CN110057861A - 一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置及方法，涉及地板辐射空调系统技术领域。该装置采用带有空调系统的可变空间实验室；空调系统末端设置有混凝土核心式地板辐射系统，能够设置不同供水参数；可变空间实验室还设置有暖通空调自动控制系统、环境监测系统；环境监测系统包括热流片、HOBO温湿度自记仪、黑球温度计、热线风速仪以及室外气象站；本发明还提供采用该可变空间的实验装置进行房间热环境特性实验的方法。本发明提供的地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置及方法，能够方便快捷的研究在建筑空间高度变化情况下毛细管网地板辐射空调系统房间热环境变化规律。
Description
技术领域
本发明涉及地板辐射空调系统技术领域，尤其涉及一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置及方法。
背景技术
近年来，随着气温的不断升高，空调能耗在建筑能耗中占大部分，节约能源成为现阶段的主要任务。传统的空调系统不仅容易引起病态建筑综合症等亚健康病症，还容易引起细菌和疫病的传播。随着辐射供冷技术的快速发展，弥补了传统空调系统的不足。地板辐射空调系统将建筑体中嵌入流体管道，实现了空调末端与建筑本体的一体化设计。作为一种新型的空调末端形式，地板辐射供能系统以其节能、舒适及卫生等诸多优点在工程和学术界受到越来越多的关注。与传统的空调系统不同，传统空调末端系统以对流换热为主要传热方式，地板辐射空调系统直接作为建筑部件和建筑空间有机结合在一起，以建筑内部空间表面之间的辐射传热为主要传热方式，将建筑本身的传热过程和空调去除热量的过程相互耦合。辐射地板表面与其它建筑表面共同构成建筑内部空间，建筑空间高度参数的变化对辐射传热负荷有着不可忽视的影响。由于建筑空间高度参数变化对空调负荷的重要影响，只有在充分了解建筑空间高度参数变化对地板辐射空调系统传热理论影响的基础上，充分研究地板辐射空调系统中建筑空间高度参数变化对建筑传热过程的影响。国内外学者针对辐射供冷空调的研究主要集中在以下几个方面：(1)辐射供冷系统的供冷能力研究；(2)辐射供冷系统的舒适性；(3)研究新风量对室内热环境的影响；(4)供冷系统控制问题；而国内外研究学者对现有的辐射空调系统传热机理的研究主要集中在混凝土板构件热动态特性以及辐射负荷理论计算模型的研究，而很少涉猎对建筑空间高度参数变化角度对地板辐射空调系统的传热的分析及研究。目前的地板辐射空调体系中也缺少对建筑空间高度参数与地板辐射空调系统传热相结合的实验研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置及方法，利用可变空间实验室研究在建筑空间高度变化情况下毛细管网地板辐射空调系统房间热环境的变化规律。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一方面，本发明提供一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置，该装置采用带有空调系统的可变空间实验室；同时，可变空间实验室的空调系统末端设置有混凝土核心式地板辐射系统，能够设置不同供水参数；所述可变空间实验室还设置有暖通空调自动控制系统、环境监测系统，实现对地板辐射系统的供回水温度、流量参数以及可变空间实验室内外环境参数进行实时监测记录；所述地板辐射系统的供回水温度、流量参数采用热量表进行采集；所述环境监测系统包括对热流密度参数进行采集的热流片、对室内各高度空气温湿度参数进行采集的HOBO温湿度自记仪、对室内黑球温度和风速参数进行采集的黑球温度计和热线风速仪以及对室外空气温度、太阳辐射强度参数进行采集的室外气象站；所述铂电阻、热流片均与多通道数据采集器相连进行实时记录数据。
优选地，所述可变空间实验室包括可升降吊顶及多个空间模块，模块之间可任意组合，全尺寸地模拟不同进深、开间和朝向的房间；实验室外部设置有电动外遮阳装置，内部设置有手动调节的卷帘内遮阳，通过外部的电动调节和内部的手动调节来实现透明围护结构与不透明围护结构的转换。
优选地，所述可变空间实验空间尺寸为长12m、宽12m、高度可由9m每隔1m变化至3m；建筑外墙为low-e镀膜中空玻璃幕墙，外窗尺寸为5500mm×2000mm，内墙为200mm厚加气混凝土切块墙；吊顶为轻钢龙骨矿棉板。
优选地，所述可变空间实验室内外环境参数包括辐射地板表面温度、非供冷壁面表面温度；辐射地板热流密度、非供冷壁面热流密度；室内空气温度、黑球温度以及风速；室外空气温度、太阳辐射强度。
另一方面，本发明还提供一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验方法，包括以下步骤：
步骤1：开启免费水供冷系统；
本实验采用的装置依托于可变空间实验室，实验工况采用免费水直接供给毛细管网地板辐射末端供冷；
步骤2：将室外气象站搬到室外无遮挡处，便于接受阳光直射的地方；
步骤3：检查可变空间实验室的内外遮阳是否开启；
为了减少室外环境变化对室内热环境特性的影响，可变空间实验室外部采用外遮阳，内部采用内遮阳；
步骤4：在可变空间实验室布置温度测点和热流密度测点，并确保温度测点采用的铂电阻和热流密度测点采用的热流片粘贴紧实；
所述在可变空间实验室布置铂电阻和热流片测点的具体方法为：在可变空间实验室地板表面呈梅花点分布布置5个温度测点和5个热流密度测点；顶棚的温度测点同地面测点一致，热流密度测点位于中心位置；墙体壁面温度测点按照竖直方向距地面为0.5m从下至上每隔1m处布置温度测点；墙体壁面热流密度测点按照竖直方向距地面为1.5m从下至上每隔3m处布置热流密度测点；实验室的空气温度测点与地板表面测点相对应，中心测点竖直方向在距地面为0.5m依次向上每隔1m处布置温度测点，其余测点竖直方向在距地面为1.5m依次向上每隔3m处布置温度测点；
步骤5：检查多通道数据采集器、热量表网关的读数及存储是否正常，多通道数据采集器的每个通道数据值是否符合其正常取值范围，热量表的数据格式是否正常以及是否打开excel log记录；
步骤6：填写实验记录表，准确记录实验开始时间、灯光开启情况及实验人员进出情况；
步骤7：每隔一个小时进入可变空间实验室记录黑球温度计和热线风速仪的读数；
步骤8：实验结束时记录结束时间；
步骤9：回收单独放置的HOBO温湿度自记仪以及室外气象站，并对室外气象站进行充电；
步骤10：读取室外气象站、多通道数据采集器、热量表网关的数据，并录入相应文件夹；
步骤11：将地板辐射系统关闭；
步骤12：切换实验工况，先更改内墙的测点数量，再升降可变空间实验室的吊顶，改变实验室的高度，重新记录实验室内外环境参数。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置及方法，利用可变空间实验室，能够方便快捷的研究在建筑空间高度变化情况下毛细管网地板辐射空调系统房间热环境(温度、热流密度等)变化规律，通过上述方法结合理论计算探索空间设计参数对辐射换热量的修正方法，确定地板辐射换热量的空间尺寸适应范围。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的免费水直接供给毛细管网地板辐射系统末端供冷的示意图；
图4为本发明实施例提供的可变空间实验室布置温度测点和热流密度测点的示意图；
图5为本发明实施例提供的可变空间实验室地板表面温度、热流密度测点布置的示意图；
图6为本发明实施例提供的可变空间实验室室内空气温度测点布置的示意图；
图7为本发明实施例提供的可变空间实验室墙体壁面温度、热流密度测点布置的示意图，其中，(a)为墙体壁面温度测点分布，(b)为墙体壁面热流密度测点分布；
图8为本发明实施例提供的可变空间实验室室内空气温度随建筑空间高度的变化对比图；
图9为本发明实施例提供的可变空间实验室地板表面温度、热流密度随建筑空间高度变化对比图，其中，(a)为地板表面温度随着建筑空间高度的变化；(b)为地板表面热流密度随着建筑空间高度的变化；
图10为本发明实施例提供的可变空间实验室围护结构表面温度、热流密度随建筑空间高度变化的对比图，其中，(a)为顶棚表面温度随着建筑空间高度的变化，(b)为顶棚表面热流密度随着建筑空间高度的变化，(c)为东外墙表面温度随着建筑空间高度的变化，(d)为东外墙表面热流密度随着建筑空间高度的变化，(e)为西内墙表面温度随着建筑空间高度的变化，(f)为西内墙表面热流密度随着建筑空间高度的变化。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例以某可变空间实验室为例，使用本发明的一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置和方法对该可变空间实验室的热环境特性进行实验研究。
一方面，本发明提供一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置，如图1所示，该装置采用带有空调系统的可变空间实验室；所述可变空间实验室包括可升降吊顶及多个空间模块，模块之间可任意组合，全尺寸地模拟不同进深、开间和朝向的房间；实验室外部设置有电动外遮阳装置，内部设置有手动调节的卷帘内遮阳，通过外部的电动调节和内部的手动调节来实现透明围护结构与不透明围护结构的转换；所述可变空间实验空间尺寸为长12m、宽12m、高度可由9m每隔1m变化至3m；建筑外墙为low-e镀膜中空玻璃幕墙，外窗尺寸为5500mm×2000mm，内墙为200mm厚加气混凝土切块墙；吊顶为轻钢龙骨矿棉板。同时，可变空间实验室的空调系统末端设置有混凝土核心式地板辐射系统，能够设置不同供水参数；所述可变空间实验室还设置有暖通空调自动控制系统、环境监测系统，实现对地板辐射系统的供回水温度、流量参数以及可变空间实验室内外环境参数进行实时监测记录；所述地板辐射系统的供回水温度、流量参数采用热量表进行采集；所述环境监测系统包括对热流密度参数进行采集的热流片、对室内各高度空气温湿度参数进行采集的HOBO温湿度自记仪、对室内黑球温度和风速参数进行采集的黑球温度计和热线风速仪以及对室外空气温度、太阳辐射强度参数进行采集的室外气象站；所述铂电阻、热流片均与多通道数据采集器相连进行实时记录数据。所述可变空间实验室内外环境参数包括辐射地板表面温度、非供冷壁面表面温度；辐射地板热流密度、非供冷壁面热流密度；室内空气温度、黑球温度以及风速；室外空气温度、太阳辐射强度。
另一方面，本发明还提供一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：开启免费水供冷系统；
本实验采用的装置依托于可变空间实验室，实验工况采用免费水直接供给毛细管网地板辐射末端供冷，如图3所示；
步骤2：将室外气象站搬到室外无遮挡处，便于接受阳光直射的地方；
步骤3：检查可变空间实验室的内外遮阳是否开启；
为了减少室外环境变化对室内热环境特性的影响，可变空间实验室外部采用外遮阳，内部采用内遮阳；
步骤4：在可变空间实验室布置温度测点和热流密度测点，如图4所示，并确保温度测点采用的铂电阻和热流密度测点采用的热流片粘贴紧实；
所述在可变空间实验室布置铂电阻和热流片测点的具体方法为：在可变空间实验室地板表面呈梅花点分布布置5个温度测点和5个热流密度测点；顶棚的温度测点同地面测点一致，热流密度测点位于中心位置；墙体壁面温度测点按照竖直方向距地面为0.5m从下至上每隔1m处布置温度测点；墙体壁面热流密度测点按照竖直方向距地面为1.5m从下至上每隔3m处布置热流密度测点；实验室的空气温度测点与地板表面测点相对应，中心测点竖直方向在距地面为0.5m依次向上每隔1m处布置温度测点，其余测点竖直方向在距地面为1.5m依次向上每隔3m处布置温度测点；
步骤5：检查多通道数据采集器、热量表网关的读数及存储是否正常，多通道数据采集器的每个通道数据值是否符合其正常取值范围，热量表的数据格式是否正常以及是否打开excel log记录；
步骤6：填写实验记录表，准确记录实验开始时间、灯光开启情况及实验人员进出情况；
步骤7：每隔一个小时进入可变空间实验室记录黑球温度计和热线风速仪的读数；
步骤8：实验结束时记录结束时间；
步骤9：回收单独放置的HOBO温湿度自记仪以及室外气象站，并对室外气象站进行充电；
步骤10：读取室外气象站、多通道数据采集器、热量表网关的数据，并录入相应文件夹；
步骤11：将地板辐射系统关闭；
步骤12：切换实验工况，先更改内墙的测点数量，再升降可变空间实验室的吊顶，改变实验室的高度，重新记录实验室内外环境参数。
本实施例中，该可变空间实验室大空间环境舱净高9米，吊顶高度可从9米连续变化至地面；长宽各24米，分为16个“6m×6m”的空间模块，模块之间可任意组合，全尺寸地模拟不同进深、开间和朝向的房间。
本实施例中的实验设计工况如表1。为了避免室外环境对室内热环境的影响，本实施例中采用内遮阳、外遮阳全部开启，并且在玻璃上贴上遮光布；本实验采用辐射供冷模式，实验工况如表1所示。
表1实验工况
| 工况 | 尺寸 | 遮阳 | 地板辐射系统 |
| 1 | 12*12*9 | 全遮阳 | 辐射供冷 |
| 2 | 12*12*8 | 全遮阳 | 辐射供冷 |
| 3 | 12*12*7 | 全遮阳 | 辐射供冷 |
| 4 | 12*12*6 | 全遮阳 | 辐射供冷 |
| 5 | 12*12*5 | 全遮阳 | 辐射供冷 |
| 6 | 12*12*4 | 全遮阳 | 辐射供冷 |
| 7 | 12*12*3 | 全遮阳 | 辐射供冷 |
实验所测试的内容如表2所示。本实施例主要研究在建筑空间高度变化情况下毛细管网地板辐射空调系统房间热环境(温度、热流密度等)变化规律。主要测试内容包括辐射地板表面温度、非供冷壁面表面温度；辐射地板热流密度、非供冷壁面热流密度；室内空气温度、黑球温度以及风速；室外空气温度、太阳辐射强度。
表2实验测试内容
表3实验设备及数量
| 设备名称 | 设备数量 | 设备名称 | 设备数量 |
| 多通道数据采集器 | 1 | 小型气象站 | 1 |
| 黑球温度计 | 1 | 热线风速仪 | 1 |
| HOBO温湿度自记仪 | 26 | 升降平台 | 1 |
| 热流片及变送器 | 12 | 铂电阻及变送器 | 32 |
| 热量表 | 1 |
实验方案如下：实验于4月过渡季进行，室外气温变化不大，建筑空间高度工况分别为3m、4m、5m、6m、7m、8m和9m，设计供回水温度为15-19℃，温差2-3℃。实验房间地板表面温度、热流密度，非供冷表面温度、热流密度，室外空气温度及太阳辐射量，系统供回水温度、温差及流量，室内黑球温度及风速。温度、热流密度等参数测试时间间隔均为1min；实验期间，两侧相邻房间均为供冷房间，实验人员1人，每隔1小时进入房间读取黑球温度计及热线风速仪读数。
实验测点布置如下：
(1)地板表面温度、热流密度测点各5个(A、B、C、D、E)如图5所示，呈梅花点分布。
(2)室内空气温度测点布置如图6。在图5中A、B、C、D、E测点位置上，C测点竖直方向在距地面为0.5m依次向上每隔1m处布置温度测点，A、B、D、E测点竖直方向在距地面为1.5m依次向上每隔3m处布置温度测点。
(3)顶棚的温度测点同地面测点，热流密度测点在与C点对称的位置上。
(4)墙体壁面温度、热流密度测点按照竖直方向在距地面为0.5m从下至上每隔1m处布置温度测点，每3个温度测点中心布置一个热流密度测点如图7。
本实施例最后得出在建筑空间高度变化情况下毛细管网地板辐射空调系统房间热环境(温度、热流密度等)变化规律如下：
1)室内空气温度变化
如图8所示，由图8可知，建筑空间高度为3m、4m、5m、6m、7m、8m和9m工况下的室内空气温度随着建筑空间高度的升高而升高，呈明显的递增趋势变化，由于室外因素的影响，每一个空间高度下室内空气温度曲线走势略有差别。
2)地板表面温度、热流密度变化
如图9所示，在图9(a)中可见，在建筑空间高度为3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m的每个工况下地板表面温度先迅速降温再趋于平稳，呈线性趋势变化。地板表面温度随着建筑空间高度的升高而升高，呈明显的递增趋势变化。在图9(b)中可见，在建筑空间高度为3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m的每个工况下地板表面热流密度先迅速增加，在12:00时之后缓慢增加达到17:00时缓慢下降，地板表面热流密度随着建筑空间高度的升高而升高，呈明显的递增趋势变化。
3)非供冷壁面表面温度、热流密度变化
如图10所示，在图10中，在建筑空间高度为3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m的工况下，非供冷壁面表面温度及热流密度随着空间高度的升高而增加，呈现明显的递增趋势。图10(a)中可见，在建筑空间高度为3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m的每个工况下，各个工况变化趋势相近，顶棚表面温度先升高在下降，顶棚表面温度随着建筑空间高度的升高而升高，呈明显的递增趋势变化。图10(b)中可见，在建筑空间高度为3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m的每个工况下，各个工况变化趋势相近，顶棚表面热流密度先迅速升高在下降，顶棚表面热流密度随着建筑空间高度的升高而升高，呈明显的递增趋势变化。图10(c)中可见，在建筑空间高度为3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m的每个工况下，各个工况变化趋势相近，东外墙表面温度先升高在下降，由于阳光照射的原因东外墙表面温度在11:00左右达到峰值，东外墙表面温度随着空间高度的升高而升高，呈明显的递增趋势变化。图10(d)中可见，在建筑空间高度为3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m的每个工况下，各个工况变化趋势相近，东外墙表面热流密度先迅速升高在下降，由于阳光照射的原因东外墙表面热流密度在11:00左右达到峰值，东外墙表面热流密度随着空间高度的升高而升高，呈明显的递增趋势变化。图10(e)中，可见在建筑空间高度为3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m的每个工况下，各个工况变化趋势相近，西内墙表面温度先升高在下降，西外墙表面温度随着空间高度的升高而升高，呈明显的递增趋势变化。图10(f)中可见，在建筑空间高度为3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m的每个工况下，各个工况变化趋势相近，西外墙表面热流密度先迅速升高在下降，西外墙表面热流密度随着空间高度的升高而升高，呈明显的递增趋势变化。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (6)
1.一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置，其特征在于：该装置采用带有空调系统的可变空间实验室；同时，可变空间实验室的空调系统末端设置有混凝土核心式地板辐射系统，能够设置不同供水参数；所述可变空间实验室还设置有暖通空调自动控制系统、环境监测系统，实现对地板辐射系统的供回水温度、流量参数以及可变空间实验室内外环境参数进行实时监测记录；所述地板辐射系统的供回水温度、流量参数采用热量表进行采集；所述环境监测系统包括对热流密度参数进行采集的热流片、对室内各高度空气温湿度参数进行采集的HOBO温湿度自记仪、对室内黑球温度和风速参数进行采集的黑球温度计和热线风速仪以及对室外空气温度、太阳辐射强度参数进行采集的室外气象站；所述铂电阻、热流片均与多通道数据采集器相连进行实时记录数据。
2.根据权利要求1所述的一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置，其特征在于：所述可变空间实验室包括可升降吊顶及多个空间模块，模块之间可任意组合，全尺寸地模拟不同进深、开间和朝向的房间；实验室外部设置有电动外遮阳装置，内部设置有手动调节的卷帘内遮阳，通过外部的电动调节和内部的手动调节来实现透明围护结构与不透明围护结构的转换。
3.根据权利要求1所述的一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置，其特征在于：所述可变空间实验空间尺寸为长12m、宽12m、高度可由9m每隔1m变化至3m；建筑外墙为low-e镀膜中空玻璃幕墙，外窗尺寸为5500mm×2000mm，内墙为200mm厚加气混凝土切块墙；吊顶为轻钢龙骨矿棉板。
4.根据权利要求1所述的一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验装置，其特征在于：所述可变空间实验室内外环境参数包括辐射地板表面温度、非供冷壁面表面温度；辐射地板热流密度、非供冷壁面热流密度；室内空气温度、黑球温度以及风速；室外空气温度、太阳辐射强度。
5.一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验方法，采用权利要求1所述的实验装置进行实验，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：开启免费水供冷系统；
本实验采用的装置依托于可变空间实验室，实验工况采用免费水直接供给毛细管网地板辐射末端供冷；
步骤2：将室外气象站搬到室外无遮挡处，便于接受阳光直射的地方；
步骤3：检查可变空间实验室的内外遮阳是否开启；
为了减少室外环境变化对室内热环境特性的影响，可变空间实验室外部采用外遮阳，内部采用内遮阳；
步骤4：在可变空间实验室布置温度测点和热流密度测点，并确保温度测点采用的铂电阻和热流密度测点采用的热流片粘贴紧实；
步骤5：检查多通道数据采集器、热量表网关的读数及存储是否正常，多通道数据采集器的每个通道数据值是否符合其正常取值范围，热量表的数据格式是否正常以及是否打开excel log记录；
步骤6：填写实验记录表，准确记录实验开始时间、灯光开启情况及实验人员进出情况；
步骤7：每隔一个小时进入可变空间实验室记录黑球温度计和热线风速仪的读数；
步骤8：实验结束时记录结束时间；
步骤9：回收单独放置的HOBO温湿度自记仪以及室外气象站，并对室外气象站进行充电；
步骤10：读取室外气象站、多通道数据采集器、热量表网关的数据，并录入相应文件夹；
步骤11：将地板辐射系统关闭；
步骤12：切换实验工况，先更改内墙的测点数量，再升降可变空间实验室的吊顶，改变实验室的高度，重新记录实验室内外环境参数。
6.根据权利要求5所述的一种地板辐射空调系统的房间热环境特性实验方法，其特征在于：步骤4所述在可变空间实验室布置铂电阻和热流片测点的具体方法为：在可变空间实验室地板表面呈梅花点分布布置5个温度测点和5个热流密度测点；顶棚的温度测点同地面测点一致，热流密度测点位于中心位置；墙体壁面温度测点按照竖直方向距地面为0.5m从下至上每隔1m处布置温度测点；墙体壁面热流密度测点按照竖直方向距地面为1.5m从下至上每隔3m处布置热流密度测点；实验室的空气温度测点与地板表面测点相对应，中心测点竖直方向在距地面为0.5m依次向上每隔1m处布置温度测点，其余测点竖直方向在距地面为1.5m依次向上每隔3m处布置温度测点。
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2019
- 2019-04-11 CN CN201910287472.2A patent/CN110057861A/zh active Pending
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