地面頂棚聯合作用輻射供暖房間熱舒適性分析

摘 要

摘要：提出了在輻射供暖設計中，單一控制輻射體表面溫度是不夠的，必須綜合考慮輻射體表面溫度和鄰室輻射體背面溫度對房間舒適性的影響。采用PHOENICS軟件模擬滿足IS0 7730標準的
摘要：提出了在輻射供暖設計中，單一控制輻射體表面溫度是不夠的，必須綜合考慮輻射體表面溫度和鄰室輻射體背面溫度對房間舒適性的影響。采用PHOENICS軟件模擬滿足IS0 7730標準的理論地面、頂棚溫度范圍，通過對標準房間實測及調查問卷對該溫度范圍的可靠性進行了驗證，驗證結果為可靠。
關鍵詞：輻射供暖；熱舒適；輻射體表面溫度；數值模擬
Analysis on Thermal Comfort of Radiant Heating Room with Combined Consideration of Floor and Ceiling Temperatures
WANG Wei，FANG Xiu-mu，GAO Jing-gang
Abstract：It is proposed that to control only surface temperature of radiator in radiant heating design is not enough，and the comprehensive consideration should be given to the influence of surface temperature of radiator and back temperature of radiator in adjacent room on the room comfort.The theoretical floor and ceiling temperature ranges satisfying IS0 7730 standard are simulated by PHOENICS software.The reliability of those temperature ranges is verified by measuring the standard room and the questionnaire investigation，and the result is reliable.
Key words：radiant heating；thermal comfort；surface temperature of radiator； numerical simulation
1 概述
   輻射供暖由于具有熱舒適性好、造價適中、衛生、應用得當的情況下節約能源等優點，在實際工程中得到越來越多的應用。目前，我國的輻射供暖設計，無論輻射體設置于地面、頂棚或側墻，基本上都是以輻射體表面溫度作為唯一的控制指標，認為只要輻射體表面溫度符合標準要求，室內熱舒適性就能達標[1～3]。但在實際工程中，常見到輻射體表面溫度符合設計要求，但室內過冷或者過熱的情況。實際上，輻射體散發的熱量中有一部分不可避免沿著背面傳到鄰室，并影響鄰室的熱舒適性。尤其是一些不涉及分戶熱計量的建筑，為了降低造價，輻射體背面不設絕熱層，對鄰室的影響顯著。因此，可以認為輻射供暖房間熱舒適性由輻射體表面溫度和相鄰房間輻射體背面溫度共同決定。單一控制輻射體表面溫度，難免造成偏差，使室內熱舒適性偏離設計標準。
    由于目前我國的輻射供暖主要以熱水地板輻射供暖為主，本文采用PHOENICS軟件對熱水輻射供暖房間地面及頂棚溫度對室內熱舒適性的影響進行數值模擬，研究適合工程應用的輻射供暖房間地面、頂棚溫度設定范圍，并根據實測數據及對室內人員的問卷調查對這一結論進行驗證。
2 研究方案的確定
    研究的目的是通過數值模擬，確定滿足ISO 7730標準推薦的熱舒適標準的輻射供暖房間地面、頂棚的溫度范圍。由于室內人員大部分時間在1.8m以下范圍內活動，因此認為只要這一區域內的熱舒適性滿足要求，則整個房間的熱舒適性就滿足要求。具體做法是在房間高度方向距地面0.5、1.8m處各取一個斷面，模擬出這兩個斷面的平均PPD(預期不滿意百分率)。如果這兩個斷面的平均PPD均滿足IS0 7730標準規定的PPD＜10%，則認為整個房間熱舒適性滿足要求。考慮目前的工程實際，確定模擬房間的高度分別為2.8、3.1、3.4、3.7m，地面、頂棚溫度的變化范圍為18～34℃。
3 房間模型的建立
    房間模型的建立參照哈爾濱工業大學市政環境工程學院新建科研樓標準間，該樓采用熱水地板輻射供暖系統，不設絕熱層，即考慮鄰室輻射體的影響。外墻厚度為490mm，雙層玻璃塑鋼窗。標準房間長×寬×高為8.6m×3.3m×3.4m，外窗寬×高為1.8m×2.0m。房間模型長×寬為8.6m×3.3m，高度從2.8m以0.3m為步長增加到4.0m。根據房間高度，適當調整外窗尺寸及距地面的距離(見表1)。為了便于數值模擬，對以上物理模型進行如下假設：房間為無人、無家具的空房間；房門視為與內墻相同，不單獨計算；不考慮冷風滲透對室內氣流的影響；認為地面、頂棚的溫度均勻一致。模擬采用成熟的軟件，外窗選取已考慮太陽輻射對室內熱環境的影響。
表1 外窗尺寸及距地面的距離與房間高度的關系
房間高度/m
外窗的寬×高
距地面距離/m
2.8
1.5m×1.8m
0.9
3.1
1.8m×1.8m
0.9
3.4
1.8m×1.8 m
0.9
3.7
1.8m×2.0m
1.2
4.0
1.8m×2.0m
1.2
4 模擬結果
    對于每種高度的房間模型，地面、頂棚的溫度變化范圍為18～34℃。這里只介紹房間高度為3.4m，地面溫度為24℃，頂棚溫度為23℃的情況下高度為0.5、1.8m兩個斷面的PMV(預期平均評價)分布和平均PPD。0.5、1.8m斷面上絕大部分的PMV均在IS0 7730標準推薦的熱舒適范圍(-0.5＜PMV＜0.5)之內，兩個斷面上的平均PPD分別為5.5%和5.9%。
    地面溫度保持不變，升高或降低頂棚溫度，兩個斷面上的平均PPD隨頂棚溫度的變化見圖1。由圖1可知，當頂棚溫度降低到20℃或升高到27℃時，1.8m斷面上的平均PPD已超出IS07730標準的規定。可以得出：當房間高度為3.4m時，當地面溫度設定為24℃，頂棚溫度宜維持在21～26℃，房間的熱舒適性滿足要求。
 

    對于房間高度分別為2.8、3.1、3.4、3.7m的房間模型，根據模擬結果，求出0.5、1.8m斷面上平均PPD，將滿足要求的地面、頂棚溫度點繪成圖形。其中，2.8m、3.4m高房間的溫度范圍見圖2。

5 驗證
   模擬得出的滿足要求的地面、頂棚溫度是理論上的，現利用具體房間的實測結果與調查問卷結果對理論上滿足要求的地面、頂棚溫度的可靠性進行驗證。驗證思路為：①選定具體房間，測出房間地面溫度和頂棚溫度，對照模擬結果，確定在此地面、頂棚溫度下房間的熱舒適性是否滿足IS0 7730標準。②在選定房間內設置測點，由實測數據求出該點PMV、PPD，判斷是否滿足IS0 7730標準。③對選定房間的熱舒適性進行現場問卷調查。將②、③得出的結論與①對比，如果吻合，則說明理論上滿足要求的地面頂棚溫度是可靠的。
   選取309、408房間，分別在地面和頂棚各布置5個測點。調節房間分水器上的閥門，使房間供暖系統的流量發生變化。待系統穩定后，測試出各個測點的溫度，并求出其平均值。地面、頂棚各測點平均溫度見表2。分別在每個房間中間位置豎向布置3個測點，采用室內氣候分析儀測出各測點的輻射溫度、空氣溫度、空氣流速等參數，據此計算出各測點的PMV、PPD(見表3)。
表2 地面、頂棚各測點平均溫度
房間編號
地面各測點平均溫度/℃
頂棚各測點平均溫度/℃
309
23.9
24.8
408
27.5
26.4
表3 各測點PMV、PPD的計算結果
參數
309房間測點編號
408房間測點編號
1
2
3
1
2
3
PMV
-0.21
-0.31
-0.11
0.88
0.90
1.16
PPD/%
5.87
7.02
5.24
21.27
22.01
33.50
    由表3可知，309房間各測點的PMV均小于0.5并大于-0.5，PPD均小于10%，滿足IS0 7730標準的規定，可判定該房間熱舒適滿足要求。408房間各測點的PMV均大于0.5，PPD均大于10%，超出了IS0 7730標準的規定值，可判定該房間熱舒適不滿足要求。
    選擇16位年齡20～30歲身體健康的人作為調查對象，對以上兩間房間的熱舒適性進行調查問卷。參加調查人員均身著典型的室內冬衣。人員的熱感覺指標采用ASHRAE 7點標度：冷、涼、稍涼、不冷不熱、稍暖、暖、熱，熱舒適性調查采用熱舒適5點標度：很舒適、舒適、稍微不舒適、不舒適、很不舒適，并讓被調查者直接對熱環境能否接受進行判斷。調查問卷結果見表4。由表4可知，16人全部能接受309房間的熱環境，主觀上表明309房間熱舒適達到要求。而16人全部不能接受408房間的環境，主觀上表明408房間不能達到熱舒適要求。
    對于309、408房間的熱舒適性，實測及調查問卷結果與根據圖3判斷所得出的結論是一致的。這說明理論上滿足要求的地面、頂棚溫度可靠。
表4 調查問卷結果
房間編號
熱感覺指標評價人數/人
熱舒適性指標評價人數/人
能否接受熱環境人數/人
冷
涼
稍涼
不冷不熱
稍暖
暖
熱
很不舒適
不舒適
稍不舒適
舒適
很舒適
不能
能
309
O
0
0
14
2
O
0
O
0
O
16
0
0
16
408
0
0
0
0
0
0
16
16
0
0
0
0
16
0
6 結論
   在輻射供暖系統設計中，單純考慮控制輻射體表面溫度是不夠的，輻射體背面溫度往往會在一個很大的范圍內變化，對室內熱舒適性造成很大的影響。要綜合考慮輻射體表面溫度和鄰室輻射體背面溫度對房間熱舒適性的影響。
參考文獻：
[1] GB 50019—2003，采暖通風與空氣調節設計規范[S].
[2] JGJ 142—2004，地面輻射供暖技術規程[S].
[3] GB 50189—2005，公共建筑節能設計標準[S].
 
(本文作者：王偉1 方修睦2 高井剛3 1.上海現代建筑設計集團華蓋建筑設計有限公司 上海 200041；2.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院 黑龍江哈爾濱 150001；3.上海漢思建筑設計事務所 上海 200235)