张东亮，蔡宁，黄晓庆，崔晓波（南京工程学院，南京21 1167）
[摘要]本文基于对室内温度、围护结构内表面温度、风口参数等实测数据，分析了顶棚辐射结合下送风供冷系统运行过程中系统换热量、人体热舒适性变化规律，以及操纵量、扰动量对被控量的影响。研究结果表明：系统净辐射换热量、对流换热量和总换热量在系统开启的前1.5 h内递增，之后趋于稳定，系统稳定时，辐射换热量占总换热量的43%，余下57%冷量由风系统承担，此时，PMV和PPD值均在IS07730的推荐值范围内。室内空气温度和作用温度随着扰动量和操纵量的增加而增加；当室外空气温度相对较低或较高时，室内发热量或平均水温较低时，室内空气温度和作用温度的增加率较小；室内空气温度和作用温度随着送风温度呈近似线性增加。
[关键词]顶棚辐射；下送风；运行特性；实验研究；预计平均热感觉指数；预计不满意者百分数；操作温度 [中图分类号]TU834.8
0 引 言
辐射供冷自20世纪80年代起即在欧洲得到应用，其原因在于欧洲夏季室外空气湿度相对较低，辐射面结露风险较小。然而，为了保证室内空气品质、满足舒适和健康要求，必须引入新风，并且将辐射供冷应用于高温高湿气候区时，辐射面结露风险很大，因此，ASHRAE手册、Mumma提出：将辐射供冷系统复合独立新风系统，以除去潜热负荷，从而达到通风、除湿和辐射面防结露的目的。与传统的送风供冷相比：辐射供冷结合送风系统的辐射管中冷水温度可以比较高，这就为地下水、地源热泵、蒸发冷却等可再生或低品位能源技术的利用，创造了条件；避免了送风供冷热湿联合处理所造成的能源浪费；可以实现室内温度、湿度独立控制和调节。
由于顶棚辐射与下送风复合式供冷系统具有高效、节能、舒适等优点，目前，顶棚辐射与下送风复合式供冷系统在夏季室外空气湿度较高的地区也已得到一定应用，但由于系统非线性、大惯性、大滞后和多变量的特点，其运行特性较为复杂。翁文兵等搭建了De16和De20埋管混凝土顶板试验台，对不同供回水温度时顶棚辐射空调夏季供冷能力作理论分析和实验测试，但该研究仅限于供回水温度对系统供冷能力的影响分析。赵羽等采用TRNSYS软件对上海某办公室的天棚辐射加独立新风系统进行模拟，研究定水温和变水温对房间温度
稳定性、结露发生频率以及人体热舒适性的影响，该研究比较分析了定水温和变水温控制效果，但仅限于单一操纵量的模拟研究。刘乃玲等通过实验研究顶棚辐射供冷房间在冷吊顶辐射作用下，室内空气温度、房间壁面温度、人体表面温度的变化规律，在此基础上分析了人体与环境的对流换热及辐射换热的变化规律，但没有系统扰动量和操纵量对室内环境参数的影响研究。隋学敏等对辐射供冷系统空调末端与室内热湿环境之间的能量交换过程进行分析，提出辐射供冷室内热环境控制变量应综合考虑平均辐射温度和空气温度2个指标，可将操作温度作为室内热环境控制的反馈变量，但该研究仅限于理论分析，没有进一步研究操作温度对室内热环境控制的反馈机理。Xing采用数值模拟分析管道热阻和水流速对系统性能的影响，发现辐射供冷系统水流速对其性能影响极小，但是，该研究仅限于模拟研究，并且没有分析其他影响因素对系统性能的影响。综上，以上文献均没有研究系统运行过程中的热特性与热舒适性，以及进一步研究系统扰动量和操纵量对室内环境参数的影响，因此，本文对顶棚辐射结合下送风供冷系统进行实验研究，分析运行过程中系统换热量、人体热舒适性变化规律，研究扰动量（室外综合温度、室内发热量）和操纵量（供回水平均温度、送风温度）对被控量（室内空气温度、作用温度）的影响，其结果为该类型系统的设计与调试运行提供必要的实验依据。
1 实验装置
1.1 测试房间与供冷系统
图1为实验室示意图，该实验室由测试房间（长×宽×高=4.2 mx3.6 mx2.6 m）和补偿套间两部分组成，补偿套间用于创造实验所需要的室外气象环境。
顶棚辐射结合下送风复合式系统采用空气源热泵作为冷源，由空气源热泵机组制得的冷水经水泵加压后分为两路：一路由分水器分到各个回路，流经盘管后回到集水器，再回到空气源热泵机组，另一路经空气处理机组冷却空气后，回到空气源热泵。下送风系统中，新风和回风混合后，经空气处理机组处理成低温、低湿的风，经地板下部静压箱送至地板送风风口；分集水器上带有温控中心，通过混合一次供水与回水来保证系统供水温度的恒定，与一次回水混合的供水通过平衡阀保持流量恒定，而一次回水量的大小由温控阀控制，温控阀的温度传感器位于回水和一次供水的混合管内。顶棚结构层采用管间距100 mm、“S”型铺设方式，水管管径为DN10。
1.2 测量仪器与测试方案
测量参数与仪器性能见表1。由表1的数据可知，测量仪器的量程和精度满足实验要求。
如图2所示，选取13个测点测量室内空气温度、围护结构内表面温度和室外空气温度，其中，顶棚温度为顶棚上4个测点的平均温度，室内空气温度为测点10、11、12的平均温度，测点10、11、12距离地面的高度分别为1.1 m、1.7 m和2.2 m，分别表示人体坐姿时呼吸位置、人体站姿时呼吸位置和人体站姿时头部位置。如图3所示，选取12个测点测量送、回风口的温度、风速，各风口的4个测点的温度、风速测量平均值代表该风口温度、风速。由于顶棚辐射结合下送风系统较大的热惯性，以上温度测点每隔0.5 h测量记录1次，系统运行过程中供回水流量恒定，故水流量测量1次即可。
2 实验结果与分析
2.1 系统热特性与热舒适性分析
在系统运行过程中，通过全空气系统将补偿套间温度控制在32℃，顶棚辐射结合下送风供冷系统于9:00开启，至17：00关闭。
1)系统换热量分析
系统换热量包括风系统和水系统提供的冷量。风系统提供的冷量计算方法。下送风
系统参数测量值见表2。辐射板净辐射换热量根据杰勃哈特法计算。
通过计算，得出换热量在系统运行过程中的变化曲线如图4所示：净辐射换热量、对流换热量和总换热量在系统开启的前1.5 h内递增，之后趋于稳定，热稳定性好。系统稳定时，辐射换热量约为32W/m2，辐射换热量占总换热量的份额为43%，剩余57%的冷量由风系统承担。
2)人体热舒适性分析
国际标准IS07730中采用PMV( Predicted MeanVote)和PPD( Predicted Percent Dissatisfied)指标来描述和评价热环境，我国标准GB/T 18049-20001《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》也对PMV-PPD的算法与测试作出规定，指标是Fanger收集了1396名美国、丹麦受试者对冷热感觉的反映之后得到的，他通过回归公式使人体舒适性量化，并提出具体指标。IS07730给出的指标推荐值为：-0.5≤PMV≤+0.5，相应PPD≤10%。Zhen Tian等以ASHRAE RP-921报告为标准，对辐射空调系统冬夏两季作用下的82个受试者的人体热舒适性进行了分析，认为辐射供冷系统下的人体热舒适性与PMV模型一致，而辐射空调系统使垂直温度梯度和吹风感引起的局部热不舒适得到有效改善。在辐射供冷系统中，围护结构内表面与人体的辐射热交换对热舒适性影响很大，为了综合考虑辐射影响，又相继提出了平均辐射温度( Mean Radiant Temperature，MRT)、作用温度( Operative Temperature，OT)、标准有效温度(Standard Effective Temperature，SET)等概念和指标。
因此，本文采用OT、PMV和PPD评价顶棚辐射结合下送风供冷系统的热舒适性。经计算，系统从开启到关闭过程中的OT、PMV和PPD值如图5所示，在系统运行1.5 h内，OT、PMV和PPD值均随着室内温度的降低而降低，然后趋于稳定，在系统运行1.5 h后，PMV和PPD值均在IS07730的推荐值范围内。
2.2操纵量、扰动量对被控量的影响
1)操纵量对被控量的影响
对于顶棚辐射结合下送风供冷系统而言，室外综合温度和室内发热量是2个主要扰动量。通过调节补偿套间空气温度实现不同的室外综合温度，从而得出室外综合温度对室内空气温度和作用温度的影响，如图6所示，室内空气温度和作用温度随着室外综合温度的升高而升高，当室外综合温度较低或较高时，室内空气温度和作用温度的增加率较小。
通过调节室内发热设备的发热量模拟不同的室内发热量，从而得出室内发热量对室内空气温度和作用温度的影响。如图7所示，室内空气温度和作用温度随着室内发热量的升高而升高，当室内发热量较低时，室内空气温度和作用温度的增加率较小。
2)扰动量对被控量的影响
对于顶棚辐射结合下送风供冷系统而言，顶棚辐射系统供回水平均温度和下送风系统送风温度是2个主要操纵量。通过调节分集水器上的温控中心来调节供回水温度，从而得出供回水平均温度对室内空气温度和作用温度的影响，如图8所示：室内空气温度和作用温度随着供回水平均温度的升高而升高，当供回水平均温度较低时，室内空气温度和作用温度的增加率较小。
通过设置空气处理机组出风温度实现不同的送风温度，从而得出送风温度对室内空气温度和作用温度的影响，如图9所示：室内空气温度和作用温度随着送风温度的升高呈近似线性升高。
3 结 论
在本文实验条件下，采用实验研究顶棚辐射结合下送风供冷系统的运行特性，得出以下结论：
1)净辐射换热量、对流换热量和总换热量在系统开启的前1.5 h内递增，之后趋于稳定，系统稳定时，辐射换热量占总换热量的份额为43%，剩下57 010冷量由风系统承担。
2)在系统运行1.5 h后，PMV和PPD值均在IS07730的推荐值范围内。
3)室内空气温度和作用温度随着扰动量和操纵量的增加而增加。
4)当室外空气温度相对较低或较高时，室内发热量或平均水温较低时，室内空气温度和作用温度的增加率较小；室内空气温度和作用温度随着送风温度呈近似线性增加。
