杭州别墅地源热泵辐射空调热环境测试分析
【摘要】为了研究杭州地区以地源热泵为冷热源的辐射空调的运行情况及该系统在杭州地区的适宜性，本文针对杭州一别墅地源热泵空调系统的夏季工况室内热环境进行测试，通过对室内热环境和舒适度的计算分析，得出该系统在杭州地区的运行特性，为杭州地区该系统的推广提供实测数据，也为以后的设计提供一些参考和建议。
【关键词】地源热泵 辐射空调 吊顶毛细管 平均辐射温度
1.工程概况
该别墅位于西湖风景区西南边，属旅游度假区。本别墅共3层，地下一层，地上二层；功能区有卧室、客厅、餐厅、书房、厨房及卫生间等，建筑面积共计约600多m2。该别墅户型复杂，舒适度及自控要求较高。该别墅采用节能、环保、舒适性极高的地埋管地源热泵+辐射+置换通风空调系统。
2.空调系统介绍 该工程选用地埋管地源热泵＋辐射地板/顶板+置换式新风的复合式舒适空调系统，空调系统由室外地埋管换热系统、冷热源设备、室内水风系统三部分组成。
2.1 室外地埋管换热系统及冷热源设备
本工程设计为垂直地埋管换热系统。根据场地地质揭露共设9口深80m、直径110mm的地埋孔，孔间距为4-5m，孔内埋设DN32的双U聚乙烯PE管，并采用泥浆砂土混碎石回填。本工程共采用3台地源热泵机组作为冷热源，1台全热回收机组作置换通风用的空气处理机的冷热源，同时制备别墅的生活热水；另2台标准地源热泵机组作辐射空调的冷热源。机组集中安装在地下机房，水泵为一对一配置。
2.2 室内水、风系统 (1)水系统：室内空调末端水系统采用辐射地盘管和顶板毛细管席辐射供热供冷。主卧采用地盘管辐射加顶板毛细管辐射，其余的卫生间、厨房、卧室及桑拿间等所有的房间都采用地盘管辐射。水系统分为4个支路，分别通往地下一层地盘管、一层、二层地盘管和阁楼毛细管。各支路设电动水阀，根据房间温度控制水阀的通断。辐射地板/顶板承担房间的主要冷热负荷。地盘管管采用PE-X交联聚乙烯管,外径为20mm,壁厚1.9mm；采用双回形铺设方式，个别的走廊及卫生间采用单蛇形。毛细管由厂家定做，厚度仅有4.3mm。
(2)置换通风系统：新风全部由置于底层设备机房内的空气处理机组来处理，其功能有除湿、加湿、中效过滤净化等，不仅承担室内全部湿负荷，还承担新风负荷。新风和回风混合处理后进入各个房间的风道内，并通过各个房间的地板上的风口以置换通风的方式送入房间，在房间低处形成低温空气湖，遇热源(人体)形成上升气流，并带走热源处污染物，上部污染空气由房间顶部的消声回风口排出，进入楼梯走廊并被设于底层的集中回风口吸走，通过排风管道回到机房的空气处理机组处理。
2.3 生活热水系统 在机房内设热水储热罐，容量为300L，利用全热回收机组回收的冷凝热加热生活热水，输入热水储罐内。
2.4 自动控制系统 (1)露点控制。通过室内温湿度控制器(露点控制器)控制新风除湿系统的启闭,保持房间湿度在设计要求范围内。在一层视听室的地板表面和二层书房地板表面进行安装凝露控制器探头。通过凝露控制器探头检测室内的温湿度情况，再比对设定值，从而控制电磁阀的开关，机组的运行来调节房间的湿度和温度。
(2)除湿加湿控制。通过安装在回风口的湿度传感器控制组合式空气处理机组中的电磁阀，以控制夏季除湿和冬季加湿。
(3)空调机组控制。通过热泵机组及空调机组面板上的控制器切换制冷、制热、除湿、通风工况。三个控制器为主机自带控制面板，控制主机的制冷、制热模式转换、开停机及自动控制生活热水在50～55℃。
(4)热水系统控制。通过热水储水罐内温度控制来控制热泵机组换热器水路和电加热器的切换。
图1 系统自控示意图
3.空调系统运行测试方案
该测试于2009年8月28号进行，测试数据包括室内水平温度分布、室内垂直温度分布、围护结构壁面温度、地板和吊顶表面温度、室内温湿度等。
3.1 测试房间简介 选取该别墅最具有代表性的四个房间。视听室与客卧在一楼，朝向不同，外围护结构的数量不同，地板结构不同。主卧与儿子房在二楼。主卧在吊顶安装了毛细管，儿子房仅有地盘管，两个房间均朝南，外围护结构的数量不同，地板结构一样。通过比较不同的地板结构、不同的外围护结构数量、不同的辐射系统下，房间的舒适度，为以后的设计与施工提供参考。
3.2 测试数据、仪器 (1)测试数据及仪器
1、室内外温湿度，测试仪器为HC520数字式温湿度计；
2、围护结构的表面温度，测试仪器为ST-20红外线测温仪；
由于辐射空调的特殊性，不能单纯的以辐射温度或者干球温度作为评价和考核空调效果的依据，须用黑球温度作为衡量[1]。MRT与作用温度主要是各个壁面温度，围护结构、吊顶、地板的表面温度有关的。
3、室内水平与垂直温度分布；测试仪器为WNY普通玻棒温度计。
3.3 室内测点布置 (1)室内水平测点布置
水平方向均匀设置4个测点，位于房间中部，具体方向视现场测试房间的布局而定。距外墙的距离分别为：1.0m，2.2m，3.4m，4.6m。测点布置如图2所示。
图2 水平及围护结构表面温度测试点布置
(2)围护结构内壁面温度分布
围护结构内壁面温度的变化情况将影响室内温度场的均匀性，进而影响室内的舒适度。在被测房间的地面、顶棚、四周各内壁面布置了9个温度测点，尽量做到均匀布置。9个测点分布共三行，一行为3个测点。地板、吊顶与各面墙体的温度测点布置与地面相似。围护结构各内壁面温度取9个温度测点的平均值。测点布置如图2所示。
(3)室内垂直温度分布
垂直温度测试位置分别为距地面0.2m，0.3m，0.4m，0.6m，0.8m，1.0m，1.4m，1.7m，2.0m。
4.室内热环境分析
4.1 室内水平温度场分析 通过对室内水平温度分布测量得到四个房间水平温度分布如图3所示：
表1 夏季室外温湿度
视听室的温度变化很平稳，受室外温度变化的影响很小。测试开始测点1、测点2、测点3及测点4的温度分别稳定在27oC 、25oC、27oC、24oC，测点1及测点4靠窗，在14：00时其温度都有升高，幅度不大，其温度分升高到28.9 oC及24.oC。到15：00时，测点1的温度回落到28oC；测点4受西窗的影响，温度持续升高，17：00达到25oC。测点2及测点3的温度基本保持不变。
图3 视听室水平温度分布图
由图4可见，客卧每个测点的温度基本不变。测点1与测点2的温度基本接近，基本保持在25oC。该房间属于阴面房间，测点3虽然靠近窗，但由于其靠近的墙壁壁面温度较低，其温度低于测点1与测点2，基本保持在24oC，测点受卫生间墙壁的影响，其温度略高，基本保持在26.2oC，四个测点的温度不受室外空气温度的变化，基本保持稳定。
图4 客卧水平温度分布图
由图5可见，主卧在地面辐射和吊顶辐射双重作用下，各个测点的温度较低，也较稳定，测点之间的温差很小。测点1靠窗，温度略高，为23.9oC，其余四个测点的温度基本为23.2oC 。12：00时，由于室内负荷增大，主机工作量加大，四个测点的温度略有降低，分别降低到23.1oC、22.2oC、22.8oC、22.5oC 、22.9oC。14：00时，受室外日照的影响，各个点的温度略有升高，温度分别达到23.1oC 、22.2oC 、22.8oC 、22.5oC 、22.9oC。16：00以后，各个测点的温度各个点的温度慢慢回落到23oC。
图5 主卧水平温度分布图
由图6可见，儿子房由于受外窗和两面外墙的影响，各个测点的温度较高，但也比较稳定。测点1到测点4的温度分别为27oC、26.5oC 、27oC 、25.5oC，在14：00略有升高，但到下午17：00时慢慢回落。
图6 儿子房水平温度分布图
小结：由以上分析可知，各个房间的水平方向上的温度梯度很小。视听室最大的温差出现在14：00，温差为1.7oC(其余均小于1)；客卧最大温差出现在12：00，温差为0.4oC ；主卧最大温差出现在12：00，温差为0.8oC ；儿子房最大温差出现在14：00，温差为0.7oC 。
4.2 室内垂直温度场分析 采用水银温度计对各个房间的垂直温度分布进行了测量。将四个房间的各点的温度取平均值得到的四个房间的垂直温度分布如图7。客卧受上层地盘管的影响较大，靠近地板和吊顶的部位温度较低。主卧因为地盘管和毛细管的流量都不大，其靠近地板和吊顶的温度都很合适。主卧与客卧的垂直温度梯度都不大。视听室因为人员流动量大，其垂直温度分布差异较明显。儿子房吊顶受太阳辐射的影响，其垂直温度分布差别相对较大。四个房间距地面1.4m与0.3m之间的温差分别为视听室2.4oC、客卧1.76oC、主卧0.3oC、儿子房1.6oC。根据国际标准ISO7730在高度0.2m-1.2m之间不能超过3K的要求，实验结果不仅符合而且优于该标准的规定，人体的舒适度得到了保证。
图7 测试房间平均垂直温度分布
4.3 室内围护结构表面温度场分析
由图8可见，视听室的地板表面温度维持在22oC左右，吊顶表面温度维持在25oC左右。外墙1和外墙2温度较高，分别在26.7oC 和26.8oC左右。外墙1是东面外墙，外墙2是南面外墙，因此外墙2的温度稍微高点；两个外墙的温度在12：00开始慢慢升高，到13：00时温度分别升高到27.8oC和29oC(该墙上窗的面积较大，故温度偏高)。到下17：00时温度慢慢回落，最大温差分别为1.2oC和2.2oC。内墙1与内墙2的温度和变化曲线很接近，温度分别稳定在24.9oC和24.6oC左右；从12：00开始温度慢慢的升高，到13：00时温度达到最高值为25.9oC和25.7oC，最大温差分别为1oC和1.1oC.该条件下计算得到的平均辐射温度、室内空气温度及作用温度的变化曲线较接近。
平均辐射温度和作用温度受室外空气温度的影响不大，且存在滞后的现象。10：00时辐射温度为24.4oC，室内空气温度为25.4oC，计算得到的作用温度为24.9oC。12：00后随着室外温度和日晒强度的升高，维护结构表面温度慢慢升高，辐射温度也相应的升高，在15：00时升到最高点约25.7oC，作用温度也相应的达到最高点26.2oC。
图8 视听室维护结构表面温度分布
由图9可见，客卧的围护结构的表面温度波动幅度不大。地板表面温度一开始为24oC，12：00开始慢慢升高，一直到15：00维持在24.4oC(14点时略有下降)，16：00以后恢复到开始的温度。外墙1和内墙2的温度偏高，温度分别为26.4oC和26.3oC，在12：00时两个墙的表面温度达到最大值，分别为27.1oC和 26.6oC。内墙1和内墙3的温度较接近，波动很小，温度保持在25.3oC和25.4oC。平均辐射温度和作用温度受室外空气温度和日照辐射的影响很小。MRT和作用温度在10：00时为25.2oC和24.9oC，在13：00时达到最高值分别为25.5oC和25oC，其最大温差分别为0.3oC和0.1oC。
图9 客卧维护结构表面温度分布
如图10所示，主卧的维护结构的表面温度波动与其他三个房间不同，10：00时地板和吊顶表面温度分别为23oC和24.4oC，到12：00时温度分别下降到22.4oC和23.7oC，此时室内负荷较大，主机两台压缩机都在工作。之后温度慢慢上升，到16：00时达到最高值分别为23.4oC和25.6oC。外墙1、内墙1、内墙2及内墙3内表面温度变化也相同，10：00时的温度分别为28.6oC、24.8oC、23.7oC和25.1oC，12：00时分别下降到27.1oC 23.5oC 22.4oC 和24oC。16：00时达到最高值分别为28.7oC、25.6oC、24.4oC和26.3oC。舒适温度的对比曲线如下图所示.辐射温度、室内空气温度和作用温度受维护结构的表面温度影响较明显，其变化曲线与维护结构表面温度的变化曲线的趋势是一致的，10：00时温度分别为24.6oC 、24.3oC和24.5oC，12：00时下降到23.7oC、23.6oC和23.6oC。辐射温度是随着维护结构的表面温度在16：00时达到最高值约为25.4oC，室内空气温度在14点就达到最高值24.6oC，作用温度相应的在16：00达到最高值为24.6oC。
图10 主卧维护结构表面温度分布
如图11所示，10：00儿子房的地板与吊顶的表面温度为23.1oC和27.7oC。12：00时地板温度升高幅度较大，升高到24.3oC，吊顶表面温度升高到28.4ooC。随后地板温度略有下降，到15：00时又升高到24.3oC；吊顶则达到最高温度28.8oC.外墙1是南墙，温度较高，外墙2与吊顶温度较接近，10：00时外墙1与外墙2的温度分别为30.4oC和27.5oC；外墙1的温度在13点的时候下降到29.8oC，慢慢上升到15：00时达到最高值30.6oC.外墙2的温度10点时为27.5oC，慢慢升高，到15：00时升高到最高值为28.3oC.内墙1和内墙2的温度曲线较平稳，10：00时的温度分别为26.8oC和26.4oC.在14点的时候，内墙1的温度达到最大值为27oC，内墙2在15：00时达到最大值为27.7oC。该房间舒适温度的分布如下图所示：10：00时，MRT、室内空气温度和作用温度的值分别是26.8oC、24.2oC和25.5oC，11：00时三个温度慢慢升高，到15点时达到最高值，分别为27.6oC、25.5oC和26.6oC。由此可见，该房间由于吊顶和两面外墙受日照辐射的影响，该房间的辐射温度相对于其他房间较高，作用温度受其影响也较高。
图11 儿子房维护结构表面温度分布
4.4 PMV-PPD值计算
图12 视听室的PMV-PPD计算图表
图13 客卧的PMV-PPD计算图表
由上述计算结果可以看出，由于四个房间热工特性的差异引起各室内舒适性的差异较大。相比较而言，主卧的舒适性最高，PPD值仅为5.99%，一层视听室和客卧次之，PPD值分别为8.58%和10.43%，儿子房温度偏高，不满意率高达28.15%。
图14 主卧的PMV-PPD计算图表
图15 儿子房的PMV-PPD计算图表
5.总结与建议
(1)该系统总体来说是非常成功的地源热泵与辐射空调以及置换通风相结合的空调系统。该项目的成功也验证了地板/吊顶辐射+置换通风这种空调形式在以杭州为代表的夏热冬冷地区的适用性。该空调系统舒适性高、运行费用低、回收年限低且寿命长，值得大面积推广。尤其用在小型别墅，控制灵活，运行费用低。
(2)室内热环境测试四个房间里，主卧的舒适度最高，视听室和客卧次之，儿子房略差。主卧虽在顶层，外墙窗的面积也较大，但是由于配备了地盘管和吊顶毛细管，在两个辐射面的作用下，室内环境较舒适，达到设计要求；儿子房由于在顶层，外围护结构多(2个)，室内仅有地盘管辐射，辐射力不够，室内温度较高；视听室和客卧在一层，得热相对较少，在地盘管的作用下，室内舒适度也较高。辐射条件下，室内的温度分布较均匀，热分层现象不明显。
(3)通过对主卧及儿子房间的舒适度比较，建议以后的辐射空调系统中，顶层需要安装吊顶辐射系统，这是高舒适度的保证。
(4)地下一层和一层的舒适度分析说明，地盘管不做保温层(仅地下一层做)是可行的且值得延用的。
(5)经过我们的分析与尝试，实现主机未开启前先运行置换通风系统，主机关机后延迟置换通风系统的关闭的控制，也是防止系统出现结露的好方法。
浙江省工程物探勘察院 / 王蕾，陆长华，佟娜娜
