供39.2℃热水比提供45.1℃热水时节能16%，可见采暖时使用低温供水将有效减少系统能耗，达到节能的目的。

图8 变供水温度地源热泵COP值

图9 辐射散热量百分比

有数据表明［8］，当系统采用辐射末端采暖时，室内设计温度可以比采用单纯风机盘管系统时降低1～3℃。由图9可以看出系统在不同的供水温度和水量下运行时，毛细管散热量占总散热量的比例是不同的。随着供水温度从39℃升高到45℃，毛细管散热量占总散热量的比例分别降低了7.4%（0.6m3/h）、3.7%（0.8m3/h）和2.9%（1.0m3/h），因此，降低供水温度可以使得毛细管发挥更大的作用，无论是舒适性还是节能性能都得到提升。

4 结论

通过构建风机盘管/毛细管末端系统TRNSYS模型及搭建系统试验平台，对风机盘管/毛细管末端系统进行了模拟和试验研究，分析了模拟及试验数据，得到以下结论:

风机盘管/毛细管末端系统在冬季能够有效地改善室内热环境，房间稳定温度、房间响应时间、PMV－PPD等舒适性因素均满足相关标准。

风机盘管/毛细管末端系统运行时采用较低水温供水，有效提高供水热效率，节约能源。

［1］Tacycon Kim，Shinsuke Kato.Indoor cooling/heating Load Analysis Based on Coupled Simulation of Convection，Radiation and HVAC Control［J］．Building and Environment.200l

［2］F.Alamdari.Chilled Ceilings and Displacement Ventilation［J］．Renewable Energy，1998，（15）:300 －305

［3］ S.G.Hodder， D.L.Loveday， etc.Thermal Comfort in Chilled Ceiling and Displacement Ventilation Environment:Vertical Radiant Temperature Asymmetry Effect［J］．Energy and Building，1998，（27）:167－173

［4］L.Z.Zhang，J.L.Niu.A pre－ cooling Musters environmental control desiccant cooling cycle in Combination with chilled－ceiling panels［J］．Energy 2003（28）:275－292

［5］丁云飞，丁静，王卓越，等.除湿转轮处理冷却顶板空调系统的湿负荷［J］．华南理工大学学报 （自然科学版），2004，32（3）:10－14

［6］马玉奇，刘学来，李永安，等.毛细管平面辐射空调简介 ［J］．建筑节能，2007，（11）:5－6

［7］高志宏，刘晓华.毛细管辐射供冷性能试验研究［J］．太阳能学报，2011，32（1）:101－106

［8］陆耀庆.实用供热空调设计手册 （第二版）［M］．北京:中国建筑工业出版社，2007

［9］ISO.Internation Standard 7730，Moderate thermal environments－determination of the PMV and PPD indices and specification of the thermal comfort［S］．Geneva:International Standards Organization.1984