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中南地区空气载能辐射空调系统热舒适性研究
Pei Peng, Guangcai Gonglowast;, Xiong Mei, Jia Liu, Fanhao Wu
College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, PR China
摘要：
在中国中南部地区进行了空气载能辐射空调系统（ACERS）和分体式空调的热环境和热舒适性的现场研究。结果表明ACERS可以创造一个垂直温度梯度很小，舒适的热环境。基于热感投票和工况温度的回归方程，发现它是ACERS的适中的温度，在夏季约为28°C，冬季约为18°C，而在分体式空调，温度约为26.1°C和19.3°C。此外， 80％可接受的ACERS舒适温度范围在夏季为25.5°C，冬季为13.8°C，分体式空调的对应范围为23.9°C和16.7°C。结果表明ACERS有与分体空调相比具有更大的温度调节范围和热舒适性，且ACERS的稳定性更好。通过PMV-PPD方程计算，实际舒适的温度范围比理论值宽，原因可能是人们长期生活适应环境。这项研究有助于未来空调的设计和运行系统，为该地区室内温度设定提供理论依据。
关键词：空气载能， 辐射系统， 热舒适性， 舒适的温度
1 .引言
随着提高室内热舒适性的需求，空调系统在创造舒适的环境和保证生活质量方面发挥着越来越重要的作用。暖通空调系统（HVAC）最初被设计为对流系统，其仅通过对流热传递来实现冷却或加热的任务。之后，辐射空调系统变得越来越广泛。与对流终端不同，辐射终端不仅可以通过对流与室内空气进行热交换，还可以与其他内部表面和居住者进行热交换。在ASHRAE手册中，辐射空调系统被认为是辐射传热超过总热交换的50％的系统[1]。由于辐射空调系统的辐射热交换特性，在夏季和冬季，辐射系统的设定温度通常高于或低于对流空调系统的设定温度。因此，辐射空调系统具有很大的节能潜力，可以大大降低建筑能耗。
辐射冷却天花板系统最初是在20世纪90年代在欧洲国家的实验室中研究的[2]。 在过去的几十年中，辐射采暖和制冷系统已得到广泛应用。在德国，奥地利和丹麦30-50％的新住宅楼安装了辐射地板采暖系统。在韩国，这一比例甚至达到了90％[3]。通常，辐射系统可根据不同的能量载体分为三类。第一种是液压辐射加热和冷却系统，该系统的传热介质通常是水。第二种是空气携带能量辐射空调系统（ACERS），最后是非负载能量介质辐射系统，如电加热辐射系统[4]。这些系统中的辐射传热模式可以降低垂直温度梯度并解决通风问题，从而提供更好的热环境[5-8]。 Catalina[9]等人证实冷却天花板系统具有优势，例如，垂直温度梯度较低，当室内气流速度小于0.2 m / s时，即使是较高的新陈代谢率或衣物绝缘，也可以获得热量。辐射系统中的能量转移过程也得到了广泛的研究。Wu[10]提出了一种计算地板辐射系统表面温度和传热的简化模型，并通过实际测量数据阐述了模型的可靠性。 Ardehali [11]等人建立了传热模型，包括天花板辐射冷却和室内热区以及人体和辐射板之间的传热。
Xia等人推导了天花板辐射冷却板的传热方程并分析了传热。
而且，有许多通过现场调查和软件模拟比较辐射和对流终端的文献[13-15]。 Oxizidis等[16]从基于模拟办公室的能耗和热舒适的角度比较了辐射和对流系统。本研究提出了适当控制辐射系统的问题，以便更准确地评估系统。Memon等[17]在梅赫兰工程技术大学利用TRNSYS对辐射系统和传统空调系统的能耗进行了研究并且对热舒适性进行了现场评估。发现人类可以在适度的温度下适应自然环境。与传统空调系统相比，热环境和辐射系统甚至可以节省80％的能源消耗。 Imanari等人[18]证实，与传统的空调系统相比，辐射天花板系统可以创造出优越的辐射环境和较小的垂直气温变化。 Conceiccedil;atilde;o等[19]通过计算平均辐射温度场，人体温度和热舒适度来分析七种辐射冷却系统和三种对流均匀环境的组合。Zeiler等[20]通过测量和问卷调查，将学校的热环境质量与建筑热激活式系统（TABS）和传统加热系统进行了比较。结果表明，TABS可以提供更好的室内热气候和个人热舒适感。
但是，现有辐射天花板系统的主要问题是当冷却板的表面温度低于露点时，冷却板上存在冷凝的高风险，特别是在炎热潮湿的地区。因此，一些学者们提出辐射天花板系统结合通风系统能够解决实际工程应用的冷凝问题[21-24]Zhang和Niu [25]证实，采用独立空气除湿系统的辐射冷却可以防止天花板上的冷凝。除了与传统的全空气系统相比，该系统具有降低能耗的潜力。Corgnati等人[26]通过现场试验和模拟，研究了基于全空气混合通风系统的房间制冷系统与辐射吊顶板的耦合，结果表明，耦合系统提供了较好的热环境。Sui等[27]评估了辐射冷却天花板的性能与夏季通风系统。结果表明，该系统运行状态良好，没有达到良好的热舒适性时出现冷凝问题。
虽然在某种程度上，通风系统和辐射的结合系统可以解决冷却板冷凝的问题，这种解决方案可能会导致增进投资。考虑到经济成本和安装问题，这些联合系统不适用于小型建筑和住宅建筑。近年来，Gong等人[28]提出了空气载能辐射空调系统（ACERS）并根据常规计算方法修改了该新系统的负荷计算。Yang [29]分析了ACERS中孔板的辐射传热和冷凝特性，得到了计算天花板辐射传热的简化公式。此外，通过CFD模拟研究了影响孔板冷凝的三个主要因素，包括孔口系数，风速和气温，结果表明ACERS可以有效地防止冷凝[30]。刘等人[31] 研究了ACERS在不同运行条件下的性能，提出了空调系统驱动的机械通风动态协同运行和开门或车窗驱动的自然通风的概念。ACERS中的人体热舒适性与当前的辐射天花板系统和对流终端不同。孔板可以以辐射的形式改变热量，并且携带空气的能量也可以渗透到室内以进一步传递热量。因此，ACERS结合了辐射天花板系统和孔板供气系统的特性。
本研究的目的是研究ACERS的室内热环境和热舒适度，并确定这种新系统的舒适温度范围。此外，与对流式空调（分体空调）相比，中南地区居民的热偏好更为明显。本研究也有助于分析ACER的性能，为空调系统的设计和运行提供理论支持。
ACERS：载能辐射空调系统。
HAVC: 暖通空调。
PMV: 预测平均投票数。
PPD: 预期不满意百分率。
TSV: 热感投票。
TCS: 热舒适稳定性。
Q: 终端单位面积有效传热（W/m2）。
Q1: 孔板单位面积传热（W/m2）。
eta;: 辐射热与总换热之比。
Cp: 水的比热容。
A: 孔面积（m2）。
QA: ACERS单位小时能耗。
QS: 分体空调单位小时能耗。
Ɛ: ACERS的节能率。
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方法论
- 实验系统
载能辐射空调系统（ACERS）是一种以空气为传热介质的新型辐射空调系统。ACERS的示意图如图1所示。装有ACERS的房间通过孔板分为储能缓冲区（上）和空调区（下）。
这些板由铝制成，厚度较小，板上的微孔直径约为1-3毫米。另外，如图1所示，储能缓冲区有送风口和回风口，空调区有回风口。空调区回风口也可根据不同的安装要求安装在其他侧壁上。冷却或加热空气首先送至储能缓冲区，储能缓冲区是能量交换和稳定压力的场所。通过孔板传热后，大部分空气通过储能缓冲区的回风口流出，其余空气通过微孔进入房间。一方面，其余的空气在天花板附近形成一个空气层，可以降低夏季凝结的风险，另一方面，与室内物体进行热交换。然后这部分空气通过空调区域的回风口流出。因此，孔板可以不断地从缓冲器中的循环空气中冷却或加热，并以辐射的形式将热量传递到空调区域。室内Acers的具体能量传递过程如图2所示。目前的辐射天花板系统的不同之处在于，人类不仅可以与室内空气和外壳进行热交换，还可以与进入室内的缓冲区进行热交换。这样，人们可以与周围环境充分交换热量，从而提高室内热舒适性。
图1 . ACERS系统原理图
图2. ACERS能量传递过程图
图3. 实验室（A）和测量点分布（B）的布局
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- 室内环境测量
测量室是两个大小相同的相邻办公室，分别配备ACER和对流分体空调。办公地点位于长沙，东经112.59E，北纬28.12N，夏季室外气温25.6-34°C，冬季2-9°C左右。有时，夏季的温度接近38-40°C，冬季的温度接近-5-0°C。如图3a所示，配备ACER的办公室尺寸为5mtimes;3.7mtimes;2.8m，在孔板上方有0.5m高储能缓冲区，在缓冲内表面上安装18mm聚苯乙烯泡沫板用于绝热。储能缓冲区的送风口和回风口尺寸分别为0.4 mtimes;0.15 m和0.5 mtimes;0.5 m。空调区回风出口尺寸为0.5mtimes;0.25m。
实验于2011年8月进行夏季评估，2012年2月进行冬季评估。整个过程由两部分组成，第一部分是对室内热环境的调查分析，即夏季27°C，冬季21°C。这些条件是长沙人习惯设定的温度，对典型条件下的室内热环境进行分析有助于了解ACERS的特性。第二，研究了不同工作温度下居住者的热舒适性。使用表1中的仪器测量环境参数，如温度、相对湿度、风速。室内测点分布如表2所示，水平和垂直位置上的点如图3b所示。8个点分别设置在垂直高度2.8、2.6、2.1、1.6、1.1、0.6、0.1、0.0 m处。2.8 m高度测量为孔板表面温度，0 m为地板表面温度。其他高度点测量为气温。用PTL00铂热电阻传感器测量各点温度，用EN880-06型无纸记录仪记录。所有的热阻传感器都是用冰水混合物校准的，同时这些传感器非常薄，可以认为对温度场或流场没有显著影响。用流量计和秒表测量空调水系统的供回流量。实验包括客观仪器测量和主观问卷调查。因此，测量不确定度的产生因素很多。测量不确定因素通常可分为两类。第一类是可以通过统计分析估计的数值。第二类比较复杂，通常显示出随机不确定性[32–34]。表1所示仪器的测量不确定度属于第一类。采用多次测量取平均值的方法，减少了实验误差。而由于个体情绪或神经活动的差异导致的问卷结果的不确定性是第二类。虽然调查问卷的不确定性无法预测和量化，但这些不确定性可以被视为居住者的一种热偏好。此外，利用Origin软件对实验数据进行了分析和拟合。
表1 测量仪器列表
表2 测点布置
单位面积有效的热转移Q（W/m2）使用以下公式计算:
-Q = Cpm (t2 – t1)/A (1)
式中，q（w/m2）是ACERS终端单位面积有效的热转移。Cp（J/kg°C）是指水，m（kg/s）是系统中的水流，t2（℃）是供水温度，t1（℃）是回水温度，以及A（m2）是孔的总面积。
孔板单位面积传热q1（w/m2）可以由RLJ-100100A型热流计获得，并且孔板传热系数q1（w/m2）与总有效热之比Acers中的转移Q（w/m2）用eta;表示。eta;为无量纲量，计算式如下：
eta; = Q1/Q (2)
2.3热量调查问卷
本研究的热舒适性调查包括实地测量和问卷调查。根据统计理论，研究的样本量至少需要30个，De Dear[35]建议，考虑到个体差异，对热舒适性进行实地调查时，最小样本量为40个参与者。在调查的两个阶段中，共有100名参与者接受了检查，31%是女性。志愿者年龄为22-50岁，平均29岁。他们中的大多数是上班族，在长沙生活了一年多，因此，这些参与者可以被视为适应长沙的夏热冬冷气候。100名乘客实验分成20组，每组5人依次进入房间。考虑到传输介质问卷中还包括了空气、噪音感觉。调查表的主要内容见表3。在问卷调查期间，在不知情的情况下，每半小时设定一次不同的温度。集合夏季温度范围为22-30°C，冬季温度范围为13-22°C。根据ASHRAE标准55-2010[36]，计算了内衣物隔热和代谢率。在夏天，在空调房间，他们通常穿着短袖衬衫，轻裤子或裙子，脚踝袜子和鞋。在冬季，参与者通常穿着长裤、长袖衬衫、毛衣和长袖衫，袜子和鞋子。据估计，夏季平均衣物隔热值约为0.63clo，冬季平均为1.34clo。另外，椅子的隔热值为0.07 clo。单位CLO值定义为0.155 m2°C/W。在夏季和冬季，参与者新陈代谢值约为1.1met，与本研究中“坐”办公室的活动相应。1 met=582W/m2。
表3 舒适度等级
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结果
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热环境 全文共6346字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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