司　強　 徐國英　 張小松

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)

為了提供符合標準的室內(nèi)舒適環(huán)境,建筑物的空調(diào)系統(tǒng)需要消耗大量能源．隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和人們對舒適環(huán)境的需求越來越高,建筑能耗占到了總能耗的26%．目前,具有高舒適性和能效的輻射空調(diào)系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用于新型商業(yè)建筑和公寓[1]．

輻射空調(diào)的高能效受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注.Hao等[2]研究了結(jié)合干燥劑除濕下冷吊頂?shù)哪芎?發(fā)現(xiàn)耦合系統(tǒng)在熱濕氣候下與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比,通過采用蒸發(fā)冷源可以節(jié)能80%,同時能為居住者提供更高的舒適性[3-4],其中一個重要原因是輻射空調(diào)能大幅度減少室內(nèi)吹風(fēng)感．由于輻射空調(diào)僅處理室內(nèi)顯熱負荷,室內(nèi)的濕負荷需要單獨的除濕系統(tǒng)來處理．因此,為了提高室內(nèi)舒適性同時防止結(jié)露,室內(nèi)濕度控制對于輻射空調(diào)系統(tǒng)來說十分重要．對于防結(jié)露的研究主要集中于控制策略和輻射板的結(jié)露特性,Song等[5]提出了結(jié)合除濕通風(fēng)來預(yù)防結(jié)露的輻射地板系統(tǒng),并提出系統(tǒng)對于負荷變化的響應(yīng)能力需要改進．Tang等[6]通過實驗研究了金屬輻射板的結(jié)露現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)一定壓力下冷凝水的溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的差值,即過冷度(SCD)低于3 ℃時,輻射板表面形成結(jié)露所需的時間超過10 h．Xia等[7]對輻射吊頂結(jié)合送風(fēng)設(shè)備的綜合系統(tǒng)進行了系統(tǒng)概念、傳熱特性、結(jié)露控制、能耗和舒適性等多方面的研究．Zhang等[8]實驗研究了安裝傾斜鋁翅片的懸浮金屬輻射板的制冷和供暖性能,并得出了輻射和對流傳熱處理的負荷比例．

輻射誘導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)是一種輻射空調(diào)和送風(fēng)的新型耦合系統(tǒng),具有系統(tǒng)簡單、容易控制和更有效防止結(jié)露等優(yōu)勢[9-10]．本文研究了作為輻射誘導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)末端的輻射誘導(dǎo)器的結(jié)露現(xiàn)象．從理論上分析了開孔輻射板表面附近結(jié)露和對流的相似性,將結(jié)露過程中通過實驗和理論分析得出的傳質(zhì)系數(shù)回歸成舍伍德數(shù)和瑞利數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系式．通過實驗得出了輻射誘導(dǎo)器在不同工況下的臨界結(jié)露溫度和結(jié)露速率,從而得出對輻射誘導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)和改變室內(nèi)熱環(huán)境速度的要求．據(jù)此研究輻射誘導(dǎo)空調(diào)在普通辦公室,即非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的啟動和運行特性,并依據(jù)實驗數(shù)據(jù),得出優(yōu)化的啟動控制策略．

1　實驗系統(tǒng)

1.1　系統(tǒng)描述

實驗系統(tǒng)建于6.5 m×6 m×2.6 m 的辦公室內(nèi)．墻面為蒸壓加氣混凝土砌塊,表面為薄抹灰．地板為擠塑聚苯乙烯保溫板．北墻裝有采光窗．圖1為輻射誘導(dǎo)空調(diào)的末端設(shè)備輻射誘導(dǎo)器．實驗室內(nèi)共裝有8臺輻射誘導(dǎo)器且均可以獨立控制,本文選用面積為2 m2的4臺進行研究．該設(shè)備的箱體上部接靜壓箱,內(nèi)部有誘導(dǎo)風(fēng)道、混合室和底部的開孔輻射板等部件．開孔輻射板上安裝有換熱盤管．輻射誘導(dǎo)器除了以水為工質(zhì)的普通輻射空調(diào)運行模式外,還有以空氣為工質(zhì)的全空氣運行模式．其運行原理為,來自空氣處理機組的一次風(fēng)通過靜壓箱的條形噴嘴送入混合室內(nèi),從而在噴嘴和混合室入口之間形成負壓,誘導(dǎo)室內(nèi)回風(fēng)通過輻射板兩側(cè)的誘導(dǎo)回風(fēng)口通過誘導(dǎo)風(fēng)道進入混合室內(nèi)與一次風(fēng)混合．由于一次風(fēng)與室內(nèi)誘導(dǎo)回風(fēng)混合后還要與輻射板換熱,因此相比誘導(dǎo)比(誘導(dǎo)進混合室的室內(nèi)回風(fēng)量與一次風(fēng)量之比)在3～5左右的冷梁系統(tǒng),輻射誘導(dǎo)器采用了誘導(dǎo)比在1以下的條形噴口,從而保持了混合空氣與輻射板的換熱溫差,同時減少了送風(fēng)阻力和噪音．混合空氣與開孔輻射板換熱后通過輻射板上的送風(fēng)孔進入室內(nèi)．

圖1　輻射誘導(dǎo)器剖面圖

圖2為實驗系統(tǒng),除了安裝于辦公室內(nèi)的輻射誘導(dǎo)器外,系統(tǒng)還包括空氣處理機組和采用非共沸混合制冷劑的雙蒸發(fā)器制冷機組,該機組制冷時可提供7～17 ℃的冷凍水．機組內(nèi)安裝有低溫蒸發(fā)器和高溫蒸發(fā)器,兩者可以分別連接至需要較低溫度冷凍水的分段式空氣處理機組和需要較高溫度冷凍水的輻射誘導(dǎo)器的換熱盤管．并且通過閥門切換，可以將通過高溫套管式蒸發(fā)器和低溫套管式蒸發(fā)器連續(xù)蒸發(fā)換熱所得的低溫冷凍水連續(xù)通過分段式空氣處理機組的表冷段和輻射誘導(dǎo)器的換熱盤管,同時達到冷卻除濕的效果．

1.2　數(shù)據(jù)采集

對于房間內(nèi)存在溫度分層的空調(diào)系統(tǒng),為保證室內(nèi)人員的舒適性要求,需要對2 m以下工作區(qū)內(nèi)人員的頭部和腳踝處的溫度加以控制．其中腳踝和頭部的高度分別為0.1和1.7 m,人員坐下時頭部的高度一般為1.1 m．實驗室設(shè)置了4根直桿(直桿1～直桿4)并每根設(shè)置12個測點,以測量各工況下實驗室內(nèi)豎直溫度分布,包括高度為0.1,1.1,1.7 m和3種高度之間各3個,以及距開孔輻射板150 mm的3個．對于圍護結(jié)構(gòu)的壁面溫度分別取工作區(qū)高度2 m 以下3種高度測量．地面和天花板分別設(shè)有4個溫度測點．溫度傳感器采用型號為PT-100熱電偶,具體測點分布及測點高度如圖3所示．

1—輻射誘導(dǎo)器;2—空氣處理機組;3—雙蒸發(fā)器制冷機組;4—膨脹水箱;5—空氣處理機組循環(huán)水泵;6—輔助電加熱器;7—電子流量控制閥;8—末端循環(huán)水泵;9—上部回風(fēng)口;10—下部回風(fēng)口;11—回風(fēng)負壓風(fēng)機;V1～V11—閥門

圖2實驗系統(tǒng)圖

圖3　實驗室內(nèi)測點分布

對于輻射誘導(dǎo)器開孔輻射板的結(jié)露工況及其附近的熱環(huán)境,采用露點傳感器測試露點溫度．當(dāng)室內(nèi)溫度進入穩(wěn)定狀態(tài),用吸水紙采集1 h內(nèi)輻射板表面形成的露水，并用精度為0.01 g的電子分析天平稱重，以測量結(jié)露速度．由結(jié)露速度和露點傳感器所得環(huán)境空氣下和輻射板表面溫度下的水蒸氣質(zhì)量分數(shù)可計算得出傳質(zhì)系數(shù),通過傳質(zhì)系數(shù)結(jié)合實驗數(shù)據(jù)即可得出傳質(zhì)分析所需的舍伍德數(shù)Shc.

2　理論分析

2.1　熱質(zhì)傳遞的類比

結(jié)露現(xiàn)象是一個傳熱傳質(zhì)過程，為了得出各無因次量綱之間的關(guān)系，本文對其進行理論分析.設(shè)平行于紙平面的輻射誘導(dǎo)器的開孔輻射板部件長度為L.當(dāng)輻射板表面溫度Tp,i小于露點溫度Td時，發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象.由于干冷空氣密度大于熱濕空氣，干冷空氣會沉降而熱濕空氣會上升.因此結(jié)露過程同時受送入室內(nèi)混合空氣的強制對流及熱量和質(zhì)量擴散帶來的綜合浮力所引起自然對流的影響.設(shè)環(huán)境氣溫為T∞，環(huán)境水蒸氣質(zhì)量分數(shù)為ω∞；輻射板表面某節(jié)點溫度為Ti，水蒸氣質(zhì)量分數(shù)為ωi.假設(shè)忽略平面上不可壓縮流體的自然對流層流的黏性耗散，并假設(shè)流體性質(zhì)不變.在布辛涅斯克近似(Boussinesq approximation)簡化條件下所得如下質(zhì)量守恒、沖量守恒和能量守恒以及水蒸氣質(zhì)量守恒的控制方程[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，v為空氣速度,m/s;ρ為密度,kg/m3;p為壓力,Pa;μ為動力黏度,Pa·s;g為重力加速度, m/s2；α為擴散系數(shù)，m2/s;D為質(zhì)量擴散系數(shù)，m2/s;t為時間.

空氣密度的變化ρi-ρ∞表征了環(huán)境空氣和輻射板表面之間溫濕度差的聯(lián)合作用，該作用決定了對流流動產(chǎn)生的浮力.在給定的高度下壓力對空氣密度的影響可以忽略，但是需要考慮溫度和質(zhì)量分數(shù)變化時影響的線性項，即

ρ∞-ρ=ρβ(T-T∞)+ρβ*(ω-ω∞)

(5)

式中，β為空氣體積膨脹系數(shù)；β*為空氣質(zhì)量分數(shù)變化時的膨脹系數(shù).表達式為

(6)

由于全空氣模式下的輻射誘導(dǎo)器僅以空氣為工質(zhì)，因此控制方程中可將路易斯數(shù)(流體的擴散系數(shù))近似看作為1，即Le=1[12].熱量和質(zhì)量轉(zhuǎn)移類比可由無量綱分析推導(dǎo)所得.

首先將方程(2)中的壓力項分離為對流區(qū)域內(nèi)的氣流動壓pm和靜壓ph兩部分.然后將各項無因次化，并將方程(5)中的密度項線性化后，將控制方程轉(zhuǎn)換成無因次形式，即

(7)

(8)

(9)

(10)

θ(τ,X,Y)=ω(τ,X,Y)

(11)

Nu=Sh

(12)

又因為θ=ω，無因次動量守恒方程(8)可轉(zhuǎn)化為

(13)

根據(jù)控制方程和邊界初始條件，θ和Gr可反映綜合浮力效應(yīng)θGr，因而可將熱質(zhì)耗散的綜合浮力效應(yīng)產(chǎn)生的對流計算轉(zhuǎn)換成通用的對流計算.因此，結(jié)露過程和舍伍德數(shù)的關(guān)系與對流過程和努塞爾特數(shù)的關(guān)系相同.

熱量和質(zhì)量轉(zhuǎn)移類比可由式(12)表示，其中

(14)

(15)

式中，h為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；hm為傳質(zhì)系數(shù)，mm/s.

大多數(shù)傳熱相關(guān)關(guān)系式中，努塞爾特數(shù)與瑞利數(shù)之間的關(guān)系通常用如下冪函數(shù)表示[14-16]：

Nu=CRan

(16)

Ra=GrPr

(17)

(18)

式中，C為冪函數(shù)系數(shù).結(jié)露時舍伍德數(shù)也可以用瑞利數(shù)的冪函數(shù)表示，即

Sh=CRan

(19)

在對流傳熱中，空氣密度的變化僅受溫度影響.但是，由式(5)可以看出，在發(fā)生結(jié)露時，空氣密度同時受溫度和濕度的影響.

2.2　傳質(zhì)系數(shù)的計算

開孔輻射板表面的結(jié)露速率可由實驗得出.傳質(zhì)系數(shù)作為影響結(jié)露速率的重要參數(shù)可由2種方法得出.

1) 由于輻射板表面的結(jié)露速率m可由傳質(zhì)系數(shù)表示為

m=hmρ∞(ω∞-ωi)

(20)

因此，傳質(zhì)系數(shù)可由下式求得：

(21)

另外，由Nu=Sh和Le=1可得結(jié)露時劉易斯關(guān)系式為

(22)

式中，ρa，cp,a為空氣的密度和比熱.

2) 在環(huán)境溫度與輻射板表面附近飽和空氣之間的焓差中包含了對流換熱的動力，因此傳質(zhì)系數(shù)也可由輻射板的能量平衡關(guān)系式求得，即

(23)

式中，qt為輻射誘導(dǎo)器的總換熱量，W；qc為輻射誘導(dǎo)器的對流換熱量，W；qr為輻射誘導(dǎo)器的輻射換熱量，W；i∞為環(huán)境空氣焓值，kJ/kg;ii為輻射極表面空氣焓值kJ/kg.qt可由雙蒸發(fā)器制冷機組所提供的冷凍水的供回水溫差求得，即

qt=ερwcp,wG(Tout-Tin)-ql

(24)

式中，ε為空氣處理機組換熱器換熱效率；cp,w為冷冰水比熱，J/(kg·℃);Tin,Tout為冷冰室進、出口溫度；ql為風(fēng)管沿程熱損，W.由于空氣處理機組與實驗室僅相隔一面墻，一次送風(fēng)管很短，風(fēng)管內(nèi)一次風(fēng)溫度幾乎不變，因此ql忽略不計.其中輻射換熱量qr可根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann law)由輻射板表面及其周圍環(huán)境計算求得.

3　實驗結(jié)果與分析

3.1　結(jié)露速率與傳質(zhì)分析

3.1.1結(jié)露速率和傳質(zhì)系數(shù)

相比傳統(tǒng)輻射板,輻射誘導(dǎo)器在開孔輻射板附近形成的空氣層使其在相同條件下結(jié)露溫度更低,因而具有更好的防結(jié)露性能,其結(jié)露溫度主要受一次風(fēng)溫度和一次風(fēng)量的影響[9]．當(dāng)輻射誘導(dǎo)器在結(jié)露工況下運行時,定義結(jié)露速率為發(fā)生結(jié)露時結(jié)露表面單位時間內(nèi)產(chǎn)生露珠的質(zhì)量．首先通過實驗研究輻射誘導(dǎo)器的開孔輻射板在結(jié)露情況下的傳熱能力,從而測得傳熱性能隨過冷度的變化．圖4為傳熱能力隨著過冷度變化的曲線圖．可以看出,當(dāng)一次風(fēng)量不變時輻射板表面溫度下降,總傳熱量隨之增加．這是由于輻射板附近的飽和濕空氣與環(huán)境空氣之間的焓差隨過冷度增加．輻射板的總傳熱量隨著過冷度的增加由100 W/m2增加至接近200 W/m2,這是因為其中很大一部分傳熱量會用于維持結(jié)露產(chǎn)生的露珠從而造成浪費．隨著送風(fēng)量的增加,傳熱量的變化規(guī)律相似．但是最高傳熱量出現(xiàn)在低一次風(fēng)量和高過冷度的狀態(tài)下,可見室內(nèi)熱環(huán)境達到穩(wěn)定狀態(tài)后,影響輻射板換熱性能的主要是一次風(fēng)溫度．

圖4　傳熱能力隨著過冷度變化曲線圖

本文采用傳質(zhì)的相關(guān)性來分析輻射板表面的結(jié)露速率．根據(jù)實驗結(jié)果,將在環(huán)境溫度34 ℃、相對濕度65%時輻射板表面的結(jié)露相關(guān)參數(shù)整理如圖5和圖6所示．從圖5可以看出,傳質(zhì)系數(shù)隨著過冷度增加而略有上升．并且隨著一次風(fēng)量上升,結(jié)露速率上升幅度逐漸增加．圖6顯示結(jié)露速率隨著過冷度近似線性增長．與傳質(zhì)系數(shù)相似,其上升幅度也隨著一次風(fēng)量上升而逐漸增加．對于輻射空調(diào)的結(jié)露預(yù)防和控制策略來說,結(jié)露速率是一個基本參數(shù),它直接影響輻射板表面露珠對室內(nèi)環(huán)境的影響程度．在室內(nèi)熱環(huán)境達到穩(wěn)定狀態(tài)時,大風(fēng)量更容易產(chǎn)生高結(jié)露速率,使得系統(tǒng)的控制難度增加．

圖5　傳質(zhì)系數(shù)與過冷度之間的關(guān)系

圖6　結(jié)露速率與過冷度之間的關(guān)系

3.1.2傳質(zhì)分析

用于描述傳質(zhì)系數(shù)的無因次項包括瑞利數(shù)Ra、舍伍德數(shù)Sh和施密特數(shù)Sc.不同尺寸的輻射板的傳質(zhì)系數(shù)和相對空氣密度變化可以用無因次瑞利數(shù)Ra和舍伍德數(shù)Sh表述.由于對輻射誘導(dǎo)器來說，空氣為唯一工質(zhì)，因此舍伍德數(shù)Sh和施密特數(shù)Sc之間的關(guān)系在此不予討論.本文采用實驗采集法和平衡計算法得出傳質(zhì)系數(shù).實驗采集法的舍伍德數(shù)記為Shc，平衡計算法的舍伍德數(shù)記為Shb.Shb由式(24)求得的hm代入式(15)得出.圖7給出了舍伍德數(shù)Sh和瑞利數(shù)Ra的關(guān)系曲線.由回歸分析得出舍伍德數(shù)Sh和瑞利數(shù)Ra之間為冪函數(shù)關(guān)系，這與對流過程中的奴塞爾特數(shù)Nu和瑞利數(shù)Ra相似，即

Sh=0.180 3Ra0.340 1

(25)

對比以上2種傳質(zhì)系數(shù)計算方法的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者吻合較好，誤差最大為15.3%.通過結(jié)露采集方法所得出的傳質(zhì)系數(shù)大部分小于通過能量平衡關(guān)系式所得的傳質(zhì)系數(shù)，這是由于在實驗過程中存在未能完全采集輻射板表面的結(jié)露場合，另外在計算過程中將劉易斯數(shù)Le近似為1.該結(jié)果一方面驗證了實驗的準確性，另一方面驗證了傳質(zhì)類比Nu=Sh的正確性.

圖7　舍伍德數(shù)Sh和瑞利數(shù)Ra的關(guān)系曲線

3.2　系統(tǒng)啟動特性

為了測試輻射誘導(dǎo)空調(diào)的啟動特性并優(yōu)化運行策略,本文采集了不同工況下室內(nèi)空氣溫度和圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的變化過程，并與傳統(tǒng)的輻射空調(diào)進行對比,從而分析得出系統(tǒng)啟動和響應(yīng)的特性．

圖8和圖9為夏季工況下普通輻射空調(diào)模式和輻射誘導(dǎo)模式下室內(nèi)空氣和各圍護結(jié)構(gòu)表面平均溫度隨時間的變化過程．安裝于相鄰兩間同規(guī)格實驗室內(nèi)的2種系統(tǒng)均以實驗中穩(wěn)定狀態(tài)、相同室外環(huán)境下達到相同室內(nèi)熱環(huán)境(28 ℃,65%)時的控制參數(shù)下運行．2種工況系統(tǒng)剛啟動時,天花板處溫度下降速度較快,一段時間后變化趨勢逐漸平穩(wěn)．同時,其他圍護結(jié)構(gòu)的表面溫度均在輻射和對流換熱的作用下逐漸降低．普通輻射空調(diào)模式在室內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定的過程中溫度下降的速度越來越慢,到達穩(wěn)定狀態(tài)所需時間在6 h以上．輻射誘導(dǎo)模式下系統(tǒng)通過輻射板上送風(fēng)孔的送風(fēng)強制對流換熱,與其他圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和室內(nèi)空氣溫度下降速度之間的差異比普通輻射空調(diào)模式小．特別是室內(nèi)空氣,先于其他圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與誘導(dǎo)送風(fēng)對流換熱,其溫度下降速度甚至高于圍護結(jié)構(gòu)．大幅縮短的啟動時間意味著大幅減少了室內(nèi)熱環(huán)境進入穩(wěn)定狀態(tài)之前的能耗．

圖8　普通輻射空調(diào)模式各溫度變化

圖9　輻射誘導(dǎo)空調(diào)模式各溫度變化

圖10為不同工況下2種模式的啟動時間匯總圖．對于普通輻射空調(diào)模式,輻射板進水溫度從16 ℃減少到8 ℃,其啟動時間減少了0.8 h,而相對最長將近7 h的啟動時間來說變化幅度并不大．對于輻射誘導(dǎo)模式,一次風(fēng)量越大,達到穩(wěn)定狀態(tài)時間越短．一次風(fēng)量達到650 m3/h以上時,啟動時間大幅度縮短,這是因為進入室內(nèi)的風(fēng)速過大,直接與工作區(qū)內(nèi)的空氣強制對流換熱,通過溫度傳感器可采集到該劇烈溫度的變化．另一方面一次風(fēng)溫度的變化對啟動時間的影響不大．不同一次風(fēng)量下,隨著溫度從12 ℃增加到16 ℃,啟動時間的變化幅度在0.5 h以內(nèi)．結(jié)合圖9可看出,在穩(wěn)定狀態(tài)下,由于熱惰性,負荷變化對于室內(nèi)熱環(huán)境的改變幅度同樣較小且緩慢,改變一次風(fēng)溫度時系統(tǒng)的響應(yīng)能力足以滿足室內(nèi)舒適性,但是實際效果還需進一步測試．由于在穩(wěn)定狀態(tài)不宜采用較大且變化幅度大的風(fēng)量,因此通過保持一次風(fēng)量來控制一次風(fēng)溫度．

圖10　各工況2種模式的啟動時間匯總圖

4　結(jié)論

1) 當(dāng)在一定一次風(fēng)量下輻射板表面溫度下降時,總傳熱量隨之增加．最高傳熱量出現(xiàn)在低一次風(fēng)量和高過冷度的狀態(tài)后．傳質(zhì)系數(shù)隨著過冷度增加而略有上升，并且隨著一次風(fēng)量上升,其上升幅度逐漸增加．

2) 結(jié)露速率隨著過冷度近似線性增長．在室內(nèi)熱環(huán)境達到穩(wěn)定狀態(tài)后,結(jié)露速率隨風(fēng)量增大．

3) 普通輻射空調(diào)模式與輻射誘導(dǎo)模式下室內(nèi)熱環(huán)境變化規(guī)律相似,但是誘導(dǎo)輻射模式可以大幅度縮短進入穩(wěn)定狀態(tài)的時間．且一次風(fēng)量越大,達到穩(wěn)定狀態(tài)時間越短．根據(jù)各工況下的啟動階段時間可知,在未發(fā)生結(jié)露的前提下,室內(nèi)熱環(huán)境達到穩(wěn)定時采用較低溫度的低風(fēng)量一次風(fēng)更為合理．如果出現(xiàn)結(jié)露,則優(yōu)先控制能產(chǎn)生較快響應(yīng)速度的一次風(fēng)量．

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