广西大学 胡映宁 张淑凤
摘 要：实验研究了直膨式多联机辐射空调在人工模拟气候环境下冬季采暖、夏季制冷及除湿工况下的舒适性和能耗特点。结果表明，采暖工况，辐射+新风模式在室内同一时刻的温差均低于2.5℃，达到室内设定温度25℃的时间约2~3h；制冷工况，辐射+新风模式在室内同一时刻的温差在0.5℃~2℃左右，达到室内设定温度26℃的时间约1h~3h左右。新风模式下室内同一时刻的温差和响应时间相比辐射+新风模式略大。新风的冷冻除湿效果明显，除湿新风含湿量在6.2~10.7g/kg之间，除湿效率可达50%。
关键词：辐射空调；温差；响应时间；除湿；舒适性
0 引言
辐射空调因其具有良好的热舒适性及节能性而越来越受重视，各国学者对辐射空调的运行性能进行了大量研究。
Song D等[1]通过实验和仿真研究了地板辐射在韩国某公寓的制冷运行特性，系统采用水做冷媒，结合除湿通风系统能够一定程度改善结露和响应。隋学敏等[2]实验测试了昆山某别墅地板辐射采暖+新风系统的冬季运行特性，由于地板采暖惰性较大，从15℃升到23℃约用了170min，夏季制冷时需采用辐射吊顶+新风系统。辐射地板采暖能节约能源并有较好的舒适性，但制冷时易结露，且系统惯性较大、响应时间长，需采用多套系统才能得到合适的舒适度。明锦等[3]通过实验研究了微孔金属辐射顶板在株洲冬季时的热舒适性，发现水温较高时系统的使用范围更广，系统开机160min才能达到舒适。唐凯等[4]测试了辐射吊顶+置换通风系统在冬季供暖时的热舒适性，系统以水为循环液体，能提供较舒适的室内环境，但是系统温升较慢且惰性较大。娄载强等[5]通过实验与模拟对顶棚辐射制冷室内温度分布进行研究，结果表明室内基本温差在3℃内。
本文针对传统辐射板应用中存在的问题，提出一种新型直膨式多联辐射空调能用于采暖、制冷和除湿工况，系统采用R410A做冷媒，采用课题组自主设计的辐射板结构，可有效防止结露和制冷量不足等问题。在人工模拟气候环境分别研究新风模式、辐射模式及辐射+新风模式在冬季采暖和夏季制冷工况下系统的运行特性，并通过实验研究系统在各工况下室内温度分布均匀性，得到在不同外环境时最合适的控制模式。
1 实验平台
1.1 实验平台简介
实验平台由两部分嵌套而成，外部是人工模拟气候环境室（简称大房间），里面嵌套内部实验室（简称小房间），东墙开门，所有墙体和门均采用80mm厚的聚酯保温材料制成。大房间由常规空调提供一个温湿度可控且不受外界影响的实验环境（温度调节范围：-20℃~55℃，相对湿度可由实际相对湿度加湿到90%以上）；小房间由一台三匹的多联主机和辐射板、新风机和风机盘管末端组成（末端均可单独控制），空调系统采用的冷媒为R410A。实验平台整体示意图如图1所示。
图1 实验平台示意图
1.2 测试参数和实验仪器
本次实验主要研究在不同模拟室外温度环境下室内的舒适度和能耗。测试参数主要包括室内空气温度、各平面温湿度、围护结构温度、新风机进回风温湿度、辐射板温度、室外空气温湿度、空调系统的耗电量和功率。实验每隔1min采集一次，为减少误差，采用多点测量取平均值的方法。测试仪器主要有PT100温度传感器、温湿度变送器、多路温湿度无纸记录仪、电能质量分析仪，测试仪器具体参数见表1。
表1 测试仪器参数
为研究辐射空调在小房间的运行特性，分别在0.1m、1.1m、1.7m水平面，室内进、回风口布置温湿变送器，在2.5m平面、墙体和地面布置PT100温度传感器。其中0.1m、1.1m、1.7m、2.5m四个水平面分别用A、B、C、D表示，每个平面布置5个传感器（1、2、3、4、5），墙体和地面的传感器置的具体位置见图2。
1.3 实验工况
实验研究的所有工况见表2，室内辐射空调共有三种模式，即辐射+新风模式（RCS+DOAS）、辐射模式（RCS）和新风模式（DOAS）。采暖工况和制冷工况模拟室外湿度不进行处理，除湿工况采用超声波加湿器使室外湿度在85%左右，实验测试系统从开机到稳态各工况下测试点的温、湿度，巡检仪每1分钟记录一组数据，电能质量分析仪也逐时记录主机的功率和耗能。
表2 实验工况
2 实验结果分析
实验每个工况运行24小时，每分钟自动记录一次各测试点的温湿度，以半小时为间隔取点形成实验曲线进行分析。每一次工况测试之前，先开启人工模拟气候环境的空调设备，使室外模拟温度达到设置的温度范围，并开始记录室内的温湿度变化。竖直方向分别取0.1m、1.1m、1.7m、2.5m平面5点的平均温度作为该平面的温度，水平面主要研究1.1m水平面5点的温度分布情况。
2.1 采暖工况室内温度分布
图3为人工模拟气候环境温度-10~-6℃时开启辐射+新风时室内温度分布情况，系统开机3h室内空气温度从-5℃左右升到25℃以上，稳定后周期波动开停机时间分别为2h和1h，竖直方向平均温差和 1.1m水平方向温差在2.5℃左右。系统响应较快，温差较小，温度分布在舒适度要求范围。
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| （a）竖直方向温度分布 | （b）1.1m水平面温度分布 |
图3 采暖工况（-10 ~ -6℃）辐射+新风模式室内温度分布
图4为环境温度0~4℃时开启辐射+新风时室内温度分布情况，系统开机2.5h室内温度从4℃左右上升到25℃以上，达到稳态后周期开停时间分别为1h和1.5h，竖直方向和1.1水平方向温差均在1.5℃左右，竖直方向2.5m平均温度略高，1.1m处B1点由于远离辐射板和进风口温度略低。
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| （a）竖直方向温度分布 | （b）1.1m水平面温度分布 |
图4 采暖工况（0 ~ 4℃）辐射+新风模式室内温度分布
图5到图7为人工模拟气候环境温度为9~12℃时分别开启辐射+新风模式，辐射模式，新风模式时室内温度变化图。图5为辐射+新风模式系统开启不到2h室内温度从11℃左右上升到25℃以上，达到稳态的峰值，之后周期开停时间分别为1h和2h，竖直和1.1水平方向温差均在1.5℃左右。
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| （a）竖直方向温度分布 | （b）1.1m水平面温度分布 |
图5 采暖工况（9 ~ 12℃）辐射+新风模式室内温度分布
图6辐射模式时室内5h从11.5℃升到25℃以上达到稳态峰值，开停机时间分别为2h和2h，竖直方向2.5m水平面温度比其他平面平均温度高1.5℃左右，0.1m到1.7m温差在1.5℃左右，1.1m水平方向温差大于3℃，B5由于在辐射板正下方温度较高。
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| （a）竖直方向温度 | （b）1.1m水平面温度分布 |
图6 采暖工况(9~12℃)辐射模式室内温度分布
图7新风模式室内温度从11℃上升到25℃用时2h左右，之后周期开停机时间分别为1h和2h，竖直方向和1.1m水平方向温差均在1.5℃以内，1.1m水平面B2由于靠近进风口温度略高。在该人工模拟气候环境温度下，除辐射模式响应较慢，温差较大，达不到舒适性要求，其他两种响应较快，温差较小，在舒适度要求范围。
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| （a）竖直方向温度 | （b）1.1m水平面温度分布 |
图7 采暖工况（9~12℃）新风模式室内温度分布
图8为采暖工况人工模拟外环境为13~16℃时开启新风采暖模式室内温度的分布情况，开机不到2h就可以达到设定温度25℃以上，达到稳态后周期开停时间分别为1h和3h，室内竖直方向和1.1m水平面的温差均在2℃以内，室内温度分布均匀，满足舒适性要求。
| （a）竖直方向温度分布 | （b）1.1m水平面温度分布 |
由图8可知采暖工况下，随人工模拟气候环境温度的上升，辐射+新风模式的室内空气温差略有下降，模拟室外温度在-10~-6℃时，室内温差最高，模拟室外温度在0℃以上的采暖工况室内温差基本低于2℃，室内温度分布均匀。新风模式在模拟室外温度9℃以上室内总体温差均在3℃以内，随室外温度降低室内温差增大；辐射模式室内温度分布最不均匀。
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| （a）竖直方向温度 | （b）B水平面温度（1.1m） |
图8 采暖工况（13~16℃）新风模式室内温度分布
2.2 制冷工况室内温度分布
图9为制冷工况人工模拟气候环境温度为30~33℃时开启辐射+新风模式室内的温度变化图，系统经过大约1h到达稳态，室内温度从30℃降到26℃以下，之后室内温度稳定波动，竖直方向2.5m处由于接近辐射板，在开机后温度下降最快，最低点时比其他点温度低0.5℃左右，0.1m到1.7m活动区域的温差在1℃内，1.1m水平面总体温差小于1℃，室内温度分布均匀。
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| （a）竖直方向温度 | （b）1.1m水平面温度分布 |
图9 制冷工况（30~33℃）辐射+新风模式室内温度分布
图10到图12为制冷工况人工模拟气候环境温度36~39℃时，分别开启辐射+新风模式、新风模式、新风模式在室内竖直方向和1.1m水平面的温度变化图。图10辐射+新风模式时，系统约1.5h达到稳态，室内温度从34℃降到26℃以下，之后室内温度稳定波动，竖直方向2.5m水平面由于接近辐射板，在开机后温度下降最快，最低点时比其他点温度低0.5℃左右，0.1m水平面到1.7m水平面活动区域的温差在1℃左右，1.1m水平面靠近新风进口B2点温度略低，该平面温差约2℃。
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| （a）竖直方向温度 | （b）1.1m水平面温度分布 |
图10 制冷工况（36~39℃）辐射+新风模式室内温度分布
图11辐射模式时，系统开启4h室内温度从32.5℃下降到26℃，之后缓慢降低，竖直方向2.5m水平面由于靠近辐射板温度较其他水平面低1~1.5℃左右，0.1m水平面到1.7m竖直方向温差在1℃左右，1.1m水平面温差在1℃左右。
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| （a）竖直方向温度 | （b）1.1m水平面温度分布 |
图11 制冷工况（36~39℃） 辐射模式室内温度分布
图12新风模式时，系统开机后3h室内温度从31下降到26℃后缓慢降低，12h时温度稍微有一点上升是因为室内开门的原因。竖直方向平均温差在2℃左右，1.1m水平面温差在约2℃。
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| （a）竖直方向温度 | （b）1.1m水平面温度分布 |
图12 制冷工况（36 ~39℃）新风模式室内温度分布
图13为制冷工况人工模拟气候环境温度为42~46℃下开启辐射+新风模式时室内温度变化图，系统开机4h左右室内温度从36℃以上降低到26℃以下，之后在26℃波动。其中0.1m平面温度相比于其他平面低，这是由于新风进口的温度经过冷却处理，冷空气下沉的原因，竖直方向和1.1m水平温差在2℃左右。
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| （a）竖直方向温度 | （b）1.1m水平面温度分布 |
图13 制冷工况（42 ~ 46℃）辐射+新风模式室内温度分布
由上图可知制冷工况下，随人工模拟气候环境温度的上升，辐射+新风模式下室内同一时刻的温差呈上升趋势，在模拟室外温度30~33℃，36~39℃、42~46℃时，室内平均温差分别在0.5℃、1℃和2℃左右。在相同的人工模拟气候环境温度下，辐射+新风模式温度分布最均匀，新风模式和辐射模式温差较大。
新风机有冷冻除湿功能，冬季采暖工况和夏季制冷工况的辐射模式的室内和人工模拟气候环境含湿量基本一致，夏季制冷工况和过渡季节除湿工况的新风除湿效果如下表3所示。
表3 室内新风除湿量
从表3可以看出，夏季和过度季节开启工况新风冷冻除湿效果明显，除湿后的室内含湿量在舒适性范围内，实验几种工况的除湿效率在50%左右。
3 结论
实验研究了辐射+新风模式在人工模拟气候环境全工况下的运行特性，同时也比较了辐射+新风模式、辐射模式、新风模式竖直方向和1.1m水平面的温度分布均匀性和系统的响应时间，分析制冷和除湿工况系统除湿效果。主要的结论可以总结为如下几点：
（1）采暖工况，随人工模拟气候环境温度降低，辐射+新风模式室内竖直方向和1.1水平面温差呈上升趋势，模拟室外温度在-10~-6℃范围内室内同一时刻的温差约2.5℃，当模拟室外温度上升到0℃以上，室内温差在2℃左右。制冷工况时，随人工模拟气候环境温度从30℃上到46℃，辐射+新风模式竖直方向的温差由0.5℃上升到1.5℃左右。总的来说，辐射+新风模式温度分布均匀，室内有较好的舒适性。相比而言，新风模式室内温差略大。
（2）采暖/制冷工况时，在相同的人工模拟气候环境下，辐射+新风模式室内温度达到稳定的时间最短，新风模式次之，辐射模式最慢。辐射+新风模式在采暖工况模拟人工模拟气候环境温度-10~-6℃时，达到室内设定温度25℃的时间约3h，当人工模拟室外温度大于0℃时，达到室内设定温度25℃的时间在2~2.5h左右。制冷工况室外环境温度低于40℃时，辐射+新风模式均能在2h内达到室内设定温度26℃，室外环境温度40℃以上时，达到室内设定温度26℃需要3h以上。
（3）由于新风机有制冷除湿能力，在制冷工况和除湿工况开启新风除湿后，室内空气的湿度能在舒适性范围内，实验工况中新风的除湿效率在50%左右，除湿新风的含湿量在6.2~10.7g/kg左右，在国家规定的舒适范围内。
参考文献
[1] Song D,Kim T,Song S,et al.Performance evaluation of a radiant floor cooling system integrated with dehumidified ventilation[J]. Applied Thermal Engineering, 2008,28(11–12):1299–1311.
[2] 隋学敏, 张旭, 韩星. 户式地板辐射采暖+新风系统冬季工况运行性能与分析[J]. 流体机械, 2009,37(3):53–55, 5.
[3] 明锦, 李灿. 微孔金属辐射顶板空调冬季热舒适性实验研究[J]. 建筑热能通风空调, 2016(04):9–13.
[4] 唐凯,周翔, 张恩泽,等.辐射吊顶+置换通风系统冬季室内环境舒适性试验研究[J].流体机械, 2011,39(8):54–58, 86.
[5] 娄载强, 杨冬, 张云婷, 等. 顶棚辐射供冷房间的温度分布探析[J]. 制冷技术, 2013(3):59–60, 69.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年8月刊总第24期。
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