戴博斌， 馬景輝

（浙江理工大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系，杭州 310018）

0 引言

現(xiàn)代都市的生活，人們大部分時(shí)間在建筑物中度過，期望獲得令人滿意的室內(nèi)熱舒適環(huán)境［1］。然而，由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度不同，即使在室內(nèi)空氣溫度均勻分布的條件下，人體的不同身體區(qū)域也經(jīng)常暴露在不對(duì)稱輻射熱環(huán)境中［2-5］。由于人體的整體熱舒適與局部熱感覺密切相關(guān)，許多學(xué)者為改善室內(nèi)不對(duì)稱熱環(huán)境下的人體熱舒適做出各種努力。Zhang等［6］通過冬季辦公室的個(gè)人暖腳器實(shí)驗(yàn)，提出在“較低的供暖設(shè)定溫度加上居住者可控制的暖腳器”，與“較高的供暖設(shè)定溫度而不使用暖腳器”的條件相比，人體可以達(dá)到同等的熱舒適，且節(jié)能效果顯著。Akimoto等［7］研究了冬季相鄰工作站的局部通風(fēng)設(shè)備對(duì)人體熱舒適的影響。結(jié)果顯示，通過調(diào)整局部通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量和送風(fēng)方向，人體能夠保持幾乎相同的整體熱舒適。Zeiler等［8，9］通過輻射熱燈照射手部的實(shí)驗(yàn)，通過適當(dāng)提高指尖溫度能夠使整體熱感覺達(dá)到中性。

綜上所述，現(xiàn)有的研究主要集中在利用對(duì)流傳熱、導(dǎo)熱裝置或增加高溫輻射面來改善人員的局部熱感覺。利用輻射的方向性改善局部輻射熱環(huán)境的研究并不充分。因此文中提出指向型熱輻射（DHR）裝置，從輻射裝置對(duì)室內(nèi)局部作用溫度（LOT）的影響出發(fā)，闡述DHR熱輻射裝置的工作原理，并通過試驗(yàn)研究了加熱條件下不同布置方式的DHR裝置的熱性能。

1 指向型熱輻射裝置

如圖1所示，在空間中，有一個(gè)反射罩開口面法線N1的DHR單元和一個(gè)法線N2的表面A2。DHR單元是一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的漫射單元，由一個(gè)輻射管和一個(gè)半圓柱形的反射罩組成，輻射管發(fā)射的輻射能經(jīng)過直接照射和反射罩反射，從反射罩開口面A1發(fā)射到空間中。如圖1所示，當(dāng)DHR單元的反射罩被固定在一個(gè)位置并正向設(shè)置時(shí)，N1和N2與連接線S的角度分別為β1和β2。反射罩開口面A1對(duì)表面A2的輻射能量QA1-A2和角系數(shù)FA1-A2如式（1）所示［10］。

式中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，W·（m2·K4）-1；Tro為反射罩開口表面熱力學(xué)溫度，K；S為連接線長度，m；A1為反射罩開口面面積，m2。

由圖1所示，當(dāng)DHR單元旋轉(zhuǎn)并指向表面A2（指向設(shè)置）時(shí)，反射罩開口面的法線N1和連接線S重合。面積A1、連接線長度S和角度β2不變，角系數(shù)FA1-A2隨著角度β1減小到0而增大，輻射能量QA1-A2增大，表面A2的輻射溫度增大。因此，當(dāng)多個(gè)可旋轉(zhuǎn)的DHR單元組成的DHR裝置指向表面A2時(shí)，表面A2所在局部空間的作用溫度上升。

圖1 DHR單元工作原理圖

2 試驗(yàn)概況

2.1 實(shí)驗(yàn)室概況

DHR裝置熱輻射性能測試系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)由冷熱源、保溫水箱、自吸泵、電磁流量計(jì)、DHR裝置模塊、全數(shù)字動(dòng)態(tài)熱像儀等組成。圖3顯示了系統(tǒng)的示意圖。

圖2 DHR裝置熱輻射性能測試系統(tǒng)

圖3 系統(tǒng)示意圖

2.2 DHR實(shí)驗(yàn)裝置模塊

如圖4所示，一個(gè)DHR單元由直徑d=12mm的紫銅管和寬度w=40mm的半圓柱形反射罩組成。在實(shí)驗(yàn)中，銅管的外表面涂有發(fā)射率為ε1=0.95的石墨。半圓柱形反射罩的內(nèi)表面具有反射率ρ=0.95的反射層，外表面用導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.034W/（m·K）的10mm厚的橡塑保溫棉進(jìn)行保溫。

圖4 DHR裝置模塊

DHR實(shí)驗(yàn)裝置模塊由一個(gè)帶有50mm厚聚苯乙烯（EPS）泡沫板的隔熱室和一個(gè)DHR裝置組成。隔熱室的尺寸為1000mm×1000mm×1000mm（長×寬×高）。DHR裝置被布置在隔熱室墻壁的中央，由7個(gè)DHR單元組成，管間距為80mm，整體尺寸為520mm×520mm（長×寬）。在隔熱室的中心設(shè)有直徑40mm黑球溫度計(jì)，用于測量空間一點(diǎn)的局部作用溫度。

2.3 測試儀器

DHR裝置熱輻射性能測試系統(tǒng)的測點(diǎn)布置如圖5所示，黑球溫度計(jì)分別放置在DHR裝置表面中心的法線方向，分別測量100、200、300mm和400mm處的局部作用溫度θb，球體周圍的風(fēng)速vea由德圖葉輪風(fēng)速儀測量。如圖5所示，DHR單元被水平向下排列，其測點(diǎn)被安排在標(biāo)有2和5的DHR單元。T型熱電偶沿水流方向每隔50mm放置，分別測量反射罩內(nèi)壁溫度θri，1、管壁溫度θpo、反射罩空氣溫度θra和反射罩開口溫度θro。實(shí)驗(yàn)室中使用的測量儀器如表1所示。

圖5 DHR裝置熱輻射性能測試系統(tǒng)的測點(diǎn)布置

表1 測試儀器及性能參數(shù)

2.4 實(shí)驗(yàn)工況

為了研究不同布置方式DHR裝置的反射器角度α對(duì)不同位置局部作用溫度的影響，在加熱條件下進(jìn)行了15次實(shí)驗(yàn)，如表2所示。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度設(shè)定為19.8±0.3℃，進(jìn)水溫度為49.6±0.3℃，供水流量為7L/min。如圖6所示，在實(shí)驗(yàn)中，DHR裝置的背面由50mm厚的橡膠絕緣棉進(jìn)行保溫。每個(gè)條件的測試時(shí)間為30min，測試儀器的采集頻率為10s。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

圖6 3種不同布置方式的DHR裝置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7顯示了供熱條件下垂直和正向設(shè)置的DHR裝置的熱像圖。如圖7所示，當(dāng)DHR裝置正向設(shè)置時(shí)，在49.6℃的供水溫度下，反射罩內(nèi)各表面溫度均在35℃以上。每個(gè)DHR單元都能將銅管的熱輻射集中在一個(gè)半圓柱形的反射罩中。

圖7 垂直和向前設(shè)置的DHR裝置的熱像

圖8顯示了3種不同布置方式下正向設(shè)置的DHR單元銅管每單位管長換熱量。從圖8中可以看出，相同供熱條件下，水平向下、垂直、水平向上布置的DHR單元的銅管表面溫度、反射罩內(nèi)表面溫度和反射罩開口表面依次下降，銅管表面溫度分別為42.4、38.1℃和36.1℃，反射罩內(nèi)表面溫度分別為39.6、34.5℃和33.1℃，反射罩開口表面溫度分別為36.9、28.8℃和24.7℃，而銅管能耗依次上升，銅管每單位管長換熱量分別為45.48、53.73W/m和63.73W/m。DHR裝置的銅管每單位管長換熱量隨水平向下、垂直、水平向上布置依次增長，但輻射換熱量占比依次下降，從97.39%下降到88.56%，對(duì)流換熱量占比依次上升，從2.61%上升到11.44%?？梢?，自然對(duì)流對(duì)不同布置方式下DHR單元的影響不可忽視，水平向上布置的DHR單元受自然對(duì)流影響最為顯著，導(dǎo)致DHR單元的銅管表面溫度和反射罩開口表面溫度顯著下降。

圖8 DHR單元內(nèi)表面溫度及銅管每單位管長換熱量

圖9顯示了3種不同布置方式下的DHR裝置在正向和指向設(shè)置時(shí)，分別在距DHR裝置中心100、200、300mm和400mm處的局部作用溫度和相同距離下正向和指向設(shè)置時(shí)的局部作用溫度差Δθb。從圖9中可以看出，無論DHR裝置為正向或指向設(shè)置，在3種不同布置方式下，局部作用溫度均隨著距離的增加而降低，這是由于DHR裝置對(duì)黑球的輻射隨著距離的增加而衰減。DHR裝置正向設(shè)置，且分別水平向下、垂直和水平向上布置時(shí)，距DHR裝置中心100mm處的局部作用溫度分別為24.7、22.4℃和21.2℃，這是由于DHR裝置為水平向下且正向設(shè)置時(shí)，自然對(duì)流對(duì)DHR單元的影響較小，DHR單元各表面的溫度較高，局部作用溫度升高。

圖9 DHR裝置不同布置方式下局部作用溫度

從圖9中可以看出，在DHR裝置3種不同布置方式下，各DHR單元反射罩旋轉(zhuǎn)并聚焦在100、200、300mm和400mm處黑球時(shí)，相應(yīng)位置的局部作用溫度達(dá)到最高值，這是由于反射罩旋轉(zhuǎn)之后，DHR單元對(duì)相應(yīng)位置的黑球的角系數(shù)增加最多所引起的。DHR單元聚焦前后的相同位置的局部作用溫度差用來表述DHR裝置的局部加熱效果。如圖9（a）所示，指向設(shè)置和正向設(shè)置的DHR裝置在100、200、300mm和400mm處的局部作用溫度差分別為1.0、0.7、0.5℃和0.4℃。局部作用溫度差隨著與DHR裝置中心距離的增加而減小，且在相同距離下高于DHR裝置垂直和水平向上布置時(shí)的局部作用溫度差。DHR裝置在水平向下布置時(shí)對(duì)黑球的指向熱輻射效果最為明顯，約為水平向上布置的2倍。

為了明確文中實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的可信賴程度，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中直接測量值（溫度）和間接測量值（銅管每單位管長換熱量）進(jìn)行了不確定性分析［11］。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度由不確定度A類分量ΔA和B類分量ΔB組成。不確定度A類分量先根據(jù)測量次數(shù)和每次測量值得出算術(shù)平均值m，再根據(jù)貝塞爾公式得出測量值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差σm。不確定度B類分量由測量儀器標(biāo)定的最大允差來表述。合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u由不確定度A類分量和B類分量的均方根進(jìn)行計(jì)算，如式（2）所示。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和算術(shù)平均值計(jì)算得到，如式（3）所示。

根據(jù)測量儀器的不確定度、式（2）和式（3），結(jié)合各測量參數(shù)在實(shí)際測量過程中的數(shù)值，計(jì)算得到直接測量值的最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±2.6%，間接測量值的最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±5.7%。

4 結(jié)語

為了研究非均勻輻射熱環(huán)境下指向型熱輻射裝置對(duì)局部輻射熱環(huán)境的影響，文中從室內(nèi)局部作用溫度出發(fā)，通過試驗(yàn)研究了加熱條件下不同布置方式下DHR裝置的指向熱輻射性能，并對(duì)不同布置方式下DHR裝置的能耗進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）DHR裝置在不同布置方式下，自然對(duì)流對(duì)其的影響不可忽視。DHR裝置水平向下布置時(shí)受自然對(duì)流影響最小，銅管單位管長換熱量最低。

（2）DHR裝置水平向下布置時(shí)，DHR單元內(nèi)各表面溫度最高，因此指向熱輻射效果最好，是水平向上布置的2倍。

（3）文中通過試驗(yàn)驗(yàn)證了DHR裝置的指向熱輻射效果，為室內(nèi)非均勻輻射熱環(huán)境下改善局部輻射熱環(huán)境提供了一種方法。