基于人体换热的多辐射壁面建筑室内冷负荷特性与能耗优化研究

Radiant cooling systems are superior to convective air conditioning systems in terms of comfort and efficiency, which raises the increasing concern of researchers as well as the relevant studies. Nonetheless, due to the lack of comprehensive studies on the combined effect of both radiant surfaces and indoor air on the heat transfer and the comfort of human bodies, the effect of heat transfer between human bodies and radiant surfaces is not well explored or included in the building cooling load calculation. The main contents of this project includes: (1) the combined effect of multiple radiant surfaces and indoor air on the heat transfer and the comfort of human bodies; (2) the steady-state building cooling load with multiple radiant surfaces and the corresponding calculation method; (3) the dynamic-state building cooling load with multiple radiant surfaces and the corresponding calculation method; (4) The energy optimization of radiant cooling systems under the effects of crucial cooling load parameters of multiple radiant surfaces.This project, which combines theoretical analyses, computational simulations and experiments, aims to improve the accuracy of cooling load calculation method for the buildings with multiple radiant surfaces, as well as to propose the new approach to the design and the improvement of comfort and efficiency of radiant air conditioning systems, thus finally promoting the wild application.

相比传统对流空调系统，辐射空调系统具有舒适性和节能性等优势，因此众多学者对辐射空调系统十分关注并开展了相关研究。然而，由于没有综合地分析多辐射壁面及空气对流对建筑室内人员换热及舒适的综合作用，在对多辐射壁面条件下建筑冷负荷研究时，未能明确人体与辐射壁面换热对建筑冷负荷的影响，相关的辐射空调建筑冷负荷计算方法等也不完善。本项目主要研究内容包括：（1）多辐射壁面与空气对流对人体换热及舒适性的综合作用；（2）多辐射壁面换热环境稳态建筑冷负荷特性及计算方法；（3）多辐射壁面作用下动态建筑冷负荷特性及计算方法；（4）多辐射壁面冷负荷特性参数影响下辐射空调系统能耗优化。本项目通过理论分析、模拟计算与实验研究，将提高多辐射壁面建筑冷负荷计算的准确性，并将为辐射空调系统的优化设计及其综合“舒适-节能”效益的提高提供新方法，最终推动辐射空调系统的广泛应用。

主要研究成果：（1）提出了新型太阳辐射作用下人体得热模型（HNU模型），对于室内特定的位置，可以获得每年的平均辐射温度变化情况，有利于多辐射壁面空调的冷热负荷计算。（2）建立了基于热电类比法的建筑墙体瞬态传热全响应模型，提高了热电模拟电阻电容(RC)网络模型的适应性，为多系统传热研究提供了理论依据。（3）量化了遮挡对人体和辐射壁面之间角系数的影响，提出了一种无遮挡面、有单个、多个遮挡面条件下的人体对壁面的角系数简化计算方法。（4）研究了自然景观和日光对热感知、健康和节能潜力的短期影响。结果表明，太阳直射能提高偏冷环境的人员热感觉，且对情绪有积极的影响；视野窗提高了受试者对热环境的容忍范围，具有降低暖通空调系统设置点温度1.21℃的节能潜力。（5）开展了空气层防结露研究，发现红外半透明膜可以有效改善辐射末端的结露问题，并给出了不同相对湿度条件下选择红外半透明膜的参数参考范围。（6）针对对流屏蔽对辐射冷却板的热性能优化问题进行研究，发现在使用了红外半透明膜的辐射末端提供最大制冷量时，气隙厚度不应小于5mm，在空间允许的范围内，应选择较大的气隙厚度。