肖凱天，李曌然，鄧美奇，楊繪乾，徐科文，劉冠志

（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040）

0 引言

近些年輻射供冷日趨發(fā)展，其研究方向也有很多方面，其中能耗特性的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和是有重要意義的，節(jié)能性是輻射供冷空調(diào)的一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題，可利用輻射末端的蓄能及削峰填谷作用降低建筑空調(diào)系統(tǒng)的尖峰能耗。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的蓄冷主要依靠輻射板內(nèi)部銅管與溝槽間的冷水，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)可結(jié)合相變儲(chǔ)能材料或利用建筑結(jié)構(gòu)的蓄能聯(lián)合使用。文獻(xiàn)[1]提出了一種集相變材料、微槽道熱管、丙烯酸樹(shù)脂輻射制冷板為一體的新型節(jié)能墻體，得出了這種結(jié)合方法在降低室內(nèi)溫度方面和減少得熱量方面有較好的節(jié)能作用的結(jié)論。目前，復(fù)合材料在預(yù)防潮解的情況下運(yùn)行，也有望成為建筑內(nèi)廣泛應(yīng)用的長(zhǎng)期蓄熱材料[2]。很多學(xué)者也對(duì)輻射板供冷量的影響因素開(kāi)展研究，如邸宇航等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了供水溫度、供水流量、輻射板表面風(fēng)量、供水時(shí)間對(duì)表面換熱量的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，供水溫度與輻射板表面風(fēng)量對(duì)輻射板表面換熱量影響最大。輻射供冷也有很多優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)有很大的市場(chǎng)前景，文獻(xiàn)[4]研究輻射頂板空調(diào)系統(tǒng)得出結(jié)論：輻射制冷的冷效應(yīng)快, 受熱緩慢。在制冷期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地面和環(huán)境中的設(shè)備表面吸收輻射冷量, 并貯存一部分冷量, 制冷停止后, 這些貯存的冷量開(kāi)始向周邊環(huán)境散發(fā), 還可以保持一定的冷環(huán)境。因此對(duì)適宜于家用的小型蓄冷空調(diào)的需求也應(yīng)運(yùn)而生。

綜上所述，隨著國(guó)家雙碳政策的提出，節(jié)能性已成為輻射供冷的研究熱點(diǎn)，并且改善輻射末端能夠起到有效削峰填谷的作用，進(jìn)而降低建筑空調(diào)系統(tǒng)的尖峰能耗，有利于我國(guó)建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)，因?yàn)榻ㄖ芎囊颜忌鐣?huì)總能耗的相當(dāng)一部分比例。本文研究的溝槽式輻射板為懸掛式輻射板，由于人體頭部區(qū)域溫度最高，所以頂板輻射供冷比墻面式、地面式有更好的熱舒適性。因此，為進(jìn)一步研究溝槽充液式輻射板的供冷性能，本文將對(duì)該新型輻射板的調(diào)峰特性、室內(nèi)溫度波動(dòng)等情況開(kāi)展研究，為該輻射板的推廣上市做準(zhǔn)備。

1 輻射供冷的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展

在當(dāng)前世界范圍內(nèi)能源短缺及我國(guó)節(jié)能減排的形勢(shì)下, 空調(diào)制冷系統(tǒng)盡可能地采用低能耗方式已是大勢(shì)所趨。輻射板供冷系統(tǒng)起源于20世紀(jì)70年代的歐洲，供冷輻射板進(jìn)入國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)已經(jīng)很長(zhǎng)一段時(shí)間了，其應(yīng)用類型主要分為毛細(xì)管型輻射板、混凝土型輻射板和金屬輻射板。輻射板可與圍護(hù)結(jié)構(gòu)相配合，可充分利用室內(nèi)的頂棚地板墻體，常見(jiàn)的形式有直埋、敷設(shè)、懸掛[5]。各種類型的輻射板都有一定的發(fā)展，文獻(xiàn)[6]對(duì)混凝土輻射地板的蓄釋熱性能做了研究，結(jié)果表明：供暖工況的時(shí)間常數(shù)快于供冷工況,混凝土輻射地板溫度更易趨于穩(wěn)定。輻射供冷與傳統(tǒng)空調(diào)相比，也有很大的優(yōu)勢(shì)。輻射供冷系統(tǒng)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)主要在于顯著節(jié)約能源，據(jù)Kurt W. Roth在Energy Saving Potntial中的研究表明，冷卻板/冷梁與專用室外空氣系統(tǒng)結(jié)合使用相對(duì)于可變風(fēng)量系統(tǒng)可減少供冷和通風(fēng)能耗25%～30%。空調(diào)的冷媒主要是比熱容較小的空氣，而輻射供冷的冷媒主要是比熱容較大的水，這樣在吸收相同冷負(fù)荷的情況下，輻射供冷需要介質(zhì)的質(zhì)量更少，那么從驅(qū)動(dòng)冷媒流動(dòng)的耗能角度來(lái)說(shuō)，輻射供冷比傳統(tǒng)的空調(diào)有很大的優(yōu)勢(shì)。常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)溫濕度同時(shí)處理，一方面在降溫除濕后再加熱的方式能耗較大，另一方面用低溫（一般為7 ℃）的冷凍水除濕，這樣冷凍機(jī)的效率會(huì)下降，而輻射冷吊頂與新風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)合使用能實(shí)現(xiàn)溫濕度的獨(dú)立控制，解決提高能量消耗解決濕度過(guò)高的問(wèn)題，在節(jié)能方面有很大潛力。文獻(xiàn)[7]對(duì)天棚輻射板+獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，其具有較高舒適度，變水溫控制可減少結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。21世紀(jì)以來(lái)，除了對(duì)結(jié)露的除濕要求外，高溫供冷也是學(xué)術(shù)界重點(diǎn)關(guān)心的問(wèn)題，因?yàn)檫@種系統(tǒng)在降低冷熱源溫度品位方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)┒伺c實(shí)驗(yàn)過(guò)程

輻射末端采用溝槽充液式輻射板，如圖2所示，材料為鋁合金，焊接，板長(zhǎng)70 cm，寬50 cm，厚6 cm，下表面為向下突出的連續(xù)直角肋壁，在輻射板內(nèi)部形成9個(gè)直角溝槽，每個(gè)溝槽內(nèi)部布置一個(gè)直徑為6 cm的U型供水銅管，運(yùn)行時(shí)銅管內(nèi)流動(dòng)著供水溫度為15～17 ℃的冷水作為冷媒，輻射板溝槽與銅管間也充滿冷水，蓄存冷量，當(dāng)室內(nèi)有沖擊冷負(fù)荷時(shí)，蓄存的冷量得以釋放，可減少室內(nèi)溫度波動(dòng)。板間的冷水使輻射板有良好的蓄冷性能，會(huì)使換熱銅管與鋁合金輻射板間傳熱效率更高。

圖2 輻射板結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將北方冬季低溫冷環(huán)境的冰塊放在冰盒里作為系統(tǒng)的冷源，不使用冷水機(jī)組，符合節(jié)能減排的要求，冷源制出的冷水再與輻射板的冷媒通過(guò)中間換熱桶（冷水箱）內(nèi)的銅管進(jìn)行換熱。本次實(shí)驗(yàn)的研究有一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備是Agilent安捷倫34980A，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至電腦中并被儲(chǔ)存記錄。溫度測(cè)量的儀器為PT100熱電阻溫度傳感器,測(cè)溫精度為±0.1 ℃。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理如圖1所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，將冰塊放入蓄冰盒中作為系統(tǒng)的冷源，冷源制出的冷水與中間換熱罐內(nèi)的冷媒進(jìn)行換熱，具體換熱過(guò)程為：設(shè)定溫度開(kāi)關(guān)的閾值，當(dāng)冷水箱與輻射板換熱使溫度高于預(yù)定閾值時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)打開(kāi)，使系統(tǒng)冷源與冷水箱進(jìn)行換熱降溫，新型溝槽輻射板安裝在人工氣候小室內(nèi)，將輸出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入另一個(gè)房間的電腦內(nèi)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

時(shí)間常數(shù)表示響應(yīng)變化的快慢，可將它作為輻射板熱慣性大小的衡量尺度，從而分析其調(diào)峰特性，輻射板的時(shí)間常數(shù)可以用公式τ=∑{ciρiδi÷(1÷R+hc+hr)}作參考,式中：ci、ρi、δi分別為輻射板各層材料的比熱、密度、厚度；R為輻射板熱阻；hc為對(duì)流換熱系數(shù)；hr為長(zhǎng)波輻射換熱系數(shù)。輻射板上方另附有δ=0.05 m的橡塑絕熱材料，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。

以下對(duì)供水流量為0.026 L/s，相對(duì)濕度為60%±5%，輻射板進(jìn)、出口溫度為17.6～19.2 ℃之間的典型工況進(jìn)行闡述。實(shí)驗(yàn)中用電熱膜將人工實(shí)驗(yàn)間的壁溫加熱至29℃，以此模擬實(shí)際房間的得熱量。由于實(shí)際房間地板通常不構(gòu)成熱源，因此沒(méi)有進(jìn)行地板加熱設(shè)計(jì)。在輻射板表面布置有溫度測(cè)點(diǎn)（如圖3），再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，做出輻射板壁面溫度逐時(shí)變化曲線（如圖4），經(jīng)計(jì)算，當(dāng)溫差變化為0.632ΔT時(shí)的時(shí)間為820 s，由于輻射板內(nèi)表面與銅管間充有蓄冷介質(zhì)，故輻射板壁面溫度變化要比普通金屬輻射板的溫度變化慢，這也是當(dāng)室內(nèi)有溫度擾動(dòng)（如太陽(yáng)輻射、進(jìn)出人員）時(shí)，室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍不大的主要原因，有很好的熱舒適性。

圖3 小室內(nèi)輻射板測(cè)點(diǎn)分布情況

對(duì)于供冷量的研究，本實(shí)驗(yàn)用溫度傳感器逐時(shí)追蹤供回水溫度，輻射板入水口溫度和出水口溫度變化曲線如圖5所示，用公式Q=ρVCp（t2-t1）來(lái)計(jì)算供冷量，式中：t2為輻射板出水口溫度；t1為輻射板進(jìn)水口溫度。實(shí)驗(yàn)工況為：供水流量0.026 L/s，相對(duì)濕度為60%±5%，輻射板進(jìn)、出口溫度為17.6～19.2 ℃之間。計(jì)算得輻射供冷量為68.4～80.2 W/m2。

圖5 出水口、入水口溫度變化曲線

小室內(nèi)空氣是否穩(wěn)定也是評(píng)價(jià)輻射板供冷的熱舒適性依據(jù)之一，為此對(duì)小室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐時(shí)追蹤，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示，可以得出結(jié)論：小室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)最終穩(wěn)定在27.5～28 ℃之間，從圖6可見(jiàn)，在380 s左右小室內(nèi)空氣溫度進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的階段。

圖6 小室內(nèi)空氣溫度變化曲線

為了考察溝槽式輻射板供冷的蓄冷調(diào)峰特性，該輻射板能提供多少蓄冷量也是重要的依據(jù)，根據(jù)出水口、入水口溫度變化及小室內(nèi)空氣溫度變化情況，本文選取多個(gè)實(shí)驗(yàn)工況，記錄不同工況下該新型溝槽充液式輻射板的蓄冷量，獲得的實(shí)驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示?？梢缘贸鼋Y(jié)論：溝槽充液式輻射板的供冷能力與市面上現(xiàn)有的金屬平頂輻射板等相當(dāng)，但經(jīng)過(guò)后期設(shè)計(jì)（如加工表面紋路、增加材料等措施）形成最終的成品后供冷量還是非?？捎^的。

表1 人工氣候小室內(nèi)輻射板的蓄冷量值

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)輻射板的調(diào)峰特性進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該輻射板的時(shí)間常數(shù)為820 s，原因在于溝槽與銅管間儲(chǔ)存有冷水，有較強(qiáng)的蓄冷性能，能很好地抵擋室內(nèi)溫度擾動(dòng)，使室溫恒定。應(yīng)當(dāng)指出的是，本文開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的不足之處在于冷源不夠穩(wěn)定，精度有待提高。然后依據(jù)JGJ 142-2012《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》搭建了輻射供冷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且以人體在室內(nèi)感受溫度部位（頭部、腰部、腳部）布置測(cè)點(diǎn)得到數(shù)據(jù)。小室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)也最終穩(wěn)定在27.5～28.0 ℃之間，在本文的實(shí)驗(yàn)工況下，該輻射板的供冷量為68.4～80.2 W/m2，有較好的供冷性能，也可減小室內(nèi)安裝面積。