楊繪乾，韓志濤，劉 迪，曹嘉愷，劉安琪，蔡馨蕊

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)室內(nèi)空氣溫度比較穩(wěn)定，垂直溫差低，換熱過程無吹風(fēng)感和噪聲，因而熱舒適性高。同時(shí)采用高溫冷水作為冷源，運(yùn)行時(shí)制冷機(jī)組COP較高，具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。經(jīng)過設(shè)計(jì)的輻射板還可以與建筑裝飾相結(jié)合，達(dá)到美觀實(shí)用的效果。因此近年來輻射供冷空調(diào)得到了廣泛的應(yīng)用，很多學(xué)者也開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]開展了頂棚輻射供冷與新風(fēng)聯(lián)合系統(tǒng)空氣品質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[2]闡述了一套計(jì)算輻射供冷房間冷負(fù)荷的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[3]通過實(shí)驗(yàn)研究冷輻射板表面快結(jié)露時(shí)，冷凍水閥門調(diào)節(jié)模式對(duì)冷輻射板的防結(jié)露效果、制冷能力和室內(nèi)熱舒適性的影響。文獻(xiàn)[4]分析了溫度均勻分布輻射冷頂板的傳熱特性。還有的學(xué)者開展了變風(fēng)量送風(fēng)結(jié)合輻射吊頂供冷實(shí)驗(yàn)[5]。

綜上所述，輻射供冷的研究熱點(diǎn)主要涉及防結(jié)露技術(shù)，室內(nèi)舒適性提升技術(shù)以及冷輻射板供冷調(diào)控等方面。目前，冷輻射板是輻射供冷末端常見形式，通常有整體式、貼附式和懸掛式三類[6]。隨著各種類型產(chǎn)品的開發(fā)，其供冷性能指標(biāo)成為其工程應(yīng)用選型的一個(gè)重要依據(jù)。本文研制了一種溝槽充液式吊頂冷輻射板，為了研究這種新型冷輻射板的性能開發(fā)了一種利用北方冬季室外低溫環(huán)境作為冷源的輻射板供冷性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不使用冷水機(jī)組作為人工氣候小室和輻射供冷的冷源，可大幅度降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)的組成

本文中輻射空調(diào)系統(tǒng)的冷源來自于北方地區(qū)冬季室外低溫環(huán)境，這樣可以不使用冷水機(jī)組，一方面簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備及安裝的初投資，也體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程節(jié)能環(huán)保的理念，是值得推廣和實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由4部分構(gòu)成：1)系統(tǒng)冷源及換熱調(diào)溫水箱；2)人工氣候小室及小室環(huán)境調(diào)控裝置；3)實(shí)驗(yàn)用溝槽充液式冷輻射板；4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集記錄裝置。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)冷源及換熱調(diào)溫水箱

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)冷源獲得方法：使用20個(gè)PE材質(zhì)貯水瓶，內(nèi)部充注純凈水，將這些貯水瓶置于北方冬季的室外環(huán)境，冷凍成冰塊后放到貯有50 L的儲(chǔ)水箱中，通過換熱獲得水溫為0 ℃～3 ℃的冷水作為輻射空調(diào)系統(tǒng)的冷源。為了獲得所需溫度的冷媒水(14 ℃～20 ℃)，當(dāng)冷水箱內(nèi)冷媒由于承擔(dān)輻射板負(fù)荷而溫升到控制溫度時(shí)，溫度控制開關(guān)自動(dòng)啟動(dòng)換熱水泵，通過換熱盤管使冷水箱內(nèi)冷媒水與系統(tǒng)冷源儲(chǔ)水箱換熱，從而實(shí)現(xiàn)冷水箱內(nèi)輻射板供冷水水溫恒定在所控范圍。

2.2 人工氣候小室及小室環(huán)境調(diào)控裝置

人工氣候小室按5∶1的縮尺模型建造，小室尺寸為1 600 mm×1 200 mm×900 mm(長(zhǎng)×寬×高)，結(jié)構(gòu)材料使用厚度為17 mm的高密度板，小室外部包裹厚度為20 mm的橡塑保溫材料。小室內(nèi)壁表面貼有調(diào)溫電熱膜，電熱膜外表面貼有壁紙，通過控制電熱膜的加熱量控制壁紙表面溫度，從而模擬夏季室內(nèi)墻壁表面溫度變化的實(shí)際工況。

2.3 實(shí)驗(yàn)用溝槽充液式冷輻射板

實(shí)驗(yàn)用溝槽充液式冷輻射板為單板結(jié)構(gòu)，由厚度為1 mm的合金鋁板焊接而成，輻射板尺寸為700 mm×500 mm×60 mm(長(zhǎng)×寬×高)，輻射板內(nèi)部共有9個(gè)溝槽，每個(gè)溝槽由高度為30 mm，底邊長(zhǎng)為78 mm的等腰直角三角形鋁板組成。輻射板內(nèi)每間隔一個(gè)溝槽，布有直徑為6 mm銅管作為輻射板內(nèi)換熱盤管。為了使輻射板有更好的蓄冷性能，以及換熱銅管與輻射板間更好的傳熱，實(shí)驗(yàn)時(shí)將輻射板內(nèi)部充注純凈水。人工小室內(nèi)的輻射板供回水通過PPR管與冷水箱連接，連接管路上設(shè)有循環(huán)水泵和流量調(diào)節(jié)閥。

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集記錄裝置

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備是安捷倫34980A，并通過臺(tái)式機(jī)電腦實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中各溫度測(cè)點(diǎn)的布置：人工氣候小室內(nèi)總計(jì)布有21個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，采用PT100熱電阻溫度傳感器,測(cè)溫精度為±0.1 ℃。溫度測(cè)點(diǎn)包括小室墻壁表面8個(gè)測(cè)點(diǎn)，地板表面溫度2個(gè)測(cè)點(diǎn)，輻射板表面6個(gè)測(cè)點(diǎn)，模擬人體頭部、腰部、踝部3測(cè)點(diǎn)，輻射板供、回水水溫2個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

輻射板的供冷性能與其冷媒流量正相關(guān)，實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)流量開關(guān)，設(shè)置兩組不同輻射板冷媒供回水流量：0.026 L/s，0.039 L/s。本實(shí)驗(yàn)中輻射板冷媒水流量較常規(guī)實(shí)際工程輻射板冷媒水流量高約1倍～1.5倍[7]符合相關(guān)的輻射板制冷國(guó)家規(guī)范，這樣設(shè)計(jì)可以縮短輻射制冷的啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)可以加快輻射板蓄冷過程。人工氣候小室內(nèi)的加濕器將室內(nèi)相對(duì)濕度(RH)分別控制在50%±5%，60%±5%，70%±5%，小室中心空氣溫度控制在29 ℃±0.5 ℃，30 ℃±0.5 ℃，31 ℃±0.5 ℃三個(gè)溫度范圍，符合實(shí)際的輻射板制冷運(yùn)行工況。根據(jù)所設(shè)計(jì)的工況可以考察輻射板冷媒流量、室內(nèi)空氣溫度以及相對(duì)濕度這三個(gè)主要指標(biāo)變化對(duì)溝槽式輻射板的供冷性能的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)通過以上三個(gè)參數(shù)變化組合，共測(cè)試了18個(gè)工況。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

現(xiàn)以代表性工況2(RH50%)、工況5(RH60%)、工況8(RH70%)為例進(jìn)行分析，這三個(gè)工況的供回水流量都是0.026 L/s，小室空氣溫度均為30 ℃(35 cm溫度測(cè)點(diǎn))。考慮到三個(gè)工況的供冷時(shí)長(zhǎng)均為1 h，為了反映輻射板穩(wěn)定供冷時(shí)的性能，去掉了300 s以前采集的數(shù)據(jù)。表1給出這三個(gè)工況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要是小室圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，輻射板供冷時(shí)表面平均溫度，輻射板的供冷量等。實(shí)驗(yàn)中通過控制小室壁面電熱膜的加熱量保持壁面溫度為29.5 ℃～32.5 ℃，以此模擬實(shí)際房間的得熱量。地板溫度控制范圍是24.1 ℃～26.2 ℃，主要考慮到實(shí)際房間地板通常不構(gòu)成熱源，故沒有進(jìn)行地板加熱設(shè)計(jì)。輻射板的進(jìn)、出水水溫控制17.94 ℃～19.31 ℃，進(jìn)、出口水溫差在0.59 ℃～0.78 ℃之間。在此條件下，工況2、工況5、工況8的單位面積供冷量(按垂直方向投影面積計(jì)算，且折算成標(biāo)準(zhǔn)流量)分別是73.2 W,90.2 W和97.2 W，與普通金屬輻射板供冷能力相當(dāng)。由表1的工況2與工況3數(shù)據(jù)比較可以看出，當(dāng)輻射板表面溫度相同時(shí)，溝槽式輻射板的供冷能力主要與圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度有關(guān)，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度提高2.1 ℃～2.5 ℃時(shí)，輻射板的供回水溫差加大，工況5的單板供冷量較工況2提高約23%。

表1 工況2、工況5、工況8的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(部分)

圖2～圖4給出了輻射板在工況時(shí)輻射板表面14～19溫度測(cè)點(diǎn)以及板入口和出口溫度的變化值。

由圖2～圖4可見，對(duì)于三個(gè)工況，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，溝槽式輻射板供回水溫差均保持較穩(wěn)定。輻射板表面各測(cè)點(diǎn)的溫度值隨供回水平均溫度的升高而升高。在各工況下，同一時(shí)刻板間各測(cè)點(diǎn)溫度差值較明顯，反映出溝槽式輻射板表面仍然存在較大的溫度不均勻性。對(duì)于14～19各測(cè)點(diǎn)，工況2、工況5、工況8板間最大溫差分別是2.36 ℃，2.3 ℃和2.1 ℃。

工況2、工況5、工況8對(duì)應(yīng)的室內(nèi)的空氣溫度均為30 ℃，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)溝槽式輻射板的結(jié)露情況進(jìn)行了觀察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明RH在45%～55%時(shí)的(工況2)輻射板的板表面沒有結(jié)露，RH在55%～65%時(shí)的(工況5)輻射板的板表面有輕微結(jié)露，當(dāng)RH在65%～75%時(shí)，輻射板的板表面結(jié)露情況比較嚴(yán)重，但無露水從溝槽式輻射板上掉落。

為了考察溝槽式輻射板供冷時(shí)室內(nèi)垂直方向的溫度變化，根據(jù)相似理論，在縮尺模型下，本文實(shí)驗(yàn)測(cè)定了同一流量(0.026 L/s)下，輻射板供冷的9個(gè)工況時(shí)的小室地板0 cm,2 cm處(模擬實(shí)際情況10 cm處)，22 cm處(模擬實(shí)際情況1.1 m處)，35 cm處(模擬實(shí)際情況1.75 m處)的空氣溫度。獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 工況1～工況9人工氣候小室垂直方向各測(cè)點(diǎn)溫度變化值

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，溝槽式輻射板供冷的小室內(nèi)22 cm測(cè)點(diǎn)處的溫度與35 cm測(cè)點(diǎn)處的溫度差相差不超過0.6 ℃。這種工況相當(dāng)于實(shí)際房間內(nèi)采用本文的溝槽式輻射板供冷時(shí)，人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)垂直方向上溫度梯度小于3 ℃/m，符合ISO 7730 標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到本實(shí)驗(yàn)中地板表面溫度較低，實(shí)際上起到了對(duì)其表面附近的空氣及物體進(jìn)行供冷的作用，因此本實(shí)驗(yàn)中，小室內(nèi)垂直方向上溫度場(chǎng)受多因素影響，其溫度數(shù)值不能完全反映溝槽式輻射板的熱舒適性能，相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還有待于完善。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用北方冬季室外低溫環(huán)境的天然冷源，所開發(fā)的輻射板供冷性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以較好的完成輻射板供冷性能實(shí)驗(yàn)，并大幅度降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。本實(shí)驗(yàn)中采用的溝槽式輻射板具有較穩(wěn)定的供冷性能，單位面積供熱量為70 W～100 W。輻射板壁面各測(cè)點(diǎn)最高溫度與最低溫度的差值均不超過2.5 ℃，表明該輻射板表面溫度分布較均勻。采用本輻射板供冷的人工氣候小室室內(nèi)空氣溫度場(chǎng)滿足室內(nèi)熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)。