地面頂棚聯(lián)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(shè)計(jì)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(duì)房間舒適性的影響。采用PHOENICS軟件模擬滿足IS0 7730標(biāo)準(zhǔn)的
摘要：提出了在輻射供暖設(shè)計(jì)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(duì)房間舒適性的影響。采用PHOENICS軟件模擬滿足IS0 7730標(biāo)準(zhǔn)的理論地面、頂棚溫度范圍，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)房間實(shí)測(cè)及調(diào)查問卷對(duì)該溫度范圍的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果為可靠。
關(guān)鍵詞：輻射供暖；熱舒適；輻射體表面溫度；數(shù)值模擬
Analysis on Thermal Comfort of Radiant Heating Room with Combined Consideration of Floor and Ceiling Temperatures
WANG Wei，F(xiàn)ANG 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(jià)適中、衛(wèi)生、應(yīng)用得當(dāng)?shù)那闆r下節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到越來越多的應(yīng)用。目前，我國(guó)的輻射供暖設(shè)計(jì)，無論輻射體設(shè)置于地面、頂棚或側(cè)墻，基本上都是以輻射體表面溫度作為唯一的控制指標(biāo)，認(rèn)為只要輻射體表面溫度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，室內(nèi)熱舒適性就能達(dá)標(biāo)[1～3]。但在實(shí)際工程中，常見到輻射體表面溫度符合設(shè)計(jì)要求，但室內(nèi)過冷或者過熱的情況。實(shí)際上，輻射體散發(fā)的熱量中有一部分不可避免沿著背面?zhèn)鞯洁徥?，并影響鄰室的熱舒適性。尤其是一些不涉及分戶熱計(jì)量的建筑，為了降低造價(jià)，輻射體背面不設(shè)絕熱層，對(duì)鄰室的影響顯著。因此，可以認(rèn)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(nèi)熱舒適性偏離設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
    由于目前我國(guó)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(duì)熱水輻射供暖房間地面及頂棚溫度對(duì)室內(nèi)熱舒適性的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，研究適合工程應(yīng)用的輻射供暖房間地面、頂棚溫度設(shè)定范圍，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)室內(nèi)人員的問卷調(diào)查對(duì)這一結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。
2 研究方案的確定
    研究的目的是通過數(shù)值模擬，確定滿足ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)推薦的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)的輻射供暖房間地面、頂棚的溫度范圍。由于室內(nèi)人員大部分時(shí)間在1.8m以下范圍內(nèi)活動(dòng)，因此認(rèn)為只要這一區(qū)域內(nèi)的熱舒適性滿足要求，則整個(gè)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(gè)斷面，模擬出這兩個(gè)斷面的平均PPD(預(yù)期不滿意百分率)。如果這兩個(gè)斷面的平均PPD均滿足IS0 7730標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PPD＜10%，則認(rèn)為整個(gè)房間熱舒適性滿足要求?？紤]目前的工程實(shí)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(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院新建科研樓標(biāo)準(zhǔn)間，該樓采用熱水地板輻射供暖系統(tǒng)，不設(shè)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(biāo)準(zhǔn)房間長(zhǎng)×寬×高為8.6m×3.3m×3.4m，外窗寬×高為1.8m×2.0m。房間模型長(zhǎng)×寬為8.6m×3.3m，高度從2.8m以0.3m為步長(zhǎng)增加到4.0m。根據(jù)房間高度，適當(dāng)調(diào)整外窗尺寸及距地面的距離(見表1)。為了便于數(shù)值模擬，對(duì)以上物理模型進(jìn)行如下假設(shè)：房間為無人、無家具的空房間；房門視為與內(nèi)墻相同，不單獨(dú)計(jì)算；不考慮冷風(fēng)滲透對(duì)室內(nèi)氣流的影響；認(rèn)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(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。
表1 外窗尺寸及距地面的距離與房間高度的關(guān)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(jié)果
    對(duì)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(gè)斷面的PMV(預(yù)期平均評(píng)價(jià))分布和平均PPD。0.5、1.8m斷面上絕大部分的PMV均在IS0 7730標(biāo)準(zhǔn)推薦的熱舒適范圍(-0.5＜PMV＜0.5)之內(nèi)，兩個(gè)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(gè)斷面上的平均PPD隨頂棚溫度的變化見圖1。由圖1可知，當(dāng)頂棚溫度降低到20℃或升高到27℃時(shí)，1.8m斷面上的平均PPD已超出IS07730標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。可以得出：當(dāng)房間高度為3.4m時(shí)，當(dāng)?shù)孛鏈囟仍O(shè)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(duì)于房間高度分別為2.8、3.1、3.4、3.7m的房間模型，根據(jù)模擬結(jié)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(diǎn)繪成圖形。其中，2.8m、3.4m高房間的溫度范圍見圖2。

5 驗(yàn)證
   模擬得出的滿足要求的地面、頂棚溫度是理論上的，現(xiàn)利用具體房間的實(shí)測(cè)結(jié)果與調(diào)查問卷結(jié)果對(duì)理論上滿足要求的地面、頂棚溫度的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證思路為：①選定具體房間，測(cè)出房間地面溫度和頂棚溫度，對(duì)照模擬結(jié)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(biāo)準(zhǔn)。②在選定房間內(nèi)設(shè)置測(cè)點(diǎn)，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)求出該點(diǎn)PMV、PPD，判斷是否滿足IS0 7730標(biāo)準(zhǔn)。③對(duì)選定房間的熱舒適性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)問卷調(diào)查。將②、③得出的結(jié)論與①對(duì)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(gè)測(cè)點(diǎn)。調(diào)節(jié)房間分水器上的閥門，使房間供暖系統(tǒng)的流量發(fā)生變化。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，測(cè)試出各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度，并求出其平均值。地面、頂棚各測(cè)點(diǎn)平均溫度見表2。分別在每個(gè)房間中間位置豎向布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用室內(nèi)氣候分析儀測(cè)出各測(cè)點(diǎn)的輻射溫度、空氣溫度、空氣流速等參數(shù)，據(jù)此計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的PMV、PPD(見表3)。
表2 地面、頂棚各測(cè)點(diǎn)平均溫度
房間編號(hào)
地面各測(cè)點(diǎn)平均溫度/℃
頂棚各測(cè)點(diǎn)平均溫度/℃
309
23.9
24.8
408
27.5
26.4
表3 各測(cè)點(diǎn)PMV、PPD的計(jì)算結(jié)果
參數(shù)
309房間測(cè)點(diǎn)編號(hào)
408房間測(cè)點(diǎn)編號(hào)
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(cè)點(diǎn)的PMV均小于0.5并大于-0.5，PPD均小于10%，滿足IS0 7730標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，可判定該房間熱舒適滿足要求。408房間各測(cè)點(diǎn)的PMV均大于0.5，PPD均大于10%，超出了IS0 7730標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)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(diào)查對(duì)象，對(duì)以上兩間房間的熱舒適性進(jìn)行調(diào)查問卷。參加調(diào)查人員均身著典型的室內(nèi)冬衣。人員的熱感覺指標(biāo)采用ASHRAE 7點(diǎn)標(biāo)度：冷、涼、稍涼、不冷不熱、稍暖、暖、熱，熱舒適性調(diào)查采用熱舒適5點(diǎn)標(biāo)度：很舒適、舒適、稍微不舒適、不舒適、很不舒適，并讓被調(diào)查者直接對(duì)熱環(huán)境能否接受進(jìn)行判斷。調(diào)查問卷結(jié)果見表4。由表4可知，16人全部能接受309房間的熱環(huán)境，主觀上表明309房間熱舒適達(dá)到要求。而16人全部不能接受408房間的環(huán)境，主觀上表明408房間不能達(dá)到熱舒適要求。
    對(duì)于309、408房間的熱舒適性，實(shí)測(cè)及調(diào)查問卷結(jié)果與根據(jù)圖3判斷所得出的結(jié)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(diào)查問卷結(jié)果
房間編號(hào)
熱感覺指標(biāo)評(píng)價(jià)人數(shù)/人
熱舒適性指標(biāo)評(píng)價(jià)人數(shù)/人
能否接受熱環(huán)境人數(shù)/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(jié)論
   在輻射供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)在一個(gè)很大的范圍內(nèi)變化，對(duì)室內(nèi)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(duì)房間熱舒適性的影響。
參考文獻(xiàn)：
[1] GB 50019—2003，采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[2] JGJ 142—2004，地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程[S].
[3] GB 50189—2005，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].
 
(本文作者：王偉1 方修睦2 高井剛3 1.上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)華蓋建筑設(shè)計(jì)有限公司 上海 200041；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001；3.上海漢思建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所 上海 200235)