大連理工大學土木工程學院  吳小舟
大連大學建筑工程學院  高潔
西安交通大學人居環境與建筑工程學院  王灃浩  劉雨佳

      【摘  要】本文實驗研究了冷卻頂板表面溫度對地板送風房間室內空氣分布的影響。當送風溫度為21℃及冷卻頂板表面溫度為17℃~26℃時，測試了室內垂直方向空氣溫度、空氣速度分布及水平方向污染物濃度分布，并分別室內以垂直空氣溫差、空氣紊流強度及除污效率評價空氣溫度分布、空氣速度分布及污染物濃度分布。結果表明：隨著頂板溫度的增大，室內空氣溫度沿高度方向由增大的趨勢逐漸轉變為減小的趨勢，活動區內平均垂直空氣溫差隨著頂板溫度的增大而減小；而頂板溫度的變化對室內空氣速度及污染物濃度分布具有一定的影響，平均空氣紊流強度和除污效率分別為31%~43%和0.85~1.17，最大平均空氣湍流強度對應著最小平均除污效率。此外，房間冷負荷對室內垂直空氣溫差及除污效率影響較大，而對空氣紊流強度影響較小。

      【關鍵詞】冷卻頂板；地板送風；溫度分布；速度分布；CO2分布

Abstract:In this paper, an experimental study of the air distribution characteristics in a room with underfloor air distribution (UFAD) and chilled ceiling (CC) was performed when considering the effect of heat transfer of the external envelope. The distributions of indoor air temperature, air velocity and pollutant (CO2) concentration were measured and evaluated by the vertical air temperature difference, turbulence intensity and ventilation effectiveness, respectively. The results showed that when chilled ceiling surface temperature ranged from 17℃ to 26℃ and supply air temperature was 21℃, the increased trend of indoor air temperature was gradually switched to be decreased trend along the height direction, and the vertical air temperature differences decreased with the ceiling surface temperature. The ceiling surface temperature had a slight impact on the distributions of air velocity and pollutant concentration, and the turbulence intensity and ventilation effectiveness were ranged from 31% to 43% and  from 0.85 to 1.17, and the maximum turbulence intensity coincided with the minimum contaminant removal effectiveness. In addition, cooling load had a large impact on the indoor vertical air temperature difference and ventilation effectiveness, but nearly no impact on the turbulence intensity.
Keywords:Underfloor air distribution; Chilled ceiling; Temperature distribution; Velocity distribution; CO2 concentration distribution

      隨著生活水平的提高，人們對建筑物的室內環境品質要求也越來越高。地板送風的新風從接近工作區的地板送入，保證人員處于相對潔凈的新鮮空氣環境中，改善了工作區的空氣質量。地板送風氣流經過人體，送風溫度不能太低，風速不能太大，導致其所承擔冷負荷受到限制^[1]。輻射頂板中通入冷水形成輻射面，通過輻射對流的方式與室內進行換熱，熱舒適性較高，但輻射頂板供冷無法滿足室內人員對新鮮空氣的要求^[2]。因此，出現了一種將地板送風系統與頂板輻射供冷復合的新空調系統，該系統結合了兩者各自的優點，彌補了對方的缺點，達到舒適和節能的效果^[3]。

      有些學者對地板送風與頂板輻射供冷房間室內空氣分布進行了相關研究。徐祥洋^[4]對地板送風與頂板輻射供冷房間垂直方向的空氣溫度進行了實驗測試，結果表明室內空氣溫度沿高度方向先升高后降低。哈爾濱工業大學王雪^[5]采用 CFD 模擬軟件Airpak對冷卻吊頂不同負荷比和不同熱源強度條件下的室內溫度場和速度場進行了模擬對比，并通過模擬研究了太陽輻射對系統的影響。袁鋒^[6]采用 CFD 模擬軟件，比較了置換通風條件下，頂板輻射與地板輻射兩種模式室內熱環境的區別。結果表頂板輻射系統使用符合范圍更廣，具有一定優勢。Schiavon^[7]對置換通風與頂板輻射供冷房間室內溫度非均勻分布進行了實驗研究，發現房間下層空氣垂直溫度呈線性分布，而房間上層空氣受到冷卻頂板產生的下沉冷氣流作用溫度梯度較小。Rees^[8-9]結合實驗測試結果及CFD 數值模擬結果，對置換通風與頂板輻射供冷房間室內空氣流動線路進行了簡化，并建立了室內非均勻溫度分段線性分布預測的節點模型。

      雖然國內外學者對輻射空調系統的室內熱環境進行了大量的研究，但是對在外墻傳熱影響下的地板送風與頂板輻射系統的室內熱環境的實驗研究還比較少。本文通過在對一個地板送風與頂板輻射供冷系統的實驗研究，著重研究不同外墻傳熱下頂板溫度變化對室內空氣溫度分布、速度分布和污染物濃度分布的影響，為該系統的設計及推廣提供理論支持。

1 室內空氣分布的實驗方法

      1.1 人工環境室及測試系統

      人工環境室的長、寬、高分別為3.7m、2.8m、2.6m，如錯誤!未找到引用源。所示。三面墻壁由75mm 厚的帶有中心夾層為保溫發泡材料的彩鋼復合板構成，其中一面墻壁上開有1.2m×1.2m的雙層塑鋼玻璃窗戶；另一面墻壁和門窗由雙層塑鋼玻璃構成，塑鋼玻璃表面貼了一層厚度為6mm保溫材料。采用功率為1500W的電熱膜來模擬外圍護結構傳熱，電熱膜表面貼有9mm厚的石膏板以使表面溫度更加穩定，其功率變化范圍為0W-1500W。室內熱源包括散熱假人、電腦及燈等。兩個假人用尺寸為400mm（L）×250mm（W）×1200mm（H）的鐵箱子模擬，假人內部裝有三個60W的白熾燈泡，其功率調節范圍為0W-180W。電腦用兩個尺寸為400mm（L）×400mm（W）×400m（H）的鐵箱子模擬，電腦內放置了兩個100W的燈泡，其功率可以在0W-200W間調節。在吊頂上裝有兩個功率為72 W的節能燈。

      本實驗的測試系統由頂板輻射供冷系統和地板送風系統組成。頂板輻射供冷系統末端由11塊尺寸為600mm試系統由頂板輻的金屬輻射板組成，覆蓋率大概為76%。金屬輻射板由保溫層、石墨板、銅管、纖維棉和鍍鋅鋼板組成。地板送風口采用尺寸為250mm板由保溫層、的雙層百葉風口。

      1.2 測點布置及測試儀器

      測線的位置布置如圖2所示，其中線2、線3、線4和線5測試人體附近的二氧化碳、溫度和速度分布。線1、線6和線7測試室內工作區的二氧化碳、溫度和速度分布。

      Swema 03微風速探頭來測室內溫度和速度分布。該儀器溫度測試范圍及精度分別為10℃-34℃及±0.1℃，速度測試范圍及精度分別為0.05m/s-1m/s及±0.05mm/s。測點高度分別為0.1m、0.6m、1.1m、1.3m、1.7m、2.5m（如圖3所示），其中0.1m和2.5m測量地面和輻射板附近的溫度和速度分布，0.6m處的測量值作為室內溫度參考點，該點溫度被控制在26℃左右。采用TES1370測試呼吸區的二氧化碳濃度，該儀器測量二氧化碳范圍為0~6000ppm，準確度為±3%讀值或±50%ppm。測點沿高度方向分別為0.9m、1.1m和1.3m（如圖4所示）。在每個假人正前方1.1m處有一個直徑8mm的小孔，從小孔以320ml/min的流量釋放CO₂^[10]。

      1.3 測試工況

      本實驗中，室內熱源設為430W，電熱膜設為430W和720W。地板送風系統送風溫度為21℃，輻射頂板溫度為17℃~26℃，通過調節地板送風量控制室內參考溫度保持為26℃（具體為房間中心離地0.6m處的空氣溫度），如表1所示。

      1.4 測試參數計算公式

      本文分別采用垂直溫差、空氣紊流強度及除污效率評價室內垂直溫度、速度及污染物濃度分布。式（1）、式（2）及式（3）所示^[11-13] 。

      Δt_a0.1-1.1=t_a1.1-t_a0.1   (1)

      式中：t_a1.1 為距離地面1.1m處空氣溫度，℃；t_a0.1 是距離地面0.1m處空氣溫度，℃。

      式中：Tu為空氣紊流強度，SD_v為距離地面1.1m處空氣速度標準偏差； gsv  為距離地面1.1m處空氣速度平均值。

      式中：c_p為排風污染物濃度；c_z為工作區污染物濃度；c_o為送風污染物濃度。

2 室內空氣分布測試結果與分析

      2.1 室內空氣溫度測試結果與分析

      圖5和圖6反映了不同冷負荷下頂板溫度對是室內空氣溫度分布的影響。

      如圖5及圖6所示，當頂板溫度分別等于26℃及23℃，各工況在1.1m以下均呈現正溫度梯度，在1.7m以上溫度逐漸由正溫度梯度轉變為負溫度梯度。這是因為室內溫度受到熱羽流、下沉冷氣流和送風射流的共同影響。在1.1m以下，熱羽流起主導作用，室內溫度沿高度方向逐漸增加；在1.7m以上，隨著頂板溫度的升高，輻射頂板引起的下沉冷氣流逐漸減弱，送風射流逐漸起主導作用，溫度分布逐漸由正溫度梯度轉變為負溫度梯度。

      表2表示各個測點的頭部（1.1m）和腳踝（0.1m）處垂直溫差，從中可以發現每個工況各個測點的垂直溫差均能滿足ASHRAE55-2013中垂直溫差小于3垂的要求。在同樣的送風溫度下，頂板溫度越高，室內垂直溫差越小，這是因為在工作區頂板溫度引起的下沉冷氣流對溫度分布影響比較小，送風射流起主導作用。頂板溫度越高，送風量越大，工作區溫度沿高度方向分布更加均勻。此外，對比工況1~工況3和工況4~工況6可知，冷負荷的增大明顯減小室內垂直溫差。

      2.2 室內空氣速度測試結果與分析

      圖7和圖8反映了不同冷負荷下頂板溫度對是室內空氣速度分布的影響。

      如圖7及圖8所示，當頂板溫度分別等于26℃及23℃，在1.7m以上測線L1-L5空氣速度明顯增大。這主要是因為隨著頂板溫度的升高，輻射頂板引起的下沉冷氣流逐漸減弱，送風射流逐漸起主導作用。表3表示地板送風與頂板輻射供冷房間室內空氣紊流強度計算結果。由表3可知，室內紊流強度隨頂板溫度變化較小，平均紊流強度變化范圍分別為31%~41%及33%~43%。當頂板溫度分別等于23℃及20℃時，室內空氣紊流強度均達到最大。此外，對比工況1~工況3和工況4~工況6可知，冷負荷的增大對室內空氣紊流強度影響較小。

      2.3室內污染物濃度測試結果與分析

      圖9和圖10反映了不同冷負荷下頂板溫度對是室內污染物濃度分布的影響。

      由圖9和圖10可知，送風溫度一定的情況下，隨著頂板溫度及送風量的增大，室內CO₂濃度水平方向分布更加均勻。工況1和工況2測線L3中CO₂濃度偏大是因為該測線在CO₂釋放孔附近，而釋放的二氧化碳受送風氣流影響較小，擴散至L3測線測點位置。

      由表4可知，隨著頂板溫度及送風量的增大，室內除污效率變化較大，平均除污效率變化范圍分別為0.85~1.01及0.89~1.17。當頂板溫度分別等于23℃及20℃時，室內平均除污效率均達到最大。這主要是因為當頂板溫度分別等于23℃及20℃時，室內空氣紊流強度最大，從而增大了測點污染物濃度，降低了除污效率。對比工況1~工況3和工況4~工況6可知，冷負荷的增大對室內除污效率影響較大。

3 結論

      本文以地板送風與頂板輻射供冷房間為研究對象，通過測試研究地板送風與頂板輻射供冷房間室內熱環境參數分布及除熱效率與除污效率，當輻射頂板表面溫度變化范圍為17℃~23℃及送風溫度等于21℃時，得到以下結論：

      1）頂板溫度對室內空氣溫度分布影響較大，室內垂直空氣溫差隨著頂板溫度的增大而減小；

      2）頂板溫度對室內空氣速度及污染物濃度分布影響較小，最大的空氣紊流強度對應著最小的除污效率；

      3）房間冷負荷對室內垂直空氣溫差及除污效率影響較大，而對空氣紊流強度影響較小。

      致謝：本文受到國家自然科學基金(項目編號:51408482)和中央高校基本科研業務費 (項目編號: DUT17RC (3)086)資助.

參考文獻

      [1] 連之偉,馬仁民. 下送風空調原理與設計，2006.
      [2] 王玉平,連之偉. 輻射吊頂與地板送風復合空調系統在辦公建筑中的應用探討[J]. 制冷技術, 2008, 4: 21-26.
      [3] 陳啟,馬一太. 輻射頂板空調系統的優勢 [J]節能技術,2005, 23(1):40-43.
      [4] 徐祥洋, 楊潔, 張淇淇, 翟耀芳. 輻射空調系統夏季運行房間溫濕度分布試驗研究[J].流體機械, 2013, 41(2): 53-57.
      [5] 王雪.  冷卻頂板和太陽輻射對置換通風系統影響的模擬與分析  [D].  哈爾濱：哈爾濱工業大學碩士學位論文. 2005
      [6] 袁鋒，頂板輻射-置換通風符合空調室內熱環境研究[D].  西安：西安建筑科技大學. 2005
      [7] Schiavon S, Bauman F, Tully B, Rimmer J. Room air stratification in combined chilledceiling and displacement ventilation systems[J]. HVAC&R Research, 2012, 18(1-2):147~159.
      [8] Rees S J, Haves P. A nodal model for displacement ventilation and chilled ceiling systems inoffice spaces[J]. Building and Environment, 2001, 36(6): 753~762.
      [9] Rees S J, Haves P. An experimental study of air flow and temperature distribution in a room with displacement ventilation and a chilled ceiling[J]. Building and Environment,2013.59(1):358-368
      [10] C. Huan, F.H. Wang, Zhang Lin, X.Z. Wu et al.An experimental investigation into stratum ventilation for the coolingof an office with asymmetrically distributed heat gains[J].Building and Environment, 2016, 76-88.
      [11] ISO 7730, Ergonomics of the thermal environment—analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria[S]. International Standard Organization For Standardization, Geneva, 2005.
      [12] 吳小舟,孫雪豐,王灃浩.輻射空調房間供暖期室內熱環境及通風效率實驗研究[J].制冷學報，2017,38（1）：40-47.
      [13] G.Y. Cao, H. Awbi, R. Yao, Y.Q. Fan, K. Siren, R. Kosonen, J.S. Zhang, A review of the performance of different ventilation and airflow distribution systems inbuildings, Build. Environ. 73 (2014) 171-186.

      備注：本文獲評為第21屆暖通空調制冷學術年會優秀論文，收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。