謝依寧 梁珍 于海濤
1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
2昆山開思拓空調(diào)技術(shù)有限公司
毛細管輻射末端是一種高效空調(diào)末端技術(shù),該系統(tǒng)利用水為媒介,把毛細管網(wǎng)置于建筑物結(jié)構(gòu)層內(nèi),通過建筑構(gòu)件和室內(nèi)空氣之間的溫差向室內(nèi)輻射能量而達到室內(nèi)制冷采暖的目的。該系統(tǒng)的優(yōu)點是無噪音,無風(fēng)感,冷熱均勻[1-2],同時避免了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中病菌通過風(fēng)道的交叉感染。
目前關(guān)于毛細管輻射系統(tǒng)的研究主要集中在冬夏季:顧皓、李永安等[3]在冬季工況下對室內(nèi)舒適度進行了測試研究。陳陽、劉光等[4]針對夏季工況進行了一系列測試研究。作者發(fā)現(xiàn)對于過渡季節(jié)的研究很少,田盼雨、王浩等[5]雖進行了全年的研究,但只針對熱泵熱力性能,卻未提到末端使用毛細管網(wǎng)。本文的研究針對室外溫度在10~18℃的氣候條件下,該氣候條件需要供暖,但屬于負荷較小,采用定頻熱泵則啟停頻繁的季節(jié)[6-7]。文章測試分析了一個采用變頻熱泵以及置換新風(fēng)系統(tǒng)的毛細管輻射系統(tǒng),研究采用變頻特性。
本工程位于江蘇省昆山市的某住宅區(qū),該戶型的總建筑面積為240m2,單層??照{(diào)面積207m2。外墻體表面太陽吸收系數(shù)ρ=0.72,傳熱熱阻R=0.834m2·K/W,熱惰性指標(biāo)D=2.703。選取公寓朝南主臥為測試房間,尺寸為3760mm(W)×4540mm(L)×2680mm(H)+2140mm(L)×1520mm(W)×2680mm(H)。戶型平面圖見圖1(左下粗邊框區(qū)域為測試房間)。
圖1 戶型平面圖
該公寓選用一臺變頻風(fēng)冷熱泵承擔(dān)冬、夏季的全部冷、熱負荷。冬季機組可提供35℃的熱水,夏季可提供17℃的冷水。選用新風(fēng)除濕機為房間提供潔凈的新風(fēng),并承擔(dān)夏季除濕任務(wù),保持空調(diào)房間的適宜濕度。房間設(shè)置頂面毛細管輻射冷暖系統(tǒng)和地面毛細管冷暖系統(tǒng),保持房間的舒適溫度。選用德國進口的Clina毛細管網(wǎng),型號為SB20。規(guī)格根據(jù)各房間負荷和進深確定,測試房間頂板與地面均有布置,側(cè)墻未布置。頂板布置面積為11.25m2,地面布置面積為17.75m2。房間內(nèi)設(shè)置控制面板,毛細管上敷設(shè)溫度探頭,溫控器控制毛細管水路上電磁閥的通斷,以實現(xiàn)每個房間的獨立控制。另控制面板通過對房間露點溫度的測量,實時比較露點溫度與毛細管溫度,一旦有結(jié)露危險,斷開毛細管供水,實現(xiàn)0結(jié)露的可能。
表1為實驗所用設(shè)備。
表1 實驗設(shè)備表
測試時間為2017年4月12日。利用兩臺黑球溫度計記錄室內(nèi)空氣溫度。使用紅外線測溫儀對地板,頂面以及進出水管溫度進行測量。在頂板均分別取9點,地面取11個點。每個測點進行多次測量,以確保測量數(shù)據(jù)的可靠性,且盡量減小人為測量誤差。分析毛細管系統(tǒng)在兩種工況的啟動時間。采用熱線風(fēng)速儀對距地0.1m對應(yīng)人體腳踝部位的11個點,距地0.7m對應(yīng)坐姿人體的呼吸部位的11個點,距地1.7m對應(yīng)站姿人體的頭部的11個點進行溫度的測量。
4月12日上午十點開始數(shù)據(jù)采集,此時毛細管水溫設(shè)定在35℃,除濕新風(fēng)機設(shè)定在18℃,當(dāng)日氣溫11~16℃。地面的11個測點和頂板的9個測點,位置如圖2所示:
圖2 測點布置圖
設(shè)備啟動開始對這11個點和熱泵出水溫度每隔15 min測量一次,當(dāng)水溫上升速度開始變得緩慢,測量的間隔時間更改為30 min。整個測量時間從早晨10:00持續(xù)到下午16:00。表3和表4是在不同時間下熱泵供水溫度以及地板、頂板表面測點溫度變化圖。
圖3 地面測點溫度變化圖
圖4 頂板測點溫度變化圖
從圖3~4可以看到設(shè)備啟動近30min后變頻熱泵的供水溫度從初始溫度17.2℃升到了28.2℃,大約10℃的溫差。之后隨著時間的推移溫度繼續(xù)緩緩上升,直到經(jīng)過了大約3h水溫達到35℃并趨于穩(wěn)定,且不再出現(xiàn)大幅度的波動。變頻熱泵剛啟動時,采用低頻啟動,然后很快在低頻狀態(tài)轉(zhuǎn)入高頻狀態(tài),一段時間后即可達到設(shè)定供水溫度,之后,壓縮機在長時間處于低頻工作范圍內(nèi),機組的功率降到最小以保持室溫。而鋪滿毛細管網(wǎng)的頂板和地板表面溫度也隨著水溫的上升而緩緩上升,最后趨于穩(wěn)定不變。正是因為變頻熱泵壓縮機的性能可根據(jù)需求進行調(diào)節(jié),從而降低能耗并保持穩(wěn)定的溫度這一特點使其更加適用于向毛細管網(wǎng)末端供水。
隨著變頻熱泵供水溫度的逐漸上升,將距地0.1m對應(yīng)人體腳踝部位的11個點,距地0.7m對應(yīng)坐姿人體的呼吸部位的11個點,距地1.7m對應(yīng)站姿人體的頭部的11個點溫度趨于穩(wěn)定時的測量值匯總在圖5中。
圖8 距地三個高度的溫度分布
待變頻熱泵水溫達到設(shè)定值35℃后,室內(nèi)溫度也開始基本穩(wěn)定不變,始終保持在22℃左右,且波動較小,滿足室內(nèi)的設(shè)計溫度20±2℃。同時,由于測試房間的頂板和地面都滿鋪了毛細管網(wǎng),因此不存在“上熱下冷”的情況,豎直方向上的溫差都沒有超過0.5℃,不存在溫度梯度的影響,完全滿足熱舒適性方面的要求。另外,該項目的冬季室內(nèi)設(shè)計溫度為18℃,由于毛細管系統(tǒng)強化了室內(nèi)的輻射換熱后,室內(nèi)的實際溫度——特別是人的呼吸區(qū)空氣溫度始終保持在22℃左右。這就為降低設(shè)計溫度、減少熱負荷、節(jié)約能源提供了空間。變頻熱泵在不停止壓縮機工作狀態(tài)下,通過調(diào)整壓縮機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)水溫,從而創(chuàng)造出溫度變化不大的舒適環(huán)境。
1)相較于無法調(diào)整頻率而在啟動-停止操作中運行,從而水溫不斷上下變化的定頻熱泵來說,可根據(jù)具體需求調(diào)節(jié)運行頻率從而得到穩(wěn)定水溫的變頻壓縮機更加適用于毛細管末端。
2)冬季供回水溫度設(shè)置為35℃/32℃時,變頻熱泵提供的穩(wěn)定水溫使得毛細管系統(tǒng)可以維持室內(nèi)較高的舒適度。室內(nèi)溫度始終保持在22℃左右,且波動很小。
3)本次測試中使用的這臺變頻風(fēng)冷熱泵屬于輻射新風(fēng)一體機,雖然集成度相對市面上其他機器來說很高。但由于各方面技術(shù)不太成熟的原因,噪音測試的結(jié)果不太理想。尤其是靠近放置機組的臥室會受到一定的影響。
4)在測試過程中確實發(fā)現(xiàn)為處理房間負荷而不斷上升的水溫溫度變化較慢,前后將近用了3h達到至設(shè)定溫度。另外室外溫度并不低,屬于過渡季節(jié)的制熱工況。筆者考慮到可能會出現(xiàn)冬季工況時室外氣溫極低的影響可能會出現(xiàn)機組響應(yīng)速度更加慢,水溫升地更慢的情況。因此這臺熱泵的動態(tài)響應(yīng)偏慢。