地面顶棚联合作用辐射供暖房间热舒适性分析

摘 要

摘要：提出了在辐射供暖设计中，单一控制辐射体表面温度是不够的，必须综合考虑辐射体表面温度和邻室辐射体背面温度对房间舒适性的影响。采用PHOENICS软件模拟满足IS0 7730标准的
摘要：提出了在辐射供暖设计中，单一控制辐射体表面温度是不够的，必须综合考虑辐射体表面温度和邻室辐射体背面温度对房间舒适性的影响。采用PHOENICS软件模拟满足IS0 7730标准的理论地面、顶棚温度范围，通过对标准房间实测及调查问卷对该温度范围的可靠性进行了验证，验证结果为可靠。
关键词：辐射供暖；热舒适；辐射体表面温度；数值模拟
Analysis on Thermal Comfort of Radiant Heating Room with Combined Consideration of Floor and Ceiling Temperatures
WANG Wei，FANG Xiu-mu，GAO Jing-gang
Abstract：It is proposed that to control only surface temperature of radiator in radiant heating design is not enough，and the comprehensive consideration should be given to the influence of surface temperature of radiator and back temperature of radiator in adjacent room on the room comfort.The theoretical floor and ceiling temperature ranges satisfying IS0 7730 standard are simulated by PHOENICS software.The reliability of those temperature ranges is verified by measuring the standard room and the questionnaire investigation，and the result is reliable.
Key words：radiant heating；thermal comfort；surface temperature of radiator； numerical simulation
1 概述
   辐射供暖由于具有热舒适性好、造价适中、卫生、应用得当的情况下节约能源等优点，在实际工程中得到越来越多的应用。目前，我国的辐射供暖设计，无论辐射体设置于地面、顶棚或侧墙，基本上都是以辐射体表面温度作为唯一的控制指标，认为只要辐射体表面温度符合标准要求，室内热舒适性就能达标[1～3]。但在实际工程中，常见到辐射体表面温度符合设计要求，但室内过冷或者过热的情况。实际上，辐射体散发的热量中有一部分不可避免沿着背面传到邻室，并影响邻室的热舒适性。尤其是一些不涉及分户热计量的建筑，为了降低造价，辐射体背面不设绝热层，对邻室的影响显著。因此，可以认为辐射供暖房间热舒适性由辐射体表面温度和相邻房间辐射体背面温度共同决定。单一控制辐射体表面温度，难免造成偏差，使室内热舒适性偏离设计标准。
    由于目前我国的辐射供暖主要以热水地板辐射供暖为主，本文采用PHOENICS软件对热水辐射供暖房间地面及顶棚温度对室内热舒适性的影响进行数值模拟，研究适合工程应用的辐射供暖房间地面、顶棚温度设定范围，并根据实测数据及对室内人员的问卷调查对这一结论进行验证。
2 研究方案的确定
    研究的目的是通过数值模拟，确定满足ISO 7730标准推荐的热舒适标准的辐射供暖房间地面、顶棚的温度范围。由于室内人员大部分时间在1.8m以下范围内活动，因此认为只要这一区域内的热舒适性满足要求，则整个房间的热舒适性就满足要求。具体做法是在房间高度方向距地面0.5、1.8m处各取一个断面，模拟出这两个断面的平均PPD(预期不满意百分率)。如果这两个断面的平均PPD均满足IS0 7730标准规定的PPD＜10%，则认为整个房间热舒适性满足要求。考虑目前的工程实际，确定模拟房间的高度分别为2.8、3.1、3.4、3.7m，地面、顶棚温度的变化范围为18～34℃。
3 房间模型的建立
    房间模型的建立参照哈尔滨工业大学市政环境工程学院新建科研楼标准间，该楼采用热水地板辐射供暖系统，不设绝热层，即考虑邻室辐射体的影响。外墙厚度为490mm，双层玻璃塑钢窗。标准房间长×宽×高为8.6m×3.3m×3.4m，外窗宽×高为1.8m×2.0m。房间模型长×宽为8.6m×3.3m，高度从2.8m以0.3m为步长增加到4.0m。根据房间高度，适当调整外窗尺寸及距地面的距离(见表1)。为了便于数值模拟，对以上物理模型进行如下假设：房间为无人、无家具的空房间；房门视为与内墙相同，不单独计算；不考虑冷风渗透对室内气流的影响；认为地面、顶棚的温度均匀一致。模拟采用成熟的软件，外窗选取已考虑太阳辐射对室内热环境的影响。
表1 外窗尺寸及距地面的距离与房间高度的关系
房间高度/m
外窗的宽×高
距地面距离/m
2.8
1.5m×1.8m
0.9
3.1
1.8m×1.8m
0.9
3.4
1.8m×1.8 m
0.9
3.7
1.8m×2.0m
1.2
4.0
1.8m×2.0m
1.2
4 模拟结果
    对于每种高度的房间模型，地面、顶棚的温度变化范围为18～34℃。这里只介绍房间高度为3.4m，地面温度为24℃，顶棚温度为23℃的情况下高度为0.5、1.8m两个断面的PMV(预期平均评价)分布和平均PPD。0.5、1.8m断面上绝大部分的PMV均在IS0 7730标准推荐的热舒适范围(-0.5＜PMV＜0.5)之内，两个断面上的平均PPD分别为5.5%和5.9%。
    地面温度保持不变，升高或降低顶棚温度，两个断面上的平均PPD随顶棚温度的变化见图1。由图1可知，当顶棚温度降低到20℃或升高到27℃时，1.8m断面上的平均PPD已超出IS07730标准的规定。可以得出：当房间高度为3.4m时，当地面温度设定为24℃，顶棚温度宜维持在21～26℃，房间的热舒适性满足要求。
 

    对于房间高度分别为2.8、3.1、3.4、3.7m的房间模型，根据模拟结果，求出0.5、1.8m断面上平均PPD，将满足要求的地面、顶棚温度点绘成图形。其中，2.8m、3.4m高房间的温度范围见图2。

5 验证
   模拟得出的满足要求的地面、顶棚温度是理论上的，现利用具体房间的实测结果与调查问卷结果对理论上满足要求的地面、顶棚温度的可靠性进行验证。验证思路为：①选定具体房间，测出房间地面温度和顶棚温度，对照模拟结果，确定在此地面、顶棚温度下房间的热舒适性是否满足IS0 7730标准。②在选定房间内设置测点，由实测数据求出该点PMV、PPD，判断是否满足IS0 7730标准。③对选定房间的热舒适性进行现场问卷调查。将②、③得出的结论与①对比，如果吻合，则说明理论上满足要求的地面顶棚温度是可靠的。
   选取309、408房间，分别在地面和顶棚各布置5个测点。调节房间分水器上的阀门，使房间供暖系统的流量发生变化。待系统稳定后，测试出各个测点的温度，并求出其平均值。地面、顶棚各测点平均温度见表2。分别在每个房间中间位置竖向布置3个测点，采用室内气候分析仪测出各测点的辐射温度、空气温度、空气流速等参数，据此计算出各测点的PMV、PPD(见表3)。
表2 地面、顶棚各测点平均温度
房间编号
地面各测点平均温度/℃
顶棚各测点平均温度/℃
309
23.9
24.8
408
27.5
26.4
表3 各测点PMV、PPD的计算结果
参数
309房间测点编号
408房间测点编号
1
2
3
1
2
3
PMV
-0.21
-0.31
-0.11
0.88
0.90
1.16
PPD/%
5.87
7.02
5.24
21.27
22.01
33.50
    由表3可知，309房间各测点的PMV均小于0.5并大于-0.5，PPD均小于10%，满足IS0 7730标准的规定，可判定该房间热舒适满足要求。408房间各测点的PMV均大于0.5，PPD均大于10%，超出了IS0 7730标准的规定值，可判定该房间热舒适不满足要求。
    选择16位年龄20～30岁身体健康的人作为调查对象，对以上两间房间的热舒适性进行调查问卷。参加调查人员均身着典型的室内冬衣。人员的热感觉指标采用ASHRAE 7点标度：冷、凉、稍凉、不冷不热、稍暖、暖、热，热舒适性调查采用热舒适5点标度：很舒适、舒适、稍微不舒适、不舒适、很不舒适，并让被调查者直接对热环境能否接受进行判断。调查问卷结果见表4。由表4可知，16人全部能接受309房间的热环境，主观上表明309房间热舒适达到要求。而16人全部不能接受408房间的环境，主观上表明408房间不能达到热舒适要求。
    对于309、408房间的热舒适性，实测及调查问卷结果与根据图3判断所得出的结论是一致的。这说明理论上满足要求的地面、顶棚温度可靠。
表4 调查问卷结果
房间编号
热感觉指标评价人数/人
热舒适性指标评价人数/人
能否接受热环境人数/人
冷
凉
稍凉
不冷不热
稍暖
暖
热
很不舒适
不舒适
稍不舒适
舒适
很舒适
不能
能
309
O
0
0
14
2
O
0
O
0
O
16
0
0
16
408
0
0
0
0
0
0
16
16
0
0
0
0
16
0
6 结论
   在辐射供暖系统设计中，单纯考虑控制辐射体表面温度是不够的，辐射体背面温度往往会在一个很大的范围内变化，对室内热舒适性造成很大的影响。要综合考虑辐射体表面温度和邻室辐射体背面温度对房间热舒适性的影响。
参考文献：
[1] GB 50019—2003，采暖通风与空气调节设计规范[S].
[2] JGJ 142—2004，地面辐射供暖技术规程[S].
[3] GB 50189—2005，公共建筑节能设计标准[S].
 
(本文作者：王伟1 方修睦2 高井刚3 1.上海现代建筑设计集团华盖建筑设计有限公司 上海 200041；2.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院 黑龙江哈尔滨 150001；3.上海汉思建筑设计事务所 上海 200235)