組合型末端采暖裝置的熱舒適性實驗研究

摘 要

摘要：通過對城市供熱系統(tǒng)中3種不同末端采暖裝置(散熱器、供暖型風機盤管、散熱器與供暖型風機盤管相結(jié)合的組合型末端采暖裝置)的室內(nèi)熱舒適性指標(PMV、PPD)進行測試分析，提
摘要：通過對城市供熱系統(tǒng)中3種不同末端采暖裝置(散熱器、供暖型風機盤管、散熱器與供暖型風機盤管相結(jié)合的組合型末端采暖裝置)的室內(nèi)熱舒適性指標(PMV、PPD)進行測試分析，提出推動行為節(jié)能切實可行的辦法，為技術(shù)節(jié)能和行為節(jié)能各占一半指標的實現(xiàn)提供了一種解決途徑。
關(guān)鍵詞：散熱器；風機盤管；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)展的重要目標之一。文獻[1]指出，實現(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，造價低，但在居民節(jié)能意識不強的情況下，只適用于舒適度要求較高而無需進行分戶計量的建筑。采用改變末端散熱設(shè)備實現(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機盤管結(jié)合使用(簡稱組合型末端采暖裝置)，作為行為節(jié)能中一個重要調(diào)控手段。人們外出時僅將散熱器開啟而關(guān)閉風機盤管的風機和進水閥門，可以維持基礎(chǔ)室溫(5～10℃)[2]。
2 不同末端采暖裝置的實驗研究
2.1 實驗條件
    在天津市某高校3間尺寸均為3600mm×5680mm×3600mm(寬×進深×高)的實驗室中進行了實驗研究，3間實驗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荷要求的散熱器。實驗室的平面布置見圖1，圍護結(jié)構(gòu)特性參數(shù)見表1。對散熱器、供暖型風機盤管、組合型末端采暖裝置3種采暖方式進行實驗研究。
 

表1 實驗室的圍護結(jié)構(gòu)特性參數(shù)
圍護結(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
   實驗室1窗戶下面的散熱器管路上裝有熱量表、球閥及供暖型風機盤管。設(shè)備連接見圖2，維持基礎(chǔ)室溫的散熱器和風機盤管并聯(lián)。
 

2.2 測試與分析
   在有鄰室效應(yīng)[4～5]的情況下，實驗室1、2的基礎(chǔ)室溫設(shè)計為10℃。實驗研究是在滿足ISO 7726—2001《熱環(huán)境的人類工效學 物理量測量儀器》及IS0 7730—2005《熱環(huán)境的人類工效學 使用PMV和PPD指數(shù)和局部熱標準計算熱設(shè)備的分析測定和解釋》對室內(nèi)熱環(huán)境測試的要求下進行的。利用室內(nèi)熱舒適度測試儀Swema 3000中的微處理機，完成影響人體熱感覺的環(huán)境參數(shù)(干球溫度、空氣相對濕度、風速、平均輻射溫度)和個體參數(shù)(人體活動強度MET、衣著熱阻CLO)的數(shù)據(jù)采集分析工作，測得預計平均熱感覺指標PMV和預計不滿意者的百分數(shù)PPD。靜坐工作時MET=1.2，靜坐休息時MET=1.0；較多著裝時CLO=1.0，一般著裝時CLO=0.7。
   ① 散熱器采暖
   實驗室2選用維持基礎(chǔ)室溫所需的9片TZ4-6-5型4柱760散熱器單獨運行[6]，由Swema 3000測得：當CLO=1.0時，當人在室內(nèi)靜坐休息時，PMV=-2.41，PPD=91.52%；靜坐工作時，PMV=-1.58，PPD=55.34%。人體感覺很不舒適。
    實驗室3采用滿足室內(nèi)熱負荷要求的散熱器采暖。當CLO=1.0時，當人在室內(nèi)靜坐休息時，PMV=-0.71，PPD=15.63%。當人在室內(nèi)靜坐工作時，PMV=-0.20，PPD=5.86%，此時室內(nèi)熱環(huán)境符合IS0 7730—2005對可接受熱環(huán)境的規(guī)定(-0.5＜PMV＜0.5、PPD＜10%)，即較多著裝者靜坐工作時的熱舒適性較好。
    ② 供暖型風機盤管采暖
    供暖型風機盤管作為末端采暖裝置，完全承擔室內(nèi)所需熱量。當人們外出時，可關(guān)斷風機盤管的風機電源，利用換熱盤管(銅管串鋁翅片)內(nèi)流動的熱水向室內(nèi)自然對流散熱，來維持基礎(chǔ)室溫。而當人們進入房間后，可通過調(diào)節(jié)供暖型風機盤管風機開關(guān)的檔位(分高、中、低3檔).來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，同時還可控制房間升溫的快慢。因此，利用供暖型風機盤管采暖，可達到調(diào)控節(jié)能的目的[7]。設(shè)計供暖型風機盤管時，相關(guān)參數(shù)的選取及計算可參照GB/T 19232—2003《風機盤管機組》進行。根據(jù)近幾年對不同實驗室采用的不同型號風機盤管進行實際運行數(shù)據(jù)的采集和分析，建議風機盤管選型時，供熱量按照室內(nèi)熱負荷的2～4倍選取。實驗室1選用的供暖型風機盤管性能參數(shù)見表2。
表2 風機盤管性能參數(shù)
型號
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
風量/(m3·h-1)
630
    供暖型風機盤管單獨采暖可實現(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]。通過實驗可知，即使人們外出時關(guān)閉風機盤管的風機電源，使得室溫下降很多，但當風機開啟后，風機盤管產(chǎn)生的強迫對流換熱能使室溫很快回升到人體感覺舒適的溫度，這對行為節(jié)能的開展具有積極的促進作用。通過對歷年采集的數(shù)據(jù)進行處理分析可知，在換熱盤管維持基礎(chǔ)室溫條件下，供暖型風機盤管初開啟時，每小時平均溫升約為3.17℃。如業(yè)主對房間的相對濕度有要求，可在風機盤管出風口處加裝條形水槽。
    當供暖型風機盤管單獨運行時，采用Swema 3000對實驗室1的熱環(huán)境進行測試。結(jié)果顯示，當CLO=1.0時，當人員靜坐休息時，PMV=-0.63，PPD=13.26%；當人員靜坐工作時，PMV=-0.14，PPD=5.41%?？梢姡敼┡惋L機盤管單獨采暖時，較多著裝者靜坐工作時的熱環(huán)境符合ISO 7730—2005對可接受熱環(huán)境的規(guī)定。較單純采用滿足室內(nèi)熱負荷要求的散熱器采暖，靜坐休息時PMV提高了0.08，PPD降低了2.37%；靜坐工作時PMV提高了0.06，PPD降低了0.45%。
    ③ 組合型末端采暖裝置采暖
    當人員離家或?qū)W校放學、單位下班時，可關(guān)閉供暖型風機盤管的風機電源及其球閥。此時，由散熱器維持室內(nèi)基礎(chǔ)室溫，即在進行散熱器面積計算時，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)實際需要間歇開啟風機盤管。需要時開啟風機，室溫迅速達到設(shè)定溫度后，關(guān)閉風機電源，風機停止運轉(zhuǎn)。此時，熱水流經(jīng)供暖型風機盤管和散熱器，回到外網(wǎng)。
    在實驗室1中，采用組合型末端采暖裝置進行采暖，開啟供暖型風機盤管的風機中檔后進行測試。當CLO=1.0時，當人員靜坐休息時，PMV的平均值為0.31，PPD的平均值為7.26%，滿足IS0 7730—2005對可接受熱環(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，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PMV的平均值為0.28，PPD的平均值為6.87%；靜坐休息時PMV的平均值為-0.04，PPD的平均值為5.20%。此時靜坐工作和靜坐休息時的熱環(huán)境均符合IS0 7730—2005對可接受熱環(huán)境的規(guī)定?？梢姴捎媒M合型末端采暖裝置采暖，既符合人們的日常行為習慣，又提升了人們的生活品質(zhì)。通過對幾年實測數(shù)據(jù)的分析，建議采用組合型末端采暖裝置時，在進行維持基礎(chǔ)室溫所需的散熱器面積計算時，散熱器的散熱量宜取該房間室內(nèi)采暖設(shè)計熱負荷的40%。組合型末端采暖裝置采暖時的PMV、PPD分別見圖3、4。
 

2.3 小結(jié)
    供暖型風機盤管或組合型末端采暖裝置由于有動力源——風機的存在，在人們的活動區(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，會不斷上升，在風機的驅(qū)動下，強制對流成為換熱的主要形式。在供暖型風機盤管開啟的時間內(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。且在風機的作用下，房間呈微正壓，冷風滲透可以消除。此外，風機的機外余壓小，噪聲低，出口風速低，因此該種組合形式易于被人們所接受。
3 經(jīng)濟技術(shù)性分析
   ① 采用供暖型風機盤管的強制對流傳熱方式供暖，使供暖型風機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)備造價和能源消耗，同時減少了鍋爐房的運行費和維護費[8]，使熱價的固定費部分[9]有所降低。
   ② 當采用常規(guī)散熱器、供暖型風機盤管、維持基礎(chǔ)室溫的散熱器、組合型末端采暖裝置進行采暖時，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℃。可見按照溫差調(diào)節(jié)范圍由大到小排列為：組合型末端采暖裝置、供暖型風機盤管、散熱器。
   ③ 實驗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)學院 天津 300384；2.天津市邁高超凈工程技術(shù)有限公司 天津 300061)