基于EnergyPlus的地板辐射供冷与置换通风系统模拟

基于EnergyPlus的地板辐射供冷与置换通风系统模拟摘要：辐射供冷具有直接、高效舒适等优点，近年来得到了广泛关注。地板辐射供冷加置换通风空调方式是一种很具应用前景的空调方式。本文介绍了应用EnergyPlus软件模拟地板辐射供冷遇置换通风系统的过程，并比较了系统能耗和热舒适性的模拟结果，得出了系统设定值相关的结论。关键字：地板辐射 置换通风 EnergyPlus PMV1 EnergyPLus 软件介绍EnergyPlus 是美国能源部资助的、由劳伦斯伯克利国家实验室等科研机构协作开发的一种功能齐全的建筑能耗分析软件。作为已有的两个著名的能耗分析软件BLAST和DOE2的全新替代产物, EnergyPlus不但继承了BLAST和DOE2程序原有的特点和功能,同时在计算方法和程序结构等方面均有了很显著的进步1。EnergyPlus最突出的特点体现在其整体的模拟思想,BLAST 和DOE2采用的都是顺序模拟的计算思路,即按照“建筑物负荷-空调系统设备负荷-中央冷/热站负荷”的顺序依次进行模拟,而EnergyPlus在上述3个环节中存在反馈,以校验每个时间步骤计算的准确性。自1999年开始的测试版到2001年早期的正式投入使用版(第1版),再到以后陆续推出的更新版本，EnergyPlus通过了ASHRAE Standard 140P的比较性测试和BEPAC的热传导分析测试, 测试数据表明EnergyPlus所模拟的结果与其他能耗模拟程序具有很好的一致性2。本文模拟采用的是2007年10月的最新版本EnergyPlus2.1。图1 EnergyPlus 内部原理结构图2 模拟模型与参数辐射供冷具有直接、高效舒适等优点，近年来得到了广泛关注。地板辐射供冷加置换通风空调方式是一种很具应用前景的空调方式。据相关研究表明，置换通风的存在增强了地面与室内的对流换热效果，使用这一复合系统时，地面与室内空气的对流换热系数高出单独使用地板供冷时约45%，导致总换热系数高出约30%，也就是说，温差相同时，复合系统的供冷能力要高约30%。作者应用EnergyPlus软件建立了三层建筑模型来实现对典型房间的能耗模拟，图2即为建筑模型去除第三层后的情况，其中灰色部分为模拟房间，其建筑基本参数和室内参数设置参考文献4确定，见表1和表2。图2 应用EnergyPlus软件建立的建筑模型设备名称尺寸数量单位备注南外窗1800*15001扇台式电脑500*400*4002台370w/h-台人员2人83W/人日光灯1000*2002盏80w/盏新风量30m3/h-人总风量300m3/h 表1 房间基本参数设置地板辐射与置换通风复合系统的具体组成如图3所示，在模拟过程中房间空气模型采用EnergyPlus提供的UCSD Displacement Ventilation Model Controls模块，房间温度场沿高度方向分为三层，离地板0.2米为贴地层，0.2-1.1处为温度舒适控制层，1.1米以上为空气混合层。辐射地板系统采用Low Temp Radiant System:Hydronic模块。置换通风采用综合送回风系统模型，详见图3。图3 地板辐射与置换通风系统图材料名称物理成份厚度（mm）密度（kg/m3）比热容(kj/kgk）导热系数(w/mk)传热系数(w/k)外墙水泥砂浆抹灰20180008370.9301.005砖墙17-240-1824018000.8790.814防潮层56001.4650.175沥青矿碴棉毡251500.7540.070隔汽层56001.4650.175钉板条及钢网抹灰207002.5120.209内墙水泥砂浆2018000.8370.9301.501加气混凝土1007000.8370.22水泥砂浆2018000.8370.930楼板水泥刨花板（二）257002.0100.1901.059钢筋混凝土8025000.8371.628聚苯乙烯泡沫塑料25301.3800.042外窗平板玻璃525000.840.762.009热流水平10mm161.161.0130.083平板玻璃525000.840.76内门橡木枫树7002.5100.1702.504表2 建筑材料热工参数表设计日参数按照采暖通风与空气调节设计规范中长沙地区的标准参数。房间舒适性模拟采用EnergyPlus提供的FangerPMV计算模型。3 模拟结果分析保持其他参数不变的情况下，改变辐射地板温度和送风温度，通过对能耗和舒适性的比较得出理想的设定值，研究表明，地板辐射供冷地板表面温度低于18时容易出现结露，因此地板表面温度设定取20和223。图4为地板表面温度为20和22时系统能耗和房间舒适性随送风温度变化的情况比较，如图所示，当送风温度相同时，地板表面温度为22时的能耗平均比地板表面为20的能耗低约50W；而当地板表面温度相同时，送风温度每降低1，能耗同样降低50W左右。可近似认为送风温度每降低1所增加的能耗与地板表面温度降低2的能耗相当。图4 地板表面温度为20和22时系统能耗和房间舒适性随送风温度变化Fanger PMV模型模拟得出的舒适性评价表明，地板温度在20-22之间，送风温度为23-26时，能够满足PMV在0.5范围内的舒适性标准。从图中可以看出，地板温度为20，送风温度为23时，PMV为负值，即此时人体感觉为偏凉，因此从节能的角度考虑，不宜采用这种形式。最舒适的设定状态是送风温度为24，地板温度为20。此时系统运行时的平均PMV值小于0.1，即99%的人都认为此时是舒服的。当送风温度变为25时，舒适性略有下降，但依然处在很理想的0.1，这两种情况和地板表面温度为22，送风温度为23的房间PMV值非常接近。采用能耗最低的搭配形式地板温度22，送风温度26时，房间平均PMV已接近0.5，即房间在有些时段可能出现不舒适的情况5。而能耗比房间PMV值在0.1左右的三种搭配形式下降100-150W，约合5%-7.5%。 进行能耗和舒适性的比较后，确定了4种在舒适性和节能性方面各有所长的设定状态，见表4。为了最后确定送风温度和地板设定温度，作者分别对这4种情况作了夏季运行能耗和舒适性的模拟。系统运行时间为8:00-18:00。室内状态Case1Case2Case3Case4地面温度（）20202222送风温度（）24252326送风相对湿度（%）50505050送风量（m3/h）300300300300人体散湿量(g/h)123123123123人体散热量(w/h)83838383表4 送风温度和地板温度设定状态图5的能耗模拟结果显示，Case4能耗比Case1低150W，而Case2和Case3的能耗非常接近，Case略高。这与前面综合模拟得出的结论是一致的。人体感觉从Case1到Case4逐渐偏热，如图6所示。Case1状态下，12点以前人体会出现偏凉的感觉，同样，Case2状态下，10点以前人体也会出现偏凉感觉。Case3状态图5 四种状态的日运行能耗比较下房间Fanger PMV值保持在0.3以内，能够提供较好的舒适度。Case4状态下，12点以后房间Fanger PMV值超过0.5，根据ISO7730推荐标准，房间不能达到舒适性要求。综合比较可得，系统处于Case3和Case2状态下，人体感觉舒适，能耗较低。而实际工程中此类系统的置换通风回路只采用表冷器对空气进行降温除湿处理，并无专门除湿装置，在夏季空气湿度较大的地区采用较低的送风温度能够更好的利用表冷器的除湿能力，降低地板结露的风险。Case3的地板温度较高而送风温度较低，因此Case3比Case2更能满足实际工程的要求，在进行系统设计时推荐采用地板温度22，送风温度23的设定值。图6 四种不同类型的日运行舒适性比较4 结论 作者运用EnergyPlus软件模拟比较了地板辐射供冷和置换通风系统处于不同送风温度和地板温度设定值运行时的能耗和房间Fanger PMV值。通过综合分析，得出了当送风温度为23，地板温度为22时系统既能保持较低能耗，又能满足舒适性有求，适宜在实际工程中采用的结论。参考文献1www.eere.energy.gov/buildings/energyplus2EnergyPlus Documentation Main Manu,Version 2.1,20073王子介.低温辐射供暖与供冷技术M.北京：机械工业出版社，2004.4余院生 张国伟. 地板辐射供冷与置换通风空调房间热环境模拟与分析.制冷空调与电力机械.20085朱颖心.建筑环境学M.北京：中国建筑工业出版社，2005.作者简介：李准，男，1984年10月出生，在读硕士研究生机 构：湖南大学土木工程学院；通讯地址：湖南大学天马公寓3-9-614#；E-mail: lizhun99