秦思宇, 王宇昂,2, 李揚, 高松,4, 趙民,5, 路昭, 孔瓊香, 金立文

(1.西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院, 710054, 西安; 2.百度時代網(wǎng)絡技術(shù)有限公司, 100193, 北京;3.華中科技大學能源與動力工程學院,430074,武漢;4.中國工程物理研究院材料研究所,621907,四川江油;5.中國建筑西北設計研究院有限公司, 710018, 西安)

exchange distribution; heat flux

目前,我國正處在城市建設的高峰期。有數(shù)據(jù)顯示,我國建筑能耗在近50年內(nèi)增長迅速,最高占社會總能耗的30%左右,尤其是暖通空調(diào)方面的能耗,占了建筑全部總能耗的一半以上,是建筑能耗的主體部分[1-2]。所以,公認的建筑節(jié)能減排重點是空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能,新型空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)已成為空調(diào)行業(yè)的重點研究內(nèi)容之一。

傳統(tǒng)空調(diào)種類繁多,且與室內(nèi)環(huán)境的換熱方式以對流換熱為主[3]。風機盤管末端在運用常規(guī)方法調(diào)節(jié)時,會造成控制區(qū)域較強的“吹風感”,不易滿足舒適性條件[4]。全空氣系統(tǒng)末端的送風溫度在夏季過低、冬季過高,導致全年制冷和供暖消耗的能量過大,造成較大程度的能源浪費[5]。

相對于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng),毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)通過敷設在內(nèi)墻抹灰中的毛細管網(wǎng),以輻射為主要換熱形式,大幅度增加了換熱面積,降低了系統(tǒng)對入口水溫的要求,從而在滿足舒適性的前提下實現(xiàn)了節(jié)能的效果。在輻射換熱時,室內(nèi)溫度變化速度平緩、分布均勻,具有無風機噪聲、無吹風感等優(yōu)點,能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的舒適度[6]。毛細管末端能夠靈活地安裝在地面、墻體、天花板內(nèi),并通過這些圍護結(jié)構(gòu)形成的冷熱輻射表面進行換熱[7]。輻射空調(diào)系統(tǒng)的換熱面積遠大于傳統(tǒng)空調(diào)末端的換熱面積,可利用毛細管中工質(zhì)與室內(nèi)空氣的溫差來達到供冷或供熱的目的;夏季輻射供冷時采用高溫冷水(18～21 ℃),冬季輻射供熱時采用低溫熱水(28～32 ℃),使系統(tǒng)性能大大提升,也使得太陽能及地熱能等多種低品位可再生能源的利用成為可能[8]。

毛細管嵌在墻體內(nèi)部,形成整個熱環(huán)境的內(nèi)冷源或內(nèi)熱源,使圍護結(jié)構(gòu)的得熱量和室內(nèi)環(huán)境的負荷發(fā)生較大的變化。從現(xiàn)階段的研究情況來看,墻體的蓄熱、放熱性能對毛細管換熱過程會產(chǎn)生影響,由于其自身的熱惰性,使得整個過程成為非穩(wěn)態(tài)的換熱過程[9]。就此,Paschkis等人建立了墻體傳熱熱阻熱容(resistance and capacity,RC)模型,并計算得到了以熱阻熱容表征的熱傳遞矩陣方程表達式[10]。張誠通過對墻體傳熱RC模型基礎(chǔ)理論的研究,建立了毛細管式天花板的RC簡化模型,以“核心溫度層”表示相鄰毛細管之間天花板材料的平均溫度,僅根據(jù)天花板的幾何結(jié)構(gòu)和熱工參數(shù),即可確定非穩(wěn)態(tài)工況下毛細管層與兩側(cè)空氣的換熱量;利用熱傳遞方程分別計算了非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況下毛細管式天花板與上下兩側(cè)空氣的換熱量,得到了相同的熱流密度平均值,這表明在較長的運行周期內(nèi),毛細管墻體的蓄熱和放熱作用并不影響整體的換熱量[11]。然而,將傳統(tǒng)空調(diào)的得熱量分析和負荷計算方法應用于毛細管輻射空調(diào)時,會影響輻射空調(diào)的適用性[12]。因此,評估毛細管墻體的熱工性能具有工程應用價值。

本文在分析毛細管墻體熱工特性的基礎(chǔ)上,建立了基于穩(wěn)態(tài)條件的毛細管墻體換熱量分配比例模型;通過實驗采集了室內(nèi)外空氣溫度、毛細管墻體內(nèi)壁面溫度、毛細管層溫度及毛細管與室內(nèi)外交換的熱流密度等數(shù)據(jù),獲得了冬季供暖工況下室內(nèi)外溫度變化趨勢和毛細管與室內(nèi)外換熱量分配比例的特點,并研究了墻體熱工特性的變化對該比例的影響。

1 毛細管墻體的換熱特性

1.1 毛細管墻體換熱量分配比例模型

如前所述,非穩(wěn)態(tài)模型中毛細管墻體僅起到蓄熱和放熱的作用,并不影響總換熱量。在較長時間內(nèi),毛細管墻體的平均換熱量與穩(wěn)態(tài)模型計算的墻體平均換熱量基本相同。因此,從工程應用角度出發(fā),本文對毛細管墻體在穩(wěn)態(tài)工況下的熱工特性進行研究,通過建立毛細管墻體換熱量分配比例模型,對毛細管與室內(nèi)外的換熱過程進行理論分析,為準確評估毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)的得熱量和負荷提供理論依據(jù)。

毛細管墻體的換熱問題可視為一個有內(nèi)熱源或內(nèi)冷源的一維換熱問題,考慮到毛細管供回水溫度分布的周期性和對稱性,選取一組供回水管進行分析,研究毛細管墻體與室內(nèi)外環(huán)境的換熱量比例。建立毛細管墻體的換熱量分配比例表達式如下

(1)

式中:qc為毛細管承擔的室內(nèi)對流換熱量;qr為毛細管承擔的室內(nèi)輻射換熱量;qi為毛細管與室內(nèi)環(huán)境的熱交換量;qo為毛細管與室外環(huán)境的熱交換量。換熱量的單位均為J/kg。

風的作用對墻體外壁面的對流換熱系數(shù)影響非常大,在此情況下對流換熱方式占主導。因此,在建立毛細管墻體的換熱量分配比例表達式時,室外的換熱量qo主要考慮對流換熱量[10]。毛細管墻體內(nèi)壁面除了與室內(nèi)空氣的自然對流換熱外,與室內(nèi)其他非輻射面墻體的輻射換熱是主導換熱模式。

1.2 換熱量的計算

毛細管墻體與室內(nèi)環(huán)境的換熱量包括對流和輻射換熱量兩部分,整個換熱過程的熱阻模型如圖1所示。

圖1 毛細管墻體的換熱熱阻模型

對流換熱系數(shù)受多方面因素的影響,在實際工程中,可近似地認為對流換熱與毛細管墻體表面溫度和室內(nèi)空氣溫度相關(guān)[13]。通常使用由經(jīng)驗公式得到的自然對流換熱系數(shù)來計算自然對流換熱量[14-15]。本文采用ASHRAE經(jīng)驗公式[16]并對其進行簡化,用于計算毛細管墻體內(nèi)壁面與室內(nèi)環(huán)境的自然對流換熱量。簡化后的公式為

qc=1.78|tw-ti|0.32(|tw-ti|)

(2)

式中:tw為毛細管墻體壁面溫度, ℃;ti為室內(nèi)空氣的干球溫度, ℃。

毛細管墻體的輻射壁面相當于均溫面,各點間的溫差很小,則毛細管墻體內(nèi)壁面與室內(nèi)環(huán)境的輻射換熱量

qr=hr(tAUST-tw)

(3)

式中:tAUST為非輻射面的面平均溫度( ℃),可由經(jīng)驗公式(4)～(6)計算得到;hr為輻射換熱系數(shù)(W·m-2·K-1),可由式(7)計算得到。

tAUST≈ti-doz

(4)

(5)

(6)

式中:to為室外空氣溫度, ℃;z為室外空氣溫度修正因數(shù);do為房間結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù),可由表1查得。

hr=5×10-8[(tw+273.15)2+(tAUST+273.15)2]·[(tw+273.15)+(tAUST+273.15)] (7)

綜合公式(2)～(7),得到毛細管墻體與室內(nèi)的輻射換熱量和總換熱量分別為

qr=5×10-8[(tw+273.15)4-(tAUST+273.15)4]

(8)

qi=5×10-8[(tw+273.15)4-(tAUST+273.15)4]+
1.78|tw-ti|0.32(tw-ti)

(9)

對于毛細管墻體向室外環(huán)境的換熱量,一般來說風速越大對流換熱系數(shù)也越大,對流換熱方式在毛細管墻體和室外環(huán)境的換熱中占主導地位,因此為簡化研究,僅考慮毛細管承擔的室外對流換熱量[17],公式如下

(10)

式中:R為從毛細管層到外壁面的熱阻,包括室外壁面對流換熱熱阻和每層墻體圍護結(jié)構(gòu)材料的導熱熱阻,K·W-1;tm為室外壁面平均溫度, ℃;hc為室外壁面對流換熱的換熱系數(shù),根據(jù)暖通設計手冊[18],通常取23 W·m-2·K-1;δi為從毛細管層到室外壁面各圍護結(jié)構(gòu)材料的厚度,m;λi為從毛細管層到室外壁面各圍護結(jié)構(gòu)材料的熱導率,W·m-1·K-1。

2 毛細管墻體熱工特性的實驗研究

為驗證本文所建立的毛細管墻體換熱量分配比例模型在實際工程中應用的準確性,并獲得冬季工況下毛細管與室內(nèi)外換熱量分配比例的特點,選取南京某建筑的輻射空調(diào)系統(tǒng)為研究對象對毛細管墻體的熱工特性進行分析。南京市為夏熱冬冷地區(qū),夏季悶熱冬季陰冷,室內(nèi)舒適度差。該地區(qū)主要使用分體式空調(diào),易造成電負荷過大引起供電危機,因此毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)在該地區(qū)有較好的適用性。實驗的測試參數(shù)包括毛細管層溫度、室內(nèi)外空氣溫度、內(nèi)壁面溫度等,以及毛細管墻體分別向室內(nèi)外傳遞的熱流密度。測試按照輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程[19]進行,毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)連續(xù)運行72 h后,實驗儀器開始采集并記錄各測點的瞬時值。

2.1 實驗系統(tǒng)及測試方案

毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)主要由輻射末端系統(tǒng)、冷熱源系統(tǒng)等組成,其中輻射末端系統(tǒng)包括測試樣品間北外墻的毛細管席,支管直徑為3.5 mm,壁厚為0.5 mm,毛細管間距為15 mm。該系統(tǒng)由分集水器進行統(tǒng)一供回水,采用同程式的布置方案,使毛細管墻體的溫度分布均勻。該系統(tǒng)的熱源采用INOUT-FLLS/N-75-A空氣源熱泵,額定制熱量為8.2 kW。

實驗房間的基本尺寸為3.0 m×3.4 m×3.0 m,其中北墻和西墻屬于外墻,如圖2a所示。北外墻上有一外窗,夏季時透過外窗進入房間的熱量占了一部分空調(diào)冷負荷,冬季時透過窗戶所散失的熱量對熱負荷也有很大的影響。因此,該房間采用了低導熱率的雙層中空玻璃,以降低外窗的滲透負荷對室內(nèi)環(huán)境的影響。測試墻體示意圖如圖2b所示。

為獲得毛細管墻體與室內(nèi)外兩側(cè)的換熱量,使用2個RLJ-100100型熱阻式熱流傳感器(精度±5%)進行測量。傳感器尺寸為100 mm×2.5 mm×100 mm,通過導熱硅脂粘貼在毛細管兩側(cè)。為獲得毛細管層和室內(nèi)外墻體壁面的溫度數(shù)據(jù),將9個銅-康銅T型熱電偶(精度±(0.5～1) ℃)布置在毛細管層、室內(nèi)外墻體壁面的相鄰位置上。另外,使用2臺日本T&D公司的TR-72U溫濕度記錄儀(精度±0.5 ℃)來采集室內(nèi)外的溫度數(shù)據(jù),并用2臺Fluke 2638A數(shù)據(jù)采集儀(精度±0.5 ℃)進行熱電偶和熱流傳感器的數(shù)據(jù)顯示及記錄,時間間隔為1 min。

根據(jù)規(guī)范,毛細管墻體內(nèi)壁面的溫度測點位置不應靠近熱橋、裂縫和有空氣滲漏的部位,不應受加熱、制冷裝置和風扇的直接影響[20]。因此,為測得較準確的內(nèi)壁面溫度,采用面積平均法將毛細管墻體的面積等分為3份,在每一部分的中心處布置熱電偶測點(見圖2b),計算時取3個測點的平均值。熱流傳感器布置在毛細管墻體中心位置處,如圖2c所示,以測得較為均勻、準確的熱流密度值。毛細管外壁的熱電偶與兩側(cè)的熱流傳感器無接觸,熱流密度與溫度測量互不干擾。圖2d為傳感器完成抹灰后的現(xiàn)場圖。

(a)測試房間示意圖(俯視)

(b)熱電偶布置示意圖(側(cè)視)

(c)熱流傳感器布置示意圖

(d)內(nèi)壁面完成裝飾現(xiàn)場圖圖2 實驗測試布置圖

2.2 誤差分析

溫度、熱流密度等物理量是本實驗的重要參數(shù),測量得精確與否直接影響到研究結(jié)果的準確度。由于測量儀器分辨率的限制,或者被測樣本不具有代表性等原因,會造成實驗測量結(jié)果與實際值之間有誤差,因此需要對實驗參數(shù)進行誤差分析。本文使用合成標準不確定度來評價測量結(jié)果,計算結(jié)果見表2。

表2 不確定度計算結(jié)果

2.3 實驗結(jié)果分析

由于建筑圍護結(jié)構(gòu)具有熱惰性,因此在分析實驗數(shù)據(jù)時,采用系統(tǒng)穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進行分析。在系統(tǒng)連續(xù)運行狀態(tài)下,采集冬季的實驗數(shù)據(jù),詳細討論冬季供暖工況下的室內(nèi)外溫度分布和換熱量分配比例情況。

2.3.1 輻射供暖實驗結(jié)果分析

(1)溫度變化。在冬季供暖工況下,選取2017年1月11—12日2天的運行數(shù)據(jù)進行分析。室內(nèi)、外及毛細管層的溫度變化如圖3所示。

從圖3可以看出:冬季室外空氣溫度波動幅度較小,下午4時左右室外空氣達到最高值;當早晚室外溫度相對較低時,室內(nèi)溫度基本維持在24到25 ℃之間,系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。這是由于毛細管墻體的內(nèi)墻抹灰層厚度小、熱阻小,而保溫層厚度大、熱阻大,且毛細管層溫度與室外溫度的差距大,與室內(nèi)溫度的差距小,因此僅有較少的熱量散失到室外環(huán)境,保持了室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。11日的室內(nèi)空氣溫度在較小范圍內(nèi)呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢,這是因為在毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)中,50%以上的熱量是通過輻射的方式與室內(nèi)環(huán)境進行換熱,與傳統(tǒng)空調(diào)相比,這種方式對室內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)的速度相對較平緩。另外,從圖3c中可清晰看出毛細管層溫度的波動情況,在系統(tǒng)停機期間,毛細管中水溫降低,溫度差基本保持在2～3 ℃范圍內(nèi)。

(a)2017-01-11

(b)2017-01-12

(c)毛細管層溫度圖3 冬季工況下室內(nèi)外溫度的測量結(jié)果

(2)毛細管墻體的換熱量分配。冬季供暖工況下,熱流傳感器采集到的熱流量數(shù)據(jù)均為正值,表征了毛細管墻體的一維換熱過程,即冬季毛細管層的供水溫度高于室內(nèi)外兩側(cè)的空氣溫度,毛細管向室內(nèi)外兩側(cè)釋放熱量。

從圖4可以看出,同一時間內(nèi)毛細管與室內(nèi)側(cè)的換熱量略高于與室外側(cè)的換熱量,這是因為當工質(zhì)的溫度升高時,毛細管與室內(nèi)外的換熱量都增加,并且由于內(nèi)墻抹灰層厚度小、熱阻小,保溫層厚度大、熱阻大,阻隔了室外冷量的傳遞,使得毛細管與室外側(cè)換熱量增加的幅度較小。從圖4中還能發(fā)現(xiàn),毛細管與室內(nèi)外的換熱量和系統(tǒng)的狀態(tài)密切相關(guān)。在系統(tǒng)運行期間,工質(zhì)入口保持設定溫度,換熱量增大,毛細管同時向室內(nèi)外傳遞熱量;在系統(tǒng)停機期間,管內(nèi)水溫為滿足室內(nèi)熱交換而逐漸降低,毛細管與室內(nèi)的換熱量快速下降,與室外的換熱量變化幅度不大,因而熱量分配比例隨之逐漸減小。當室溫低于設定溫度時,熱泵又重新啟動,入口水溫也隨之升高。

(a)2017-01-11

(b)2017-01-12圖4 冬季工況下毛細管與室內(nèi)外的換熱量分配圖

2.3.2 比例模型計算值與實驗結(jié)果的比較 為驗證本文毛細管墻體換熱量分配比例模型的準確性,并使該模型對毛細管墻體的熱工特性更具有評估意義,本節(jié)對換熱量分配比例模型的計算值與實驗結(jié)果進行對比研究。

采用冬季供暖工況的實驗數(shù)據(jù)來驗證模型的準確性。實驗中采集的數(shù)據(jù)包括毛細管墻體分別向室內(nèi)外傳遞的熱流密度、室內(nèi)外空氣溫度、毛細管層溫度及墻體壁面溫度。首先計算每個熱流密度變化周期熱流密度的平均值,以此獲得每個熱流密度變化周期毛細管墻體換熱量分配比例的平均值,再將對應周期內(nèi)的室內(nèi)外溫度、毛細管溫度、墻體壁面溫度等的平均值代入式(9)、式(10)中,即可得到對應周期內(nèi)的換熱量分配比例模型計算平均值。換熱量分配比例的模型計算平均值和實驗測試平均值的對比關(guān)系如圖5所示。

圖5 換熱量分配比例的模型計算值與測試值對比

在測試期間,由于空氣源熱泵的運行周期不同,所以每天的啟停次數(shù)均不相同。以1月13日運行工況為例,共記錄了10組數(shù)據(jù),得到變化周期內(nèi)換熱量分配比例的模型計算值與實驗測試值的平均誤差為4.5%。綜合4天的測試數(shù)據(jù),模型計算值與實驗測試值的平均誤差為15.6%,這個誤差在工程應用中處于可接受的范圍之內(nèi)[21-23],說明模型計算值與實驗測試值吻合度較高,驗證了本文毛細管墻體換熱量分配比例模型的準確性。

在分析毛細管墻體的換熱過程時,需要考慮復雜的動態(tài)蓄熱和放熱作用,工程應用難度大。本文的研究發(fā)現(xiàn),隨著系統(tǒng)運行時間的增加,毛細管墻體換熱量分配的比例與實際情況更加接近,說明在以1天為周期的時間內(nèi),毛細管墻體的換熱量與穩(wěn)態(tài)工況下的換熱量基本相同,驗證了本文所引用的前人結(jié)論,即墻體積蓄和釋放的熱量不影響整體的換熱效果,因此,該穩(wěn)態(tài)換熱量分配比例模型有望應用于實際工程中的毛細管墻體熱工特性評估。

3 結(jié) 論

本文在毛細管墻體熱工特性分析的基礎(chǔ)上,建立了基于穩(wěn)態(tài)模型的毛細管墻體換熱量分配比例模型;以南京某民用建筑的輻射空調(diào)系統(tǒng)為研究對象進行了實驗研究,測試了冬季供暖工況下的室內(nèi)外溫度變化和換熱量分配比例,對模型進行了驗證,獲得以下結(jié)論。

(1)毛細管與室內(nèi)外的換熱量和系統(tǒng)的狀態(tài)密切相關(guān)。在系統(tǒng)運行期間,工質(zhì)入口保持設定溫度時毛細管與室內(nèi)外兩側(cè)的換熱量增大,冬季供暖工況下與室內(nèi)的換熱量略高于與室外的換熱量;在系統(tǒng)停機期間,管內(nèi)水溫為滿足室內(nèi)熱交換而逐漸降低,毛細管與室內(nèi)外兩側(cè)的換熱量減小,毛細管層與室內(nèi)及室外換熱的分配比例也隨之減小;當室溫低于設定溫度時,熱泵又重新啟動,入口水溫也隨之升高。

(2)采用輻射空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)溫度具有較好的穩(wěn)定性,室內(nèi)溫度的波動受室外溫度變化影響較小,能夠較好滿足室內(nèi)環(huán)境的舒適性要求,適用于冬季寒冷需要供暖的地區(qū)。

(3)隨著系統(tǒng)運行時間的增加,毛細管層與室內(nèi)及室外換熱的分配比例計算值和實驗值更加接近,證明了本研究所建立模型的合理性,同時表明在較長的周期內(nèi),墻體的蓄熱和放熱作用對整體換熱的效果不會有明顯的影響,這也間接驗證了前人的傳熱RC簡化模型的結(jié)論[11]。本文的穩(wěn)態(tài)換熱量分配比例模型有望應用于實際工程中毛細管墻體的熱工特性評估,也可為毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)的得熱量分析和負荷計算提供理論依據(jù)。

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