圖/南京師范大學(xué)建筑節(jié)能與能源研究院應(yīng)用研究中心主任 夏學(xué)鷹
眾所周知，“雙碳”大背景下，工業(yè)能耗、交通能耗還有建筑能耗，成為整個(gè)社會(huì)發(fā)展的三大能耗。《2018-2023中國(guó)建筑節(jié)能行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研分析及發(fā)展趨勢(shì)研究報(bào)告》指出，建筑能耗占中國(guó)能源消耗總量的27%以上，而暖通空調(diào)能耗占建筑總能耗的60%~70%。因此，我國(guó)出臺(tái)的《綠色高效制冷行動(dòng)方案》中明確規(guī)定“到2030年大型公共建筑制冷能效提升30%?！钡囊?。
基于建設(shè)背景下的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2014-2018年中國(guó)能源消耗與建筑能源消耗的比例不斷上升，從2014年到2018年，5年期間內(nèi)的工業(yè)、交通、建筑三大能耗都是在逐年上升的趨勢(shì)。而為進(jìn)一步降低能耗，暖通專業(yè)領(lǐng)域通過(guò)提高冷熱源的能效、降低輸配的能耗以及采取高效的換熱手段等三方面進(jìn)行節(jié)能。
而當(dāng)前，換熱以送風(fēng)口、風(fēng)機(jī)盤(pán)管等對(duì)流形式為主，近幾年出現(xiàn)了輻射末端，也有著很多應(yīng)用的方式。對(duì)于暖通行業(yè)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在更重要的是契合社會(huì)發(fā)展背景，節(jié)能既是手段，也是目的，但只考慮節(jié)能，并不是暖通專業(yè)領(lǐng)域的唯一方向，更要在節(jié)能的基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)舒適和健康。
有研究表明，人體跟環(huán)境的換熱，在室內(nèi)設(shè)計(jì)條件下，人體達(dá)到熱舒適的熱平衡狀態(tài)時(shí)，對(duì)流換熱占25%～30%，輻射換熱占45%～50%，呼吸和無(wú)感覺(jué)散熱占25%～30% 。從這個(gè)研究結(jié)果來(lái)看，暖通專業(yè)近百年的發(fā)展，實(shí)際上嚴(yán)重忽略了輻射占比50%的比例，因此導(dǎo)致冷熱舒適度較低，能耗比較高。而隨著中央空調(diào)系統(tǒng)能耗偏高，把輻射末端和風(fēng)機(jī)盤(pán)管結(jié)合在一起的復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)，即——輻射對(duì)流復(fù)合末端空調(diào)系統(tǒng)，則契合了節(jié)能性和舒適性兩個(gè)特性。具有供冷季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度可提高 1~1.5℃、提高主機(jī)供水溫度、室內(nèi)溫度場(chǎng)更為均勻、風(fēng)機(jī)盤(pán)管低風(fēng)量運(yùn)行無(wú)吹風(fēng)感、低噪音等優(yōu)勢(shì)。
在輻射/對(duì)流復(fù)合末端空調(diào)系統(tǒng)供冷性能研究上，通過(guò)地板輻射供冷換熱分析、對(duì)流末端供冷換熱分析、復(fù)合末端系統(tǒng)綜合換熱分析、熱環(huán)境及系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)等理論分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹、測(cè)試的影響因素以及儀器和方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等實(shí)驗(yàn)研究，能夠較好的得出輻射/對(duì)流復(fù)合末端空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性及舒適性結(jié)論。
其中，主要研究?jī)?nèi)容是提出輻射/對(duì)流復(fù)合末端空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和仿真模擬相結(jié)合的方法研究其供冷性能。包括詳細(xì)分析輻射/對(duì)流復(fù)合末端空調(diào)系統(tǒng)供冷運(yùn)行時(shí)的換熱過(guò)程，闡述了冷量分配的理論基礎(chǔ)；針對(duì)供冷典型日系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、不同機(jī)組供水溫度、不同末端供水流量三種情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)輻射/對(duì)流復(fù)合末端空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的室內(nèi)空氣溫濕度、垂直方向溫度場(chǎng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度、輻射表面溫度進(jìn)行了具體分析；利用TRNSYS軟件搭建系統(tǒng)模型，從室內(nèi)熱濕環(huán)境、熱舒適性、系統(tǒng)供冷量及運(yùn)行能耗等方面進(jìn)一步探討了供水溫度對(duì)系統(tǒng)供冷性能的影響；通過(guò)TRNSYS軟件建立單風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)模型，從室內(nèi)熱濕環(huán)境、PMV-PPD、機(jī)組COP、系統(tǒng)供冷量及供冷季運(yùn)行總能耗等方面對(duì)輻射/對(duì)流復(fù)合末端空調(diào)系統(tǒng)及單風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)的供冷性能進(jìn)行對(duì)比分析。
在系統(tǒng)供冷實(shí)驗(yàn)與分析方面，復(fù)合末端空調(diào)系統(tǒng)供冷運(yùn)行原理是指，熱泵輸出低溫冷水，一部分進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤(pán)管為室內(nèi)空氣除濕，同時(shí)承擔(dān)部分顯熱負(fù)荷，另一部分在水控中心與地板輻射系統(tǒng)部分回水混合成高溫冷水，重新進(jìn)入地板輻射系統(tǒng)為室內(nèi)供冷，達(dá)到溫濕度獨(dú)立控制的目的。
而復(fù)合系統(tǒng)典型日穩(wěn)定運(yùn)行工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
室內(nèi)平均溫度為25.08℃，平均相對(duì)濕度為58.09%；滿足《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）中的Ⅰ級(jí)熱舒適要求；地板表面平均溫度為23.83℃，滿足ISO7730規(guī)定的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
14℃供水時(shí)，室內(nèi)不能達(dá)到設(shè)定溫度25℃，同時(shí)平均相對(duì)濕度為65.03%，系統(tǒng)除濕能力存在不足；垂直不滿意率LPD2均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Ⅰ級(jí)舒適度要求10%，并且隨供水溫度的上升而降低；系統(tǒng)運(yùn)行期間地板表面平均溫度分別為24.74℃、23.95℃、25.16℃，均在ISO7730規(guī)定的適宜溫度范圍內(nèi)，但14℃供水時(shí)輻射地板供冷能力十分受限。
設(shè)置末端不同流量工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：兩種工況下室內(nèi)溫濕度、垂直不滿意率LPD2均能達(dá)到舒適度Ⅰ級(jí)要求。地板表面平均溫度分別為23.97℃、24.37℃，均在舒適范圍19℃~29℃內(nèi)，相差僅0.4℃，末端供水流量的改變對(duì)于輻射表面溫度影響較小。
TRNSYS模擬結(jié)果表明：三種供水情況下的室內(nèi)溫濕度均能達(dá)到Ⅰ級(jí)舒適度要求；地板表面平均溫度與操作溫度均滿足國(guó)標(biāo)與ISO標(biāo)準(zhǔn)中的A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；PMV、PPD指標(biāo)均能夠達(dá)到舒適度Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；相較7℃供水，10℃、14℃供水時(shí)系統(tǒng)COP分別提升了29.91%、30.37%；系統(tǒng)供冷量分別下降了21.84%、49.64%；運(yùn)行總能耗分別下降了35.46%、63.48%。因此適當(dāng)提升系統(tǒng)供水溫度，能夠在保證舒適度的同時(shí)達(dá)到顯著節(jié)能效果。
與單風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)模擬比較結(jié)果表明：兩套系統(tǒng)溫度差異并不明顯，但單風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)存在過(guò)度除濕；復(fù)合末端系統(tǒng)運(yùn)行期間PMV均值為0.01、PPD均值為6.31%，單風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)PMV平均值為0.344、PPD均值為8.13%，均能達(dá)到Ⅰ級(jí)舒適度要求，但復(fù)合末端系統(tǒng)舒適度更佳；復(fù)合末端系統(tǒng)運(yùn)行期間機(jī)組 COP最高達(dá)到了6.65，平均值為4.99，相較單風(fēng)機(jī)盤(pán)管運(yùn)行時(shí)提升了5.1%；典型日運(yùn)行過(guò)程中復(fù)合系統(tǒng)比單風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)有近5%的冷量節(jié)省和14.80%的節(jié)能率。
