辐射供冷空调室内热环境控制变量的选择

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中图分类号： TH12；TU831.3 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.03.015Select of Indoor Thermal Environment Control Variables in Radiant Cooled RoomSUI Xue.min ，ZHANG Xu ，HAN Guang-hui(1.Chang an University，Xi an 710054 China；2.Tongji University，Shanghai 200092，China；3.Xi an MunicipalCommission of Urban-Rural Development，Xi an 710003，China)Abstract： The energy exchange between air-conditioning terminal devices of radiant cooling system and indoor therm al and hu-mid environment was presented，and the characteristics of indoor therm al environment parameters in radiant coling environmentwere analyzed.Based on the therm al comfort theory，the efect of low mean radiant temperature on therm al sensation of peopleWas analyzed.From the perspective of practical application，the appropriate therm al environment control variables for radian tcooled rom were analyzed and selected.By analyzing，the paper concluded that indoor therm al environment control variables inradiant cooled room should consider two indicators including mean radiant temperature and indoor air temperature，and the operat·ing temperature can be used as a feedback variable for indoor therm al environment contro1。

Key words： radian t coling；control variable；thermal environment；therm al comfort；an ti-condensation1 前言近年来，辐射供冷空调因其 良好的热舒适性及节能性受到国内外暖通空调界越来越多的关注 J。辐射供冷空调对室内环境的热湿控制策略有别于传统空调热湿联合处理的方法，热湿解耦，采用辐射末端承担室内显热负荷，采用送风末端承担室内潜热负荷，同时承担稀释室内污染物的任务。作为-种新型舒适节能型空调，其需求迫在眉睫↑年来，以辐射冷吊顶为代表的辐射供冷技术已被广泛应用于欧洲市场，特别是办公建筑与商业建筑 。2000年初，辐射供冷空调被引入我国，尽管也受到了业界很多的关注，但近十年来，应用该空调 系统的工程实例屈指可数 l J。究其原因，在于辐射供冷技术工程应用中仍存在许多尚未完全认识和解决的问题。

能够实现良好的控制与调节是空调应用成败的关键。而在空调系统的控制中，选择合适的控制变量至关重要∝制变量的选择决定了室内热环境控制的精确性，也决定了控制实现的难易程度，同时还影响系统的初投资。早期的热环境的调控以温度控制为主，将室内空气温度作为控制变量，通常在室内设置温度传感器，通过室内温度的反馈的来调控空调系统 。自从 Fanger提出收稿 日期： 2012-05-04 修稿日期： 2012-10-24基金项 目： 十-五国家科技支撑计划重大项目(2006BAJ01A05)；中央高校基本科研业务费专项资金(CHD2011JC051)2013年第 41卷第 3期 流 体 机 械PMV-PPD热舒适评价指标后，在此基础上出现了热舒适指标控制，即以人体热舒适指标作为控制 目标，对空调系统进行调控，也称为 PMV控制l 。热舒适指标控制相比传统的温度控制有很大进步，综合考虑率了室内空气温度、空气相对湿度、人体附近的空气流速、平均辐射温度4个热环境参数的影响，更能准确的反映人的热舒适状况。但由于热舒适指标控制需要采集的室内热环境参数较多，实施起来比较复杂，实际工程中空调系统的控制仍采用传统的温度控制。

对于辐射供冷空调的控制，目前的实际工程中仍是沿袭传统对流空调的温度控制法，将室内空气控制 目标设定为 26C，通过调控辐射末端进水温度或进水流量来保持室内温度在设定值。然而辐射供冷空调对室内热环境的调控机理有别于传统对流空调，以辐射换热为主，对壁面温度的影响较大，实际测试表明平均辐射温度低于室内空气温度，若仍将对流空调的室内热环境控制 目标作为辐射供冷空调的控制目标，势必会造成-定的偏差 。因此有必要根据辐射供冷空调对室内热环境的控制特点，对室内热环境控制变量重新筛眩针对以上问题，本文对辐射供冷系统空调末端与室内热环境之间的能量交换过程进行分析，在此基础上分析辐射供冷空调室内热环境参数特点，采用热舒适模型分析低平均辐射温度对人体热感觉的影响，根据辐射供冷空调的特点，分析选择适合辐射供冷空调的室内热环境控制变量。

2 辐射供冷系统空调末端与室内热湿环境之间的能量交换传统空调以空气对流方式进行能量交换，消除室内余热余湿，而辐射供冷空调有辐射和送风两种空调末端，与室内环境间的传热方式是辐射和对流耦合作用。图1示出辐射及送风末端与室内热湿环境之间的能量交换示意，箭头表示冷量的传递方向。对于辐射末端，冷量由冷冻水通过导热和对流的方式传递到辐射板，其表面再通过对流和辐射、并以辐射为主的方式直接与室内环境进行换热，可极大的简化能量从冷源到终端用户室内环境之间的传递过程，减少不可逆损失。

辐射换热量撒于冷辐射板、墙面、人体及室内热源的表面温度，各表面的几何形状、相对位置及其辐射特性。对流换热量撒于冷板附近空气对流作用的强弱。-般而言，对于辐射供冷空调，辐射换热量要占总换热量的50%以上。

图1 辐射、送风末端与室内热湿环境之间的能量交换3 平均辐射温度人体与周围热环境之前的辐射换热存在于人体与各壁面之间，在热舒适理论中，为综合考虑各壁面的影响，提出了平均辐射温度的概念，表示人体周围各壁面的空间加权平均温度。当人体与某- 假想的，具有均匀-致表面温度的绝热黑体表面构成的封闭空间内表面之间的辐射换热量，与实际情况下人体与所处的非均匀表面温度封闭空间内表面之间的辐射换热量相等时，定义假想封闭空间内表面所具有的表面温度为人体表面的平均辐射温度( 或t，)。平均辐射温度有 2种计算方法l ：(1)根据墙壁、屋顶、地板等壁面的表面温度，计算平均辐射温度： ∑，- (1Pii ) -厶 ，式中 --平均辐射温度，K- - - 人体与各壁面之间的角系数，可由 ASHRAE Handbook中的图表查 出- - 各壁面温度，K(2)利用黑球温度计测定黑球温度，再由下式计算平均辐射温度：t-r -27 r-扔(2)式中 --黑球温度，℃ta--空气温度，℃- - 空气流速，m/sD--黑球直径 ，m- - 黑球发射率，-般取0.9570 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.3，20134 低平均辐射温度对人体热舒适的影响平均辐射温度是计算人体与周围环境的辐射换热量的重要参数，对流空调环境常假定室内为均匀环境，认为室内空气温度等于平均辐射温度。

在以辐射换热为主的辐射供冷环境中，壁面温度较低，平均辐射温度对人体热舒适的影响应重新加以审视。本节基于热舒适模型，分析辐射供冷环境低平均辐射温度对人体热舒适的影响。

4.1 热舒适评价模型目前，热舒适评价模型主要有 PMV-PPD模型及两点模型，其中PMV-PPD模型主要用来预测稳态热环境下的人体热反应，两点模型是用来预测人体动态热反应的热舒适模型 。早期的研究者通过大量的试验研究表明，Fanger的 PMV- PPD模型在辐射供冷环境中仍可适用，本文主要基于此模型来分析低平均辐射温度对人体热感觉的影响 。

1970年 Fanger以热舒适方程和 ASHRAE 7点标度为依据，在 Kansas州立大学的试验结果基础上提出了PMV(预期平均投票)指标 ，已被编人IS07730标准。PMV代表对同-环境绝大多数人的冷热感觉， (预期不满意百分率)表示对人体对热环境不满意的百分数。IS07730对 -PPD指标的推荐值为：PPD<10%，即 PMV值在- 0.5～0.5之间。该指标在欧洲得到了广泛的应用，其计算公式如下 17]：P 0.303exp(-0.036M)0.028]L(3)LM- -q -q -S (4)式中 L--人体热负荷率，即人体得热率与散热率之差q q S 3.96 X 10- (t 273)- ( 273) / (t f-ta)3.055.73-0.007(M -IV)-P 0.42[(M - )-58.150.0173 (5.87 -P )0.O014 (34-t ) (5)L M - -3.96 ×10- z[(t ，273)- ( 273) -f.h (t f-t )- 3.05[5.73 -0.007(M - IV)-P - 0.42[(M - )-58.15]- 0.0173 (5.87 -P )- 0.0014M(34-t ) (6)其中，衣服外表面温度可由下面公式迭代计算：t f35.7-0.028(肘 - )- f39.6X 10- f[(t 273) - (t，273) fcfh (t -ta) (7)f 2.38I - Jn 25 2.38l f- 。Jn 25>12.1√t12.1，/-v2.38 I t f-t。i o.25<12.1/(8)： f ·0 ·290 ，c ≤0·078 (9) ，。fL1.05 0.645Icl Icf>0.078式中 ta--人体周围空气温度，℃p。--人体周围空气的水蒸汽分压力，kPa- - 衣服外表面温度，℃，- - 对流换热系数，w/(m ·℃)- - 穿衣面积系数，%空气流速，m/s- - 衣服热阻，m ·K/w 房间的平均辐射温度，℃人体新陈代谢的产热量， m 人体活动所作的机械功，W/mPPD计算公式为：PPD：100-95exp[-(0.03353PMV40.2179PMV2)] (10)4.2 低平均辐射温度对PMV-PPD指标的影响本节以PMV-PPD模型为基础，采用 Matlab编程分析低平均辐射温度对人体热舒适的影响。

计算背景为：室内人体活动为静坐休息，人体新陈代谢率 为1met。居民衣服热阻取0.5CLO(即为 0.08m ·K/W)，与ASHARE 55-2004夏季工况相对应。室内相对湿度为 50%，相对风速为0.1m/s[。

图2示出了不同室内空气温度下 PMV值随平均辐射温度的变化规律。由图可见，室内空气温度-定时，平均辐射温度的变化对人体热感觉影响显著，平均辐射温度的降低使得PMV指标降低≌气温度为定值26C，平均辐射温度为26C时，P 值为 -0.03，而当平均辐射为年度降为23℃时，PMV降为-0.55，此值已超出标准所允许的热舒适范围，人体感觉偏凉，当平均辐射温度降为 20C时，硎 降为 -1.07，人体已有较强的2013年第41卷第3期 流 体 机 械 71冷感。综上可见，辐射供冷房间舒适条件的设定，除考虑室内空气温度外，还要综合考虑平均辐射温度的影响。

16 24 32平均辐射温度( )图 2 不I司室内空气温度下 肼 随平均辐射温度的变化规律图3示出了 PPD随平均辐射温度的变化规律，从图可见，对于-固定空气温度值，对应-平均辐射温度值，使得预期不满意百分率 PPD为最小值，平均辐射温度过高或过低都会引起 PPD的增加。当空气温度为 24℃时，平均辐射温度为28℃时 PPD达到最小值；当空气温度为28℃时，平均辐射温度为 24C时 PPD达到最小值。平均辐射温度的降低会增加预期不满意率，例如当空气温度为26℃，平均辐射温度为26C时，PPD指标为5%，而当平均辐射温度降为23C，PPD指标增加到 1 1%，此值已超出热舒适标准所允许的范围。

9O- 545O16 24 32平均辐射温度(℃)图 3 不同室内空气温度 F删 )随平均辐射温度的变化规律在实际应用中常用平均辐射温度与室内空气温度之差来反应两者的相对关系，图4示 出了肼 指标随平均辐射温度与空气温度之差的变化规律。由图可见，-定温度下，平均辐射温度与室内空气温度之差△ (Att，-t。)的变化引起PMV指标显著变化，At越大，PMV越小 ，低辐射温度降低朋 指标，降低的幅度与At值大小有关。例如室内空气温度为 26℃时，△ 为 0时，指标为-0.03，人体热感觉为中性值，△t为- 3C时，PMV指标为 -0.55，人体热感觉微凉。

30- 3- 3 2温差f℃)图4 值随平均辐射温度与室内空气温度之差的变化规律综上分析可见，辐射供冷环境时，平均辐射对人体热舒适性影响较大，室内热环境设计时，已不能照搬传统对流空调系统模式，将平均辐射温度等同于空气温度，运行调控时也不能单-的采用空气温度作为控制变量，应综合考虑平均辐射温度的影响。

5 操作温度传统对流空调系统设计未涉及平均辐射温度这-参数的界限，我国相关空调设计规范中关于室内设计温度的规定也仅仅是以空气温度为基矗为综合考虑壁面温度对人体热舒适的影响，建议在辐射供冷系统设计中采用操作温度来代替目前所采用的空气温度。

操作温度，也称作用温度，决定着人体的显热损失，是分析人体与环境之间显热平衡的重要参数。其定义为在-假想的封闭环境中的均匀温度或起相同作用的温度，其计算式如下 ：- 丛 ：。 。 (11)bo h h br -， - 式中 to--操作温度，℃，- - 辐射换热系数- - 对流换热系数a，、ac--辐射比例、对流比例，arac1，a 、a 的大小撒于空气流速，气流速度越大，t 越接近于 tASHARE handbook给出了a 与气流速度的关系 ，如表 1所示。

表 1 ac与室内空气流速的关系在大多数实际应用中，热环境适中，气流速度小于 0.2m/s，操作温度可近似等于空气温度与72 FLUID MACHINERY V01.41，No.3，2013平均辐射温度的平均值，即t。(t t。)/2。

从上述分析可知，对于辐射供冷系统，在达到- 定舒适条件下的操作温度时，可扩大空气温度的舒适性范围。另外，由于操作温度综合考虑了辐射和对流两种传热方式，反映了空气温度和平均辐射温度两个指标，可作为辐射系统控制的感应指标。

6 低平均辐射温度对操作温度的影响由第 5节分析可知，操作温度综合考虑了辐射和对流2种方式。图5示出了 0.1m/s时不同室内空气温度下操作温度随平均辐射温度的变化规律，由图可见，平均辐射温度对操作温度具有显著影响，室内空气温度为26℃，平均辐射温度为26℃时，操作温度为26℃，当平均辐射温度降为 16C时，操作温度为 2l℃ ，降低了5℃。辐射供冷环境低平均辐射温度明显降低了操作温度，应对操作温度的舒适性范围进行修订。而获得同- 操作温度，空气温度变化的幅度有多大呢35嚣25l516 24 32平均辐射温度(℃)图5 操作温度随平均辐射温度的变化规律图6示出了-定操作温度下室内设计温度随平均辐射温度的变化规律。

40.0赠 27.5l5.O16 23 3O平均辐射温度( )图6 室内空气温度随平均辐射温度的变化规律由图可见，要维持同-操作温度，低辐射温度需要高空气温度来补偿。例如：要维持操作温度为25(2，平均辐射温度为 25C时，室内空气温度应为25C；平均辐射温度降到20C，室内空气温度应提高到 30℃；若平均辐射温度降为 16C，室内空气温度应提高到 34(2。这-补偿带来的实际意义是较高的室内空气温度会减少新风负荷，同时减少通过围护结构传热进入室内的热量，从而达到节能的效果。

7 室内湿度控制的重要性辐射供冷空调夏季供冷时的结露问题是阻碍这-系统广泛应用的重要问题之- 。长期结露不仅使得金属冷辐射板锈蚀，混凝土预埋管冷辐射板表面霉变，影响美观，减少寿命，还使得辐射冷板正常的供冷能力被破换，另外还导致室内微生物增长，带来卫生问题 2 。当辐射冷板表面温度低于室内空气露点温度时，冷表面会出现结露现象。国内有些项目为节省初投资，沿袭传统空调做法，仅在空调房间配置温度传感器，甚至温湿传感器都不配置。这种做法无法及时检测室内湿度状况，因此无法及时避免辐射末端的结露问题。

不结露是辐射冷空调使用的首要条件，做好辐射供冷的防结露工作至关重要。通常的做法是匹配新风除湿系统，对室内湿度进行控制调节。

国外研究表明冷辐射表面温度与附近空气露点温度应保持 2℃的安全温差2 。做好室内湿度的实时监测至关重要，每-空调房间都应配置湿度传感器，测点应设在冷辐射表面附近。

8 辐射供冷空调室内热环境控制变量的应用展望采用操纵温度作为直接的被控指标，在实现形式上也是通过对温度和平均辐射温度的控制来实现的。操作温度作为整个系统的输入之-，通过操作温度与室内温度和平均辐射温度的关系，当操作温度发生变化时，调节室内温度和平均辐射温度相应的执行机构，使操作温度满足设计要求。而辐射空调末端由辐射末端及送风末端两种空调末端组成，平均辐射温的执行机构为辐射末端，而送风末端及辐射末端的调节均会引起室内温度的变化，这就使得辐射空调的控制策略变的复杂。目前，尚无完善而又成熟的辐射供冷空调控制策略。另外，操作温度控制法要求有非常精确的操作温度传感器。目前操作温度传感器虽有商业产品，但主要用于实验研究，其高成本阻碍了2013年第41卷第3期 流 体 机 械 73其直接应用于实际空调工程。因此，加大辐射供冷空调控制策略及低成本操作温度传感器的研发 ，将促进操作温度控制法在实际辐射供冷工程中的应用。

湿度传感器技术成熟，价格相对较低，但单-的湿度传感器的配置仅能监测房间冷板结露的危险性 ，需要配置相应的露点控制系统才能及时的抑制冷板结露现象的产生。露点控制系统的国产化研发将促进实际工程应用中防结露措施的完善。

9 结论(1)辐射供冷环境，低平均辐射温度对人体热舒适性影响较大。室内空气温度-定时，低平均辐射温度使得 PMV指标降低。平均辐射温度降低3℃，例 指标约降低0.52。辐射供冷室内热环境设计要对平均辐射温度加以重视，重新对室内热微气候参数组合进行分析，建立辐射供冷空调室内热环境设计参数体系；(2)对于辐射供冷空调的控制，不能沿袭传统空调控制中仅以室内空气温度作为热舒适性反馈指标的思想，应综合考虑平均辐射温度和室内空气温度两个指标。能够实现以两个指标为反馈的辐射空调控制技术，将会促进辐射供冷空调的应用推广；(3)操作温度综合考虑了辐射和对流 2种传热方式，反映了空气温度和平均辐射温度两个指标，可作为辐射供冷空调的室内热环境感应变量。

加大辐射供冷空调控制策略及低成本操作温度传感器的研发，将促进操作温度控制法在实际辐射供冷工程中的应用；(4)湿度是辐射供冷空调室内热环境控制不可缺少的另-控制 目标 ，湿度的控制以防结露为主，应在控制房间配置相应的湿度传感器，对冷辐射表面附近的湿度进行实时监测与控制，使得冷辐射表面附近空气的露点温度低于冷辐射表面温度。