安徽建筑大學 環境與能源工程學院程海峰，許潔，王庚，唐光明
摘要：為了提高夏熱冬冷地區供暖房間室內熱舒適性，本文利用室內宜居環境技術研究測試平臺，通過實測散熱器系統（供回水溫45℃/40℃）與空調系統供暖房間內各點空氣溫度，對比分析兩種不同供暖方式下室內溫度分布特征差異，研究得出：采用供回水溫45℃/40℃的低溫熱水散熱器連續供暖,房間各點平均溫度保持在18.9~23.4℃之間，達到夏熱冬冷地區熱用戶室內溫度需求；與空調熱風供暖相比，低溫散熱器供暖可使房間內各點逐時溫度波幅小于1℃，溫度波動更平緩，且低溫散熱器供暖房間室內水平溫度分布更穩定，垂直溫度梯度變小，溫度分布更均勻。結論為夏熱冬冷地區供暖方案的優化設計和室內熱舒適度的改善提供了參考。
關鍵詞：低溫散熱器；空調供暖；溫度分布特征；
0 引言
隨著人居生活水平的的提升，人們對建筑室內供暖方式的選擇呈現多樣化。散熱器系統作為傳統的集中供暖末端，使用安全方便，在北方地區應用廣泛，但其由于高溫熱水散熱器表面溫度過高，灰塵產生焦糊味的有害物質會使室內空氣品質下降[1]。夏熱冬冷地區為非集中供暖區，其冬季濕冷，有供暖的需求和必要性，空調供暖作為夏熱冬冷地區主流的供暖模式，其造成室內溫度分布上高下低，使室內空氣干燥且有吹風感等熱舒適程度低、空氣品質較差的問題[2]。為了能夠提升室內環境的熱舒適性，近幾年，采用低溫散熱器供暖系統的研究在我國形成一定的熱度，其實低溫供暖技術在國外已經得到廣泛應用。A. Hasan[3]等對名義供回水溫度為45℃/35℃的低溫熱水散熱器供暖系統房間熱舒適度進行了實驗和仿真模擬，得到散熱器低溫運行能夠保證室內溫度在20℃以上，且室內垂直溫差變小；A. Hesaraki和S.Holmberg[4]通過現場實測和CFD模擬技術，對瑞典的五個房間采用低溫散熱器系統進行舒適度分析，得出供暖房間平均溫度在20℃~25℃之間變化。Jonn Are Myhren等[5]通過模擬分析了高溫散熱器供暖、中低溫散熱器供暖、地板輻射供暖、墻體輻射供暖方式下房間的舒適性，得出采用中低溫散熱器供暖在房間氣密性較差時舒適性最好。吳輝敏[6]等對散熱器低溫供暖的優勢、應用技術和實施進行了分析，提出了散熱器低溫供暖系統應進行連續供熱以達到供暖效果。李慶娜等[7]測試了現有居住性節能住宅采用供回水溫60℃/45℃散熱器采暖系統，在連續供熱時可滿足熱用戶用熱需求。曹宇婷和楊強[8]通過實測農村地區采用空氣源熱泵散熱器系統供暖，可使測試供暖房間平均溫度維持在16.91~18.65℃。楊茜[9]等通過采用 Airpak 軟件，模擬了北京地區農村住宅低溫散熱器供暖系統房間，得出了該供暖系統可滿足熱舒適性要求的結論。多數研究者所設計的實驗和數值模擬計算，是以嚴寒或寒冷地區冬季室外環境為設計環境，而對于低溫散熱器系統在夏熱冬冷地區冬季特定的濕冷環境下應用研究不多。基于前人對低溫散熱器系統的研究，本文通過設計對比實驗，實測合肥地區冬季采用供回水溫45℃/40℃的低溫熱水散熱器供暖系統與常用熱泵空調供暖系統房間溫度場分布，分析兩種不同供暖系統室內溫度分布特征差異，對于夏熱冬冷地區供暖系統方案設計及改善室內熱環境具有現實意義。
1 實驗及方法
1.1 實驗條件
本實驗在位于合肥市某研究院三樓的室內宜居環境技術研究實驗室中進行。該實驗室內部凈尺寸為8m×6m×3m（長×寬×高），東南西三面為外墻，北面為內墻并含一扇1.6m×2m的雙開玻璃門，連通毗鄰的內走廊，無窗。實驗室內西墻上部布置一臺側送風空調室內機，送風方式為上送上回，送風口為雙層百葉風口，尺寸為1m×0.2m，回風口在機組底面，距離地面2.7m。實驗室中設置了7組散熱器，東墻下設置一組，其它三面墻各設兩組。采用空氣源熱泵提供供回水溫45℃/40℃的低溫熱水。散熱器的材質為鑄鐵，每組散熱器含有散熱片18個，散熱器的尺寸均為1.3m×0.1m×7m（L×W×H），下端距離地面0.15m。
圖1房間物理模型圖（左：低溫散熱器供暖；右：空調供暖）
1.2實驗方法
為了反映房間溫度的實際分布，在實驗室內均勻布置8個同樣規格的測桿。由于人體的腳踝、膝蓋和頭等部位對溫度的感受要求不同，不適宜的垂直溫度梯度不僅會增加室內氣流組織運動，而且會導致人員不舒適感[10]，故在每個測桿的0.1m、0.7m、1.5m和2m高度處設置溫度測點，總共32個測點。圖二為側桿在整個房間的水平位置分布和垂直測點編號。對于某一測桿x（x為a、b、c、d、e、f），x1~x4分別為0.1m、0.7m、1.5m和2m高度的測點。
圖2 房間內側桿的平面位置和垂直測點編號
房間內空氣溫度的監測采用2×0.5mm K型熱電偶（可測溫度范圍0~600℃），由JTDL-80型多通道熱電偶采集模塊（測量精度為±0.5℃）實現測點數據自動采集和儲存，每分鐘采集一次數據。圖3為實驗室房間內實驗儀器和部分測桿、測點的現場布置。
圖3 實驗儀器和測點的現場布置
實驗的測試時間為2017年1月18日與2017年1月20日。房間采用空調供暖方式實驗從18日10:00開啟到17:00停機，室內設計溫度24℃；低溫散熱器供暖實驗在20日的10:00開啟至17:00停機，熱水供回水溫度為45℃/40℃，兩天的室外溫度均為-2℃。測試數據采取各個工況穩定時段進行分析，即13:00~17:00采集的逐時溫度。室內平均溫度是供暖房間的重要參數，其計算公式[11]如下：
1
式中，t是檢測持續時間內受檢房間的室內平均溫度（℃）；是檢測持續時間內受檢房間第 
個室內逐時溫度（℃）；
是檢測持續時間內受檢房間的室內逐時溫度的個數； 
是檢測持續時間內受檢房間第 
個測點的第
個溫度逐時值（℃）；
是檢測持續時間內受檢房間內布置的溫度測點的個數；
2 結果與分析
2.1兩種系統供暖效果測試分析
2.1.1低溫散熱器系統供暖效果測試分析
圖4反映了低溫散熱器系統房間中部c測桿各點溫度隨時間的變化，當系統運行保持基本穩定的狀態時，供暖房間0.1m、0.7m、1.5m和2.0m高度上的溫度呈現周期性變化，約30分鐘一個周期，這是由于空氣源熱泵機組的啟停導致溫度隨時間的波動。圖5為低溫散熱器房間在13:00~17:00各測點的平均溫度分布，由于a測桿靠近房間玻璃門，受冷風滲透的影響，故a測桿0.1m處測點平均溫度略低。0.1m高處水平溫度分布不均勻性較大，這是空氣與地面的對流換熱以及各點距散熱器遠近受熱壓影響不同導致的。0.7m、1.5m和2.0m高處水平溫度穩定，基本保持在21.5~23℃之間，其中0.7m與1.5m的垂直溫差在1℃左右，1.5m與2.0m的垂直溫差在0.5℃以下，這說明低溫散熱器系統供暖房間內人員在保持坐姿或站立時呼吸區的溫度較均勻。而且房間內各點的平均溫度在18.9~23.4℃之間，滿足國家標準對于舒適性空調人員長期逗留區域室內溫度要求[12]。
圖4低溫散熱器系統C測桿各點溫度變化
圖5低溫散熱器房間各測點平均溫度分布
2.1.2空調系統供暖效果測試分析
圖6為空調系統房間中部c測桿各點溫度變化，可以看出0.7m、1.5m和2.0m高處的溫度隨時間呈明顯周期性波動，約10分鐘一個周期，波峰波谷明顯，而在0.1m高處的溫度變化較平穩。分析圖7空調系統供暖房間溫度出現明顯垂直分層現象，其中高度0.1m與0.7m間垂直溫差均超過3.5℃，不能達到ISO7730標準對于工作區內距離地面上方1.1m和0.1m間溫差不應大于3℃的溫度梯度要求[13]。而且1.5m和2.0m高處水平溫度分布不均勻性大，但0.1m和0.7m高處水平溫度分布較均勻，故總體呈現上部波動、下部穩定的現象。造成這種分布特征的原因,是因為空調系統供暖采用上送上回的送風方式,從送風口送出的熱風與房間內空氣存在一定的溫差,由于熱風上浮,在頂板形成貼附射流;本測試為了減小熱量聚集在頂板面而產生的熱損失,將送風百葉向下進行了傾斜,此時熱風的射流范圍擴大,房間上部空氣受到的擾動較大,由于墻壁的阻擋和回風口的負壓作用下形成回流,房間下部處于熱風回流區,該區域溫度較射流區溫度平穩。
圖6熱泵空調系統C測桿各點溫度變化
圖7熱泵空調房間各測點平均溫度分布
2.2 兩種供暖系統對比分析
當房間溫度達到基本穩定的狀態時，采用低溫散熱器系統供暖的房間溫度波動平緩，各測點溫差波動小于1℃；而空調系統供暖房間溫度波動幅度較大，最大波動溫差可達3.2℃，見圖4、圖6。造成如此明顯的差異主要是由于不同供暖方式對室內氣流組織造成的影響不同。散熱器低溫運行，與室內空氣進行對流換熱，室內空氣被加熱形成自然對流；熱泵空調送風口送出一定速度的熱風與室內空氣混合進行熱交換，對室內氣流產生較大的擾動。
分析對比圖5和圖7：①由于a測桿靠近房間玻璃門,受冷風滲入影響,在兩種不同供暖方式下,該測桿0.1m高度測點溫度均比同一高度下其他測點的溫度低2~3℃。②水平方向上：空調供暖房間（圖7）在距離風口最遠的a測桿各點相對溫度最高，而與a測桿相對稱的b測桿由于房間上部有隔斷板的阻擋，溫度略低于a測桿，其他工作區的水平溫度穩定，但相較于低溫散熱器供暖房間（圖5），其水平溫度梯度較大；低溫散熱器供暖房間溫度在f4測點處相對溫度最高，這與各測點與散熱器距離不同熱壓影響不同造成的，特別的由于熱壓加上維護結構的邊界效應，低溫散熱器房間靠近地面處的水平溫度波動略大。③垂直方向上：相比空調供暖房間，低溫散熱器供暖房間內垂直溫度梯度明顯變小，0.7m與1.5m高度間的溫差縮小最為顯著；而且低溫散熱器房間內各點的平均溫度在18.9~23.4℃之間，空調供暖房間內各點平均溫度在15.6~23.4之間，所以采用低溫散熱器供暖方式，房間溫度區間縮小，0.1m高度溫度平均提高達19℃，提高了3℃，處于人體腳踝處的溫度增高，對于人體的舒適感起到提升作用。
3 結論
筆者利用室內宜居環境技術研究室為測試平臺，通過對合肥市冬季使用低溫散熱器供暖與空調供暖方式室內溫度場進行實測,對比分析兩種不同供暖方式下室內溫度分布特征,得出以下結論:
1) 對于氣密性較好的房間,采用低溫散熱器連續供暖,房間各點平均溫度保持在18.9~23.4℃之間；而空調供暖房間內各點平均溫度在15.6~23.4之間。故低溫散熱器供暖（供回水溫度45℃/40℃）可滿足夏熱冬冷地區熱用戶的熱需求，且減少室內低溫區，縮小室內溫度區間，整體提升室內溫度。
2) 從室內溫度隨時間的變化上來看,當房間溫度達到一定的穩定性時,低溫散熱器供暖房間逐時溫度波動平緩,波幅小于1℃；而空調供暖房間逐時溫度波動較大,波幅可達3.2℃。
3)房間溫度場沿水平方向,空調供暖房間水平溫度梯度大于低溫散熱器供暖房間，特別的由于熱壓和維護結構的邊界效應，低溫散熱器房間靠近地面處的水平溫度波動略大。
4)房間溫度場沿垂直方向,空調供暖房間溫度分層顯著,垂直溫度梯度大,高度0.1m~0.7m間垂直溫差超過3.5℃;而低溫散熱器房間垂直溫度梯度小,溫度分布更均勻。
參考文獻：
[1]李慶娜,董重成,王東魁.散熱器采暖系統低溫運行的研究[J].低溫建筑技術,2009,31(11):95-96.
[2]王怡, 劉加平. 空調房間冬季室內致適參數的分析與研究[J]. 暖通空調, 2000, 30(3):12-14.
[3]Hasan A, Kurnitski J, Kai J. A combined low temperature water heating system consisting of radiators and floor heating[J]. Energy & Buildings, 2009, 41(5):470-479.
[4]Hesaraki A, Holmberg S. Energy performance of low temperature heating systems in five new-built Swedish dwellings: A case study using simulations and on-site measurements[J]. Building & Environment, 2013, 64(2):85-93.
[5]Jonn Are Myhren, Sture Holmberg. Flow patterns and thermal comfort in a room with panel, floor and wall heating [J]. Energy and Buildings,2008,40(4):524-536.
[6]吳輝敏, 宋為民, 董重成. 散熱器低溫供暖技術應用分析[J]. 低溫建筑技術, 2014, 36(2):38-40.
[7]李慶娜.散熱器采暖系統低溫運行應用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2009.
[8]曹宇婷,楊強.空氣源熱泵在農村地區應用下的制熱性能測試[J].節能,2016,35(10):34-36.
[9]楊茜,李德英,王夢圓,等.農村住宅低溫散熱器供暖系統效果研究[J].煤氣與熱力,2016,36(4):19-23.
[10]陳小慧,南曉紅,楊妹.夏季與冬季變頻空調房間溫度場對比研究[J].制冷與空調:四川,2010,24(4):117-120.
[11] JGJT 177-2009,公共建筑節能檢測標準[S].
[12]GB50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].
[13]EN ISO 7730：2005, 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 Organization for Standardization,2005.
