作者：郑晓敏
辐射吊顶供冷是将辐射板布置于天花板，供冷顶板和室内环境间的传热方式是辐射和对流。辐射吊顶供冷冷量传递方式如图1所示，其中箭头的方向代表冷量的传递方向。由图1可以看出，冷量由冷媒通过导热和对流的方式传递到吊顶表面，吊顶、室内热源、围护结构之间通过辐射传递冷量，吊顶表面与室内空气直接接触，通过对流的方式来传递冷量。辐射供冷与对流供冷的主要区别在于，辐射供冷时房间各围护结构内表面（包括供冷部件表面）的平均温度ts,m低于室内空气温度tR，即ts,m<t。；而对流供冷正相反t。，。>t。。
热环境表征了和人体进行能量交换的环境特性，国际标准IS0 7730 - 2005 Ergon,omics of thethermal envr,ron,ment-An,alytical determination, andinterpretation of thermal comfort using calculation, of thePMV an,d PPD in,dices an,d local thermal comfortcriteria中使用PMV-PPD指数来描述和评价热环境。PMV-PPD指数是丹麦工业大学P．0．Fanger教授在以对流为主的环境中以实验测定的方法获得，2002年英国学者D．L．Loveday等人通过实验验证此项指标同样适用于顶板辐射系统的舒适度测定。我国GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定，供暖与空调的室内热舒适性应按现行国家标准GB/T 18409-2000《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》的有关规定，采用PMV-PPD指数来评价，并将热舒适度划分为I、II两个等级：I级，-0.5≤PMV≤+0.5,PPD≤10 010;II级，-1≤PMV< -0. 5,0.5<PMV≤1,PPD≤27%.
本文采用TRNSYS软件建立办公建筑辐射吊顶供冷和对流供冷2种方式空调过程计算模型。TRNSYS软件中辐射吊顶计算模型通过与实验测试结果进行对比，验证了其正确性，对比工况包含了多种不同类型的辐射板样板。
对于辐射吊顶供冷方式，通过比例积分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制吊顶水路水流量调节冷量，使室内参数稳定在设计值，此外模拟计算时采用较小的时间步长(0. 01 h)来保证控制的精确性。对不同工况下，建筑辐射吊顶供冷及对流供冷方式室内空调过程进行模拟计算，运用PMV-PPD指数对房间舒适性进行评价分析，并对房间负荷特性进行比较，研究了辐射吊顶供冷方式的节能、舒适性。
1 模型的建立
1.1 模拟建筑概况
模拟房间为北京市一间正南朝向四周均为外墙的单体办公建筑，南外墙设有面积8 m2的双层玻璃外窗，窗户传热系数为1.4 W／(m2 .K)，室内空调面积36 m2。办公建筑外墙围护结构热工参数如下表1、表2所示。
对于辐射吊顶供冷系统末端采用模块化辐射板，悬挂于屋顶之下，辐射盘管参数如表3所示，盘管内传热介质为水。由于这种结构的辐射末端热惰性小，对负荷反应速度灵敏，且集装饰和环境调节功能于一体，是当前广泛应用的辐射末端结构。
根据GB 50189-2015《公共建筑节能设计标准》对办公建筑内热源扰动进行设定。其中，办公室内人员密度、房间人员逐时在室率、电器设备逐时使用时刻表、照明时刻表等均按标准设置，人均新风量为30 m3/（h．人）。
1.2计算模型的建立
图2为TRNSY软件中房间负荷舒适性计算流程图。
TRNSYS软件中，房间空调过程计算的核心模块是多区建筑模块Type56，该模块能够模拟再现建筑物传热过程。根据墙体、窗体围护结构热工参数（见表2）及几何参数建立建筑模型，按照GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》对室内热扰进行设置，如电器设备功率密度、人员散热、人员逐时在室率、照明开关时间表等。运用PMV-PPD指数对室内舒适性进行评价分析。
对流传热供冷系统，在Type56中通过设置室内供冷模式( Cooling Type)，设定室内设计温湿度进而对房间负荷及舒适性进行模拟计算。而对于辐射吊顶供冷系统，吊顶辐射埋管的设计通过Wall TypeManager中的Chilled Ceiling来实现，如图3所示。
图4为辐射冷顶板结构示意图。温度
为辐射冷顶板表面平均温度；
为室内操作温度；
为流体进口温度。
Type56中辐射冷顶板模型需要根据DIN 4715-1得到的冷板试验数据作为输入‘引。根据这些数据及已知的边界条件，模型可以计算试验工况下的热阻网络模型。图5显示了辐射冷板试验工况下的热阻模型。
图5中，R。为管内流体到管内壁的对流换热热阻，( m2 - K)/W；Rr为管壁的导热热阻，(m2 -K)/W；尺；为x方向热阻，( m2.K)/W;R。。为测试条件下冷顶板热阻，( m2 - K)/W;R．为测试条件下顶板上壁面热阻，( m2．K)／W；R：为冷顶板与室内传热的综合热阻，( m2．K)／W；p。为流体平均温度，℃；口。为冷却顶板平均温度，℃；p，．：为室内操作温度，℃；p，．，为室外操作温度，℃。
除去测试结果，U…传热系数也是必须计算的。对普通辐射冷顶板，U wrx可以利用式(1)近似计算：
式中：P。。…。为标准DIN 4715-1测试下的额定功率。
同样的，若已知测试条件下流体平均温度口。与冷却顶板平均温度Ok的温差
，可以通过下式求解传热系数U wrx：
式中：Uwrx为传热系数，W/( m2 -K)；
为标准DIN 4715 -1测试下的额定功率，W/m2；dT。。rf nor。为流体平均温度p。与冷却顶板平均温度Ok的温差，℃。
本文设计中辐射埋管的管外径为10 mm，管间距为40 mm。室内共并联6个环路，吊顶辐射管供水温度为15℃，吊顶水路流量最大值为1 200 kg/h。对于辐射供冷系统，室内显热负荷完全由辐射吊顶承担；潜热负荷通过Type56设置供冷模式，只启用除湿功能来承担；进而实现辐射吊顶供冷系统中房间负荷及舒适性的模拟计算分析。辐射系统中，利用PID调节方式控制吊顶水路水流量，从而调节制冷量，使室内空气参数稳定在设定状态点。通过对PID控制器参数的整定，实现辐射系统室内参数的精确控制。
此外，为了运行计算模型，还需在系统中分配气象参数。利用气象参数模块实现建筑模型( Type56)中气象参数的输入，包括环境温度、相对湿度、有效天空温度、辐射参数等。气象数据文件是基于北京建立的，是完整一年中逐时的气象数据。
2 相同室内空气温度下的模拟结果
根据前文建立的TRNSYS房间负荷舒适性计算模型，在室内空气温度、相对湿度相同的情况下，模拟2种空调方式房间负荷、舒适度的差异性。其中，室内设定状态点为：空气温度26℃，相对湿度60%。模拟时间为七月份某一天工作时间段(5 048～5 058 h)。
对流供冷系统，Type56中设置相应的供冷模式，控制室内温湿度参数来满足设定值。对于辐射供冷系统，辐射板承担室内显热负荷，以室内空气温度作为PID的被控制量(Controlled variable)，空气温度设计值即为PID的设定值(Setpoint)，PID通过调节辐射吊顶水路水流量（Control signal）实现室内温度的控制，水路最大水流量为l 200 kg/h；潜热负荷通过Type56供冷模式中的除湿功能来承担，进而控制室内湿度。此外，TRNSYS模拟计算时采用较小的时间步长（取0. 01 h）以便对室内参数时时精确控制，保证计算的准确性。对2种空调方式房间空调过程模拟计算后，室内空气温度、相对湿度逐时变化如图6、图7所示。
由于TRNSYS中气象模块(Type15)以小步长(0. 01 h)读人室外空气温度时，整点时刻处为非平滑过渡，此时辐射供冷房间PID控制下室内空气温度、相对湿度出现震荡。整个模拟时间段，辐射房间空气温度最高为26. 23℃，最低为25. 64℃；最大相对湿度为60. 34%，最小相对湿度为58. 09%。由图6、图7可知，辐射供冷房间空气温度、相对湿度的震荡幅度比较小，震荡时间短。总体而言，对流供冷与辐射供冷2种空调方式下，整个模拟时间段内室内参数基本稳定在设定值。在此基础上，对房间负荷、舒适性等作进一步的比较分析。
图8为室内空气温度、相对湿度相同的情况下，2种空调方式房间操作温度逐时变化。由图可知，在室内空气温度稳定在26℃时，采用对流供冷时，室内操作温度高于空气温度，最高为26. 45℃；而采用辐射供冷时，操作温度低于空气温度，最低为25. 25 cC。
操作温度表征室内空气温度和平均辐射温度的综合作用，平均辐射温度用来表示人体与房间辐射换热量的大小。辐射吊顶供冷系统存在一个低温供冷表面，房间围护结构与供冷表面间存在较强的辐射换热，使得围护结构内表面温度整体低于对流供冷系统，进而房间的平均辐射温度较低，辐射供冷房间的操作温度较低。对数据分析后知，相同空气温度下，整个模拟时间段内，辐射供冷系统室内操作温度比对流系统室内操作温度平均值低0.7℃。
图9、图10为室内空气温度、相对湿度相同的情况下，2种空调方式房间预计平均热感觉指数( Predicted Mean Vote，PMV)、预计不满意者百分数( Predicted Percentage of Dissatisfied，PPD)逐时变化曲线，对流供冷系统，房间热舒适性指数：0.55<PMV<0.65，11%<PPD<14%；辐射供冷系统，房间热舒适性指数：0. 25<PMV<0.5，大部分时间在0.4以内，6%<PPD <9%．大部分时间在8%附近。因此，对流供冷房间达到II级热舒适度，辐射供冷房间达到I级热舒适度，辐射供冷房间更舒适。由于辐射散热是人体舒适条件下最主要的散热方式14，辐射供冷表面在通过对流换热冷却周围空气的同时，还与室内家具及四周的围护结构进行辐射换热，从而使室内平均辐射温度降低，增强了人体的辐射散热，提高了舒适度。
图11、图12为室内空气温度、相对湿度相同的情况下，2种空调方式房间围护结构（北墙、地板）内表面温度逐时变化曲线。
该工况下2种空调方式室内空气温度相同，围护结构与室内空气间的换热相同。与对流方式相比，辐射吊顶供冷系统存在一个低温供冷表面，使得辐射房间围护结构辐射放热量要大于相同位置的对流房间围护结构，辐射房间围护结构内表面温度低于对流房间（如图11、图12所示，以北墙、地板为例）。2种空调方式下整个模拟时间段房间累计负荷如表4所示。
由于潜热负荷取决于室内空气温度，本工况下2种供冷方式室内空气温度、相对湿度均相同(26℃，60%)，因此房间累计潜热负荷也相同，均为3.02 kW·h。在室内外温差的驱动下，热量经围护结构传到室内形成室内得热。相比于对流供冷房间，辐射供冷房间围护结构内表面温度较低，围护结构内、外表面温差大，房间经围护结构的得热量较大，使得显热负荷增大。由表4可知，在室内空气温度、相对湿度相同的情况下，辐射供冷房间的累计显热负荷比对流供冷房间高出1%。最终，整个模拟时间段，辐射供冷房间累计总负荷比对流供冷房间高0. 85%。
即在相同室内设计温、湿度要求的情况下，辐射供冷的负荷要大于对流方式。由以上分析可知，这个负荷差值的大小，与以下因素有关：围护结构的热工性能；体形系数；显热、潜热负荷的比例。
3相同室内操作温度下的模拟结果
在室内操作温度、相对湿度相同的情况下，比较2种空调方式房间负荷、舒适度的差异性。其中，室内设定状态点为：操作温度25℃，相对湿度60%。模拟时间为七月份某一天工作时间段(5 048~5 058 h)。
对流供冷系统，Type56中设置温度可调的供冷模式，以室内操作温度作为PID的被控制量( Controlled variable)．操作温度设计值为PID的设定值( Setpoint)，PID通过调节供冷模式的设置温度( Control signal)使操作温度保持在设定值。对于辐射供冷系统，与前文同理（第2节），辐射板承担室内全部显热负荷，PID通过调节辐射吊顶水路水流量控制室内操作温度，水路最大水流量为1 200 kg/h；潜热负荷通过Type56供冷模式中的除湿功能来承担，控制室内湿度。此外，TRNSYS模拟时仍采用较小的时间步长（取0. 01 h），以便对室温时时精确控制，保证计算的准确性。对两种空调方式房间空调过程模拟计算后，室内操作温度、相对湿度逐时变化如图13、图14所示。
由图13、图14可知，在整点时刻处辐射供冷房间PID控制下的室内操作温度、相对湿度出现短暂的、小幅的震荡。整个模拟时间段，辐射房间操作温度最高为25. 11℃，最低为24. 77℃；最大相对湿度为60. 34%，最小相对湿度为59. 66%。总体而言，对流供冷与辐射供冷两种空调方式下，整个模拟时间段内室内操作温度、相对湿度基本稳定在设定值。在此基础上对房间负荷、舒适性等作进一步比较分析。
图15为室内操作温度25℃、相对湿度60%情况下，2种空调方式室内空气温度的逐时变化曲线。由图可知，采用对流供冷时，室内空气温度低于操作温度，最低为24. 53 cC；而采用辐射供冷时，空气温度高于操作温度，最高为25. 59℃。
由于，室内空气与人体及围护结构之间仅存在对流传热。因此，降低围护结构内表面温度，增强人体与围护结构间的辐射换热，是提高人体辐射散热量的唯一途径。对于对流供冷方式，围护结构内表面温度的降低只能源于更低的室内空气温度，即围护结构与室内空气间更强的对流换热。
操作温度表征室内空气温度和平均辐射温度的综合作用，辐射供冷系统中围护结构内表面与供冷表面之间存在较强的辐射换热，围护结构内表面温度较低，室内平均辐射温度也较低，操作温度相应降低。如图15所示，与对流供冷系统相比，辐射系统可以在较高的室内空气温度条件下保持相同的操作温度。对数据分析后知，相同操作温度下，整个模拟时间段内，辐射供冷系统室内空气温度比对流系统室内空气温度平均高0. 73℃。
图16、图17为室内操作温度25℃、相对湿度60%的情况下，2种空调方式房间PMV、PPD逐时变化曲线。由图16、图17可知，该模拟工况下，2种空调方式房间舒适度指标PMV、PPD基本相同，均达到I级热舒适度(-0.5≤PMV≤+0.5．PPD≤10%)，房间热舒适性高。
图18、图19为室内操作温度25℃、相对湿度60%的情况下，2种空调方式房间围护结构（北墙、地板）内表面温度逐时变化曲线。由图可知，对流供冷房间外墙及地板内表面温度均低于辐射供冷房间。2种空调方式下整个模拟时间段房间累计负荷如表5所示。
由于潜热负荷取决于室内空气温度，在操作温度相同的情况下，对流供冷房间室内空气温度更低。与辐射房间相比，对流供冷房间较低的空气温度间接增大了通风得热及潜热负荷。此外，相比于辐射房间，对流供冷房间围护结构内、外表面温差大，经围护结构的室内得热量大，显热负荷增大。
由表5可知，在室内操作温度、相对湿度相同的情况下，对流供冷房间的累计显热负荷、潜热负荷均高于辐射供冷房间。最终，整个模拟时间段，对流供冷房间累计总负荷比辐射房间高6. 3%。
4 节能性分析
通过前文的模拟分析可知，本文模拟情况下，相同室内空气温度时，辐射吊顶供冷系统房间热舒适性优于对流供冷系统。相同室内操作温度时，两系统房间舒适性相同，此时辐射房间冷负荷低于对流房间。
对于辐射吊顶加独立新风系统，冷却顶板主要承担室内显热冷负荷，其他通风用于处理室内湿负荷，因而减小了空气系统送风量，减小了末端风机等设备的能耗。两空调系统结合保证室内具有良好的舒适度和气流组织，另外由于冷却顶板的辐射作用，可以削减室内的垂直温差，使人体有更佳的舒适感觉。
此外，辐射吊顶供冷系统的供水温度一般在14—18℃之间，冷媒温度比较高，为自然冷源的使用提供了更多可能性，如采用冷却水、地下水。若辐射板的冷冻水采用冷水机组制备时，冷水机组的蒸发温度较高，从而提高了机组的性能系数，耗电量减少，可节能14%~22%左右。
5 结论
本文利用TRNSYS软件建立北京某办公建筑房间负荷舒适性计算模型，设置了对流供冷、辐射吊顶供冷2种空调方式，在相同室内空气温度、操作温度两种情况下，对建筑内空调过程进行了模拟计算，得到了模拟时间段室内的逐时负荷，并根据GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》利用PMV-PPD指标2种空调方式下室内热舒适性进行了评价分析。模拟结果表明：
在室内空气温度26℃、相对湿度60%的情况下，整个模拟时间段内，辐射供冷系统室内操作温度比对流系统室内操作温度平均值低0.7 0C，房间达到I级热舒适度，而对流房间达到II级热舒适度，辐射房间更舒适。此时，整个模拟时间段，辐射供冷房间累计总负荷比对流房间高0. 85%。
在室内操作温度25℃、相对湿度60 010的情况下，整个模拟时间段内，辐射供冷系统室内空气温度比对流系统室内空气温度平均高0.73 cC。此时，两种空调方式房间舒适度指标PMV、PPD基本相同，均达到I级热舒适度，房间热舒适性高。对流房间较低的室内空气温度，增大了室内通风得热及围护结构得热。最终，整个模拟时间段，对流供冷房间累计总负荷比辐射房间高6. 3%。
通过前文分析可知，在室内设计参数相同的条件下，建筑采用辐射供冷和对流供冷时，围护结构内表面温度存在差异，使得通过围护结构的得热量不同，这是导致两种供冷方式下建筑负荷差异的原因之一。本文目标建筑四周均为外墙，建筑体形系数较大。对于常见的建筑，体形系数较小，辐射吊顶供冷和对流供冷的负荷差异预计将减小。
因此，与对流供冷系统相比，辐射吊顶供冷系统可以在较高的室内空气温度条件下保持相同的操作温度。采用辐射吊顶供冷系统时，较高的空气温度间接降低了通风热损失及通过围护结构的室内得热，使得房间冷负荷降低。此外，辐射吊顶供冷系统
冷水供水温度较高，较高的冷水温度一方面能提高机组的运行性能参数COP，另一方面为低品位能源的使用提供了更大的可能性。因此，辐射吊顶供冷方式具有良好的节能性和舒适性。6[摘要]
利用TRNSYS软件建立办公建筑空调过程计算模型，并分别设置对流供冷与辐射吊顶供冷2种空调方式。用PID控制吊顶水流量来调节辐射板冷量，使室内参数满足设计值。为保证控制的精确性，模拟计算时采用较小的时间步长(0. 01 h)。在不同工况下，对建筑辐射吊顶供冷及对流供冷方式的室内舒适性、负荷进行模拟计算。结果表明，相同室内空气温度下，辐射吊顶供冷方式室内舒适性优于对流供冷方式；相同舒适性情况下，辐射吊顶供冷方式房间负荷小于对流供冷房间负荷。因此，辐射吊顶供冷方式具有良好的舒适性和节能性。
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