組合型末端采暖裝置的熱舒適性實(shí)驗(yàn)研究

摘 要

摘要：通過對(duì)城市供熱系統(tǒng)中3種不同末端采暖裝置(散熱器、供暖型風(fēng)機(jī)盤管、散熱器與供暖型風(fēng)機(jī)盤管相結(jié)合的組合型末端采暖裝置)的室內(nèi)熱舒適性指標(biāo)(PMV、PPD)進(jìn)行測試分析，提
摘要：通過對(duì)城市供熱系統(tǒng)中3種不同末端采暖裝置(散熱器、供暖型風(fēng)機(jī)盤管、散熱器與供暖型風(fēng)機(jī)盤管相結(jié)合的組合型末端采暖裝置)的室內(nèi)熱舒適性指標(biāo)(PMV、PPD)進(jìn)行測試分析，提出推動(dòng)行為節(jié)能切實(shí)可行的辦法，為技術(shù)節(jié)能和行為節(jié)能各占一半指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了一種解決途徑。
關(guān)鍵詞：散熱器；風(fēng)機(jī)盤管；組合型末端采暖裝置；行為節(jié)能；熱舒適性
Experimental Study on Thermal Comfort of Combination-type Terminal Heating Unit
ZHANG Lilu，YOU Yuwen，DAI Wei，DUAN Lianjie
Abstract：The indoor thermal comfort indexes(PMV and PPD)of three kinds of terminal heating units including radiator，heating fan-coil and combination-type terminal heating unit of radiator and heating fan-coil in urban heat-supply system are tested and analyzed.A feasible method to promote behavioral energy-saving is proposed to provide a way to achieve technical energy-saving and behavioral energy-saving half-and-half.
Key words：radiator；fan-coil；combination-type terminal heating unit；behavioral energy-saving；thermal comfort
1 概述
    節(jié)能是供熱技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)之一。文獻(xiàn)[1]指出，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能方式的核心是把建筑物末端采暖裝置的水溫降下來，末端溫度越低，系統(tǒng)效率越高，末端溫度每降低1℃，系統(tǒng)效率提高0.5%。目前我國城市供熱系統(tǒng)中很大一部分熱用戶，仍然以單管順流式供暖為主要形式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的改造[2]。其中增設(shè)跨越管、溫控閥后，系統(tǒng)節(jié)能效果好，室內(nèi)舒適度高，造價(jià)低，但在居民節(jié)能意識(shí)不強(qiáng)的情況下，只適用于舒適度要求較高而無需進(jìn)行分戶計(jì)量的建筑。采用改變末端散熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)節(jié)能的核心是把建筑物末端采暖裝置的水溫降下來，其實(shí)現(xiàn)途徑是增大末端采暖裝置的換熱能力[1]。本文將散熱器與供暖型風(fēng)機(jī)盤管結(jié)合使用(簡稱組合型末端采暖裝置)，作為行為節(jié)能中一個(gè)重要調(diào)控手段。人們外出時(shí)僅將散熱器開啟而關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)機(jī)和進(jìn)水閥門，可以維持基礎(chǔ)室溫(5～10℃)[2]。
2 不同末端采暖裝置的實(shí)驗(yàn)研究
2.1 實(shí)驗(yàn)條件
    在天津市某高校3間尺寸均為3600mm×5680mm×3600mm(寬×進(jìn)深×高)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，3間實(shí)驗(yàn)室的采暖裝置分別是組合型末端采暖裝置、維持基礎(chǔ)室溫的散熱器及滿足熱負(fù)荷要求的散熱器。實(shí)驗(yàn)室的平面布置見圖1，圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性參數(shù)見表1。對(duì)散熱器、供暖型風(fēng)機(jī)盤管、組合型末端采暖裝置3種采暖方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
 

表1 實(shí)驗(yàn)室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性參數(shù)
圍護(hù)結(jié)構(gòu)名稱
材料
傳熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)
外墻
厚370mm
1.65
分隔墻
厚240mm
1.72
樓板
鋼筋混凝土
3.10
外窗
鋁合金雙層窗
3.70
   實(shí)驗(yàn)室1窗戶下面的散熱器管路上裝有熱量表、球閥及供暖型風(fēng)機(jī)盤管。設(shè)備連接見圖2，維持基礎(chǔ)室溫的散熱器和風(fēng)機(jī)盤管并聯(lián)。
 

2.2 測試與分析
   在有鄰室效應(yīng)[4～5]的情況下，實(shí)驗(yàn)室1、2的基礎(chǔ)室溫設(shè)計(jì)為10℃。實(shí)驗(yàn)研究是在滿足ISO 7726—2001《熱環(huán)境的人類工效學(xué) 物理量測量儀器》及IS0 7730—2005《熱環(huán)境的人類工效學(xué) 使用PMV和PPD指數(shù)和局部熱標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算熱設(shè)備的分析測定和解釋》對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境測試的要求下進(jìn)行的。利用室內(nèi)熱舒適度測試儀Swema 3000中的微處理機(jī)，完成影響人體熱感覺的環(huán)境參數(shù)(干球溫度、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度)和個(gè)體參數(shù)(人體活動(dòng)強(qiáng)度MET、衣著熱阻CLO)的數(shù)據(jù)采集分析工作，測得預(yù)計(jì)平均熱感覺指標(biāo)PMV和預(yù)計(jì)不滿意者的百分?jǐn)?shù)PPD。靜坐工作時(shí)MET=1.2，靜坐休息時(shí)MET=1.0；較多著裝時(shí)CLO=1.0，一般著裝時(shí)CLO=0.7。
   ① 散熱器采暖
   實(shí)驗(yàn)室2選用維持基礎(chǔ)室溫所需的9片TZ4-6-5型4柱760散熱器單獨(dú)運(yùn)行[6]，由Swema 3000測得：當(dāng)CLO=1.0時(shí)，當(dāng)人在室內(nèi)靜坐休息時(shí)，PMV=-2.41，PPD=91.52%；靜坐工作時(shí)，PMV=-1.58，PPD=55.34%。人體感覺很不舒適。
    實(shí)驗(yàn)室3采用滿足室內(nèi)熱負(fù)荷要求的散熱器采暖。當(dāng)CLO=1.0時(shí)，當(dāng)人在室內(nèi)靜坐休息時(shí)，PMV=-0.71，PPD=15.63%。當(dāng)人在室內(nèi)靜坐工作時(shí)，PMV=-0.20，PPD=5.86%，此時(shí)室內(nèi)熱環(huán)境符合IS0 7730—2005對(duì)可接受熱環(huán)境的規(guī)定(-0.5＜PMV＜0.5、PPD＜10%)，即較多著裝者靜坐工作時(shí)的熱舒適性較好。
    ② 供暖型風(fēng)機(jī)盤管采暖
    供暖型風(fēng)機(jī)盤管作為末端采暖裝置，完全承擔(dān)室內(nèi)所需熱量。當(dāng)人們外出時(shí)，可關(guān)斷風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)機(jī)電源，利用換熱盤管(銅管串鋁翅片)內(nèi)流動(dòng)的熱水向室內(nèi)自然對(duì)流散熱，來維持基礎(chǔ)室溫。而當(dāng)人們進(jìn)入房間后，可通過調(diào)節(jié)供暖型風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)機(jī)開關(guān)的檔位(分高、中、低3檔).來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，同時(shí)還可控制房間升溫的快慢。因此，利用供暖型風(fēng)機(jī)盤管采暖，可達(dá)到調(diào)控節(jié)能的目的[7]。設(shè)計(jì)供暖型風(fēng)機(jī)盤管時(shí)，相關(guān)參數(shù)的選取及計(jì)算可參照GB/T 19232—2003《風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組》進(jìn)行。根據(jù)近幾年對(duì)不同實(shí)驗(yàn)室采用的不同型號(hào)風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和分析，建議風(fēng)機(jī)盤管選型時(shí)，供熱量按照室內(nèi)熱負(fù)荷的2～4倍選取。實(shí)驗(yàn)室1選用的供暖型風(fēng)機(jī)盤管性能參數(shù)見表2。
表2 風(fēng)機(jī)盤管性能參數(shù)
型號(hào)
B
電壓/V
220
輸入功率/W
50
水質(zhì)量流量/(kg·h-1)
600
供熱量/W
5250
風(fēng)量/(m3·h-1)
630
    供暖型風(fēng)機(jī)盤管單獨(dú)采暖可實(shí)現(xiàn)45℃供水、35℃回水，這可使供水溫度降得更低(低于地板輻射采暖供水溫度)，系統(tǒng)效率更高[1]。通過實(shí)驗(yàn)可知，即使人們外出時(shí)關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)機(jī)電源，使得室溫下降很多，但當(dāng)風(fēng)機(jī)開啟后，風(fēng)機(jī)盤管產(chǎn)生的強(qiáng)迫對(duì)流換熱能使室溫很快回升到人體感覺舒適的溫度，這對(duì)行為節(jié)能的開展具有積極的促進(jìn)作用。通過對(duì)歷年采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析可知，在換熱盤管維持基礎(chǔ)室溫條件下，供暖型風(fēng)機(jī)盤管初開啟時(shí)，每小時(shí)平均溫升約為3.17℃。如業(yè)主對(duì)房間的相對(duì)濕度有要求，可在風(fēng)機(jī)盤管出風(fēng)口處加裝條形水槽。
    當(dāng)供暖型風(fēng)機(jī)盤管單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，采用Swema 3000對(duì)實(shí)驗(yàn)室1的熱環(huán)境進(jìn)行測試。結(jié)果顯示，當(dāng)CLO=1.0時(shí)，當(dāng)人員靜坐休息時(shí)，PMV=-0.63，PPD=13.26%；當(dāng)人員靜坐工作時(shí)，PMV=-0.14，PPD=5.41%。可見，當(dāng)供暖型風(fēng)機(jī)盤管單獨(dú)采暖時(shí)，較多著裝者靜坐工作時(shí)的熱環(huán)境符合ISO 7730—2005對(duì)可接受熱環(huán)境的規(guī)定。較單純采用滿足室內(nèi)熱負(fù)荷要求的散熱器采暖，靜坐休息時(shí)PMV提高了0.08，PPD降低了2.37%；靜坐工作時(shí)PMV提高了0.06，PPD降低了0.45%。
    ③ 組合型末端采暖裝置采暖
    當(dāng)人員離家或?qū)W校放學(xué)、單位下班時(shí)，可關(guān)閉供暖型風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)機(jī)電源及其球閥。此時(shí)，由散熱器維持室內(nèi)基礎(chǔ)室溫，即在進(jìn)行散熱器面積計(jì)算時(shí)，室內(nèi)溫度取室內(nèi)基礎(chǔ)室溫。
    在維持基礎(chǔ)室溫的散熱器開啟條件下，人們可根據(jù)實(shí)際需要間歇開啟風(fēng)機(jī)盤管。需要時(shí)開啟風(fēng)機(jī)，室溫迅速達(dá)到設(shè)定溫度后，關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)，熱水流經(jīng)供暖型風(fēng)機(jī)盤管和散熱器，回到外網(wǎng)。
    在實(shí)驗(yàn)室1中，采用組合型末端采暖裝置進(jìn)行采暖，開啟供暖型風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)機(jī)中檔后進(jìn)行測試。當(dāng)CLO=1.0時(shí)，當(dāng)人員靜坐休息時(shí)，PMV的平均值為0.31，PPD的平均值為7.26%，滿足IS0 7730—2005對(duì)可接受熱環(huán)境的規(guī)定，即室內(nèi)熱環(huán)境滿足大部分人的舒適要求。靜坐工作時(shí)，PMV的平均值為0.63，PPD的平均值為13.38%，人們需將較多著裝變?yōu)橐话阒b(CLO=0.7)。變?yōu)橐话阒b后，靜坐工作時(shí)PMV的平均值為0.28，PPD的平均值為6.87%；靜坐休息時(shí)PMV的平均值為-0.04，PPD的平均值為5.20%。此時(shí)靜坐工作和靜坐休息時(shí)的熱環(huán)境均符合IS0 7730—2005對(duì)可接受熱環(huán)境的規(guī)定。可見采用組合型末端采暖裝置采暖，既符合人們的日常行為習(xí)慣，又提升了人們的生活品質(zhì)。通過對(duì)幾年實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，建議采用組合型末端采暖裝置時(shí)，在進(jìn)行維持基礎(chǔ)室溫所需的散熱器面積計(jì)算時(shí)，散熱器的散熱量宜取該房間室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的40%。組合型末端采暖裝置采暖時(shí)的PMV、PPD分別見圖3、4。
 

2.3 小結(jié)
    供暖型風(fēng)機(jī)盤管或組合型末端采暖裝置由于有動(dòng)力源——風(fēng)機(jī)的存在，在人們的活動(dòng)區(qū)域氣流組織顯得更加均勻穩(wěn)定。在相同供水溫度下，采用組合型末端采暖裝置的室內(nèi)熱舒適度最高。這是由于熱空氣密度小，會(huì)不斷上升，在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，強(qiáng)制對(duì)流成為換熱的主要形式。在供暖型風(fēng)機(jī)盤管開啟的時(shí)間內(nèi)，空氣在室內(nèi)形成大的回旋渦流，室內(nèi)的速度場和溫度場更加均勻穩(wěn)定。且在風(fēng)機(jī)的作用下，房間呈微正壓，冷風(fēng)滲透可以消除。此外，風(fēng)機(jī)的機(jī)外余壓小，噪聲低，出口風(fēng)速低，因此該種組合形式易于被人們所接受。
3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)性分析
   ① 采用供暖型風(fēng)機(jī)盤管的強(qiáng)制對(duì)流傳熱方式供暖，使供暖型風(fēng)機(jī)盤管的供回水溫差較常規(guī)單純散熱器采暖方式大。從熱源的角度來看，可節(jié)省設(shè)備造價(jià)和能源消耗，同時(shí)減少了鍋爐房的運(yùn)行費(fèi)和維護(hù)費(fèi)[8]，使熱價(jià)的固定費(fèi)部分[9]有所降低。
   ② 當(dāng)采用常規(guī)散熱器、供暖型風(fēng)機(jī)盤管、維持基礎(chǔ)室溫的散熱器、組合型末端采暖裝置進(jìn)行采暖時(shí)，室內(nèi)最低溫度分別為16.94、12.60、10.69、14.56℃；最高溫度分別為20.19、21.30、15.13、24.30℃?？梢姲凑諟夭钫{(diào)節(jié)范圍由大到小排列為：組合型末端采暖裝置、供暖型風(fēng)機(jī)盤管、散熱器。
   ③ 實(shí)驗(yàn)證明組合型末端采暖裝置比單純散熱器采暖更具有可調(diào)節(jié)性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性，是完全可行的一種行為節(jié)能[10]方式，而且維修簡單方便。
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(本文作者：張麗璐1 由玉文1 戴偉2 段連杰1 1.天津城市建設(shè)學(xué)院 天津 300384；2.天津市邁高超凈工程技術(shù)有限公司 天津 300061)