喬俊宇 畢 晨 王 成 金梧鳳

（1.天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津商業(yè)大學(xué) 天津 300134；2.天津市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 天津 300074）

引言

作為一種新型的室內(nèi)熱環(huán)境控制系統(tǒng)，輻射吊頂供冷系統(tǒng)（CRCP）在近年來逐漸受到行業(yè)的重視。CRCP系統(tǒng)具有優(yōu)秀的熱舒適性和節(jié)能性，但是存在易結(jié)露和制冷量不足的缺陷[1-3]，尤其是在濕熱氣候區(qū)（如中國長(zhǎng)江流域）應(yīng)用時(shí)，如何在不結(jié)露的前提下提高其制冷量成為一個(gè)關(guān)鍵問題[4,5]。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)輻射空調(diào)制冷量不足的問題進(jìn)行了大量研究。Jeong 和 Mumma 提出了一種適用于自由懸掛式的金屬吊頂輻射板的制冷量預(yù)測(cè)模型，研究表明與自然對(duì)流條件的制冷量相比，由機(jī)械通風(fēng)引起的混合對(duì)流可使輻射板制冷量提高 （16 ～71）%[6,7]。Z. Tian 的研究發(fā)現(xiàn)[8]，與標(biāo)準(zhǔn)條件下實(shí)驗(yàn)室測(cè)的數(shù)據(jù)相比，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，CRCP 系統(tǒng)的制冷量可提高17.1 %，應(yīng)該對(duì)輻射板標(biāo)稱制冷量應(yīng)用修正系數(shù)來修正，以得到實(shí)際應(yīng)用情況下的制冷量；L. Zhang 通過實(shí)驗(yàn)研究了一種帶有傾斜鋁翅片的自由懸掛輻射板的性能[9]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，制冷量與自由懸掛的平板系統(tǒng)相比提高了19 %，與普通封閉式的輻射吊頂系統(tǒng)相比提高了92 %，M. Ye 和AA Serageldin 提出了一種用于輻射制冷板的分段和凹面結(jié)構(gòu)，通過降低輻射板冷表面的溫度不均勻性來實(shí)現(xiàn)較高的輻射板表面平均溫度，相較于傾斜翅片輻射板和傳統(tǒng)平板有更高的效率[10,11]。

本文提出通過開放式安裝提高輻射吊頂供冷系統(tǒng)的制冷量。由于輻射板上表面可以降低上部空間的溫度，通過輻射板之間不同的開口使上部空間較冷的空氣下降到下部空間，而較暖的下部空間空氣上升到上部空間，促進(jìn)了測(cè)試房間內(nèi)的空氣混合從而增加系統(tǒng)的制冷量[12,13]。采取輻射板開放式安裝的方式將成為解決輻射吊頂供冷系統(tǒng)制冷量不足的一種途徑。另一方面，不同的建筑結(jié)構(gòu)和裝修需求也對(duì)輻射板的安裝方式提出了更多元化的需求，因此，預(yù)計(jì)開放式安裝的輻射吊頂系統(tǒng)將會(huì)增加。

但由于沒有足夠的關(guān)于開放式輻射吊頂?shù)膮⒖蓟蛟O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，因此很難選擇開放式安裝這種設(shè)計(jì)方案。本文旨在得到關(guān)于開放式輻射吊頂系統(tǒng)制冷性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了開放式安裝有助于提高CRCP 系統(tǒng)制冷量的假設(shè)，為進(jìn)一步研究開放式CRCP 系統(tǒng)制冷性能奠定基礎(chǔ)。

1 參考標(biāo)準(zhǔn)及基礎(chǔ)理論

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，需要選定參考標(biāo)準(zhǔn)，便于制定實(shí)驗(yàn)方案，以及進(jìn)行制冷量的計(jì)算。本文選定標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 138 中的測(cè)試方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[14]。

ASHRAE 138標(biāo)準(zhǔn)中將一面墻壁加熱作為模擬外墻提供熱源，更貼近實(shí)際情況，此外考慮到ASHRAE 138 中關(guān)于CRCP 系統(tǒng)制冷量的計(jì)算中對(duì)于特征溫差的定義可以使研究結(jié)果的應(yīng)用更加廣泛，因此本文采用ASHRAE 138 對(duì)CRCP 系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

在ASHRAE138 標(biāo)準(zhǔn)中，最終計(jì)算的CRCP 系統(tǒng)的制冷量是關(guān)于溫差的函數(shù)，其計(jì)算公式如下所示：

式中：

Q—輻射板制冷量，W；

cp—水的比熱容，取4.18 kJ/（kg·℃）；

m—輻射板供水流量，kg/s；

tout—輻射板回水溫度，℃；

tin—輻射板供水溫度，℃；

q—輻射板單位面積制冷量，W/m2；

A—輻射板面積，m2。

C 和n 為常數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)中其具體數(shù)值是由實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)擬合而來，另外針對(duì)性能曲線中的溫差 Δt，ASHRAE 中給出了三種定義：輻射板表面平均溫度和室內(nèi)空氣溫度的溫差、供回水平均溫度和室內(nèi)空氣溫度的溫差、供回水平均溫度和室內(nèi)操作溫度的溫差，其計(jì)算公式如下所示：

式中：

ta—室內(nèi)空氣溫度，℃

tp—輻射板表面平均溫度，℃

tm—供回水平均溫度，℃

tmr—室內(nèi)平均輻射溫度，℃。

考慮到輻射板吊頂空氣系統(tǒng)在制冷過程中，供回水向室內(nèi)傳遞熱量時(shí)，需要先對(duì)輻射板表面進(jìn)行降溫再通過板表面與室內(nèi)空氣換熱，直接參與室內(nèi)換熱的是輻射板表面。由于不同的輻射板內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)熱量傳遞的過程造成不同的影響。本次研究為了得到適用性更廣的研究結(jié)果，不考慮輻射板本身結(jié)構(gòu)對(duì)輻射板制冷量的影響，因此本次研究采用公式（4）中的輻射板表面平均溫度和室內(nèi)空氣溫度的溫差計(jì)算制冷量。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)概況

實(shí)驗(yàn)共分為兩個(gè)部分：開放式CRCP 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)封閉式CRCP 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比開放式和封閉式系統(tǒng)的制冷量，驗(yàn)證開放式安裝型式對(duì)提高制冷量的可行性，實(shí)驗(yàn)在如圖1 所示輻射板距地面2 m 的4.8 m*3 m*2.3 m 的實(shí)驗(yàn)艙中進(jìn)行[15,16]，實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)流程圖如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)流程圖

ASHRAE 138 是將一面墻壁加熱作為模擬外墻提供熱源，因此為了使室內(nèi)空氣溫度維持在24 ℃±2 ℃，需要改變模擬外墻的溫度。采用在南側(cè)外墻敷設(shè)3 m*1.7 m的電薄膜作為模擬外墻提供熱源（電薄膜安裝實(shí)物圖如圖5 所示），電薄膜溫度控制精度為±0.5 ℃。為了防止電薄膜與室內(nèi)局部隔射過大，在電薄膜前設(shè)置3 m*1.5 m 的擋板，其距離電薄膜0.45 m，擋板的上下部分要留出一定的空隙，上邊界距離輻射板表面0.2 m，可以通過空氣對(duì)流的形式將電薄膜的熱量傳遞至室內(nèi)。

房間共布置9 塊尺寸為0.8 m*1.5 m 的輻射板，9塊輻射板之間緊密布置，距離門側(cè)內(nèi)墻、東墻和西墻均為0.3 m，總面積為10.8 m2，共占房間總面積的75 %。組成水系統(tǒng)的管路當(dāng)中，供回水主管外徑為20 mm，毛細(xì)管網(wǎng)中的毛細(xì)管外徑為4.3 mm，輻射板表面采用0.8 mm 的微孔鋁板，毛細(xì)管與微孔鋁板緊密接觸，確保其具有良好的導(dǎo)熱性，用于增強(qiáng)毛細(xì)管對(duì)室內(nèi)空氣的傳熱。輻射板安裝和輻射板內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖分別如圖3 和圖4所示。為使輻射板表面溫度均勻，在毛細(xì)管上敷設(shè)一層5 mm 厚的均熱鋁箔。對(duì)于封閉式CRCP 的實(shí)驗(yàn)，在輻射板上表面敷設(shè)20 mm 厚的保溫層，而對(duì)于開放式CRCP的實(shí)驗(yàn)，由于輻射板上下空間連通，為了使輻射板上表面也參與換熱，要將保溫層去除。

圖4 輻射板內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

1）輻射板表面溫度測(cè)點(diǎn)

根據(jù)給出的CRCP 系統(tǒng)制冷量計(jì)算公式，需要對(duì)輻射板表面溫度進(jìn)行精確測(cè)量，為了防止測(cè)量的偶然誤差，同時(shí)為了計(jì)算輻射板表面的平均溫度，將在每個(gè)表面布置四個(gè)測(cè)點(diǎn)，其測(cè)點(diǎn)布置圖如圖6 所示。由于輻射板內(nèi)的水系統(tǒng)也會(huì)導(dǎo)致各個(gè)輻射板之間的表面溫度不均勻，在每塊輻射板的上下表面都按照?qǐng)D6 的方法進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，每塊輻射板上4 個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的溫度的平均值將作為該輻射板表面的平均溫度，由此可以得到總共9 塊輻射板的表面溫度。

圖5 電薄膜實(shí)物圖

圖6 輻射板表面溫度測(cè)點(diǎn)

2）室內(nèi)空氣溫度測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)于輻射板下方的空間，豎直方向上，分別在距離地面0.6 m 和1.1 m 高度的平面設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，對(duì)空氣溫度進(jìn)行測(cè)量。在開放式CRCP 系統(tǒng)中，由于輻射板上表面也參與換熱，因此在距離地面高度2.15 m 的平面也要設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，對(duì)輻射板上部空間的空氣溫度進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于因?yàn)樵O(shè)置電薄膜導(dǎo)致的房間縱向方向上的溫度分布不均勻，本次實(shí)驗(yàn)在縱向方向上設(shè)置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖7 所示，橫向方向設(shè)置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。黑球溫度測(cè)點(diǎn)將布置在房間的中心位置，距離地面1.1 m 高度的平面上。

圖7 室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

2.3 測(cè)試儀器介紹

本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)用熱電偶、黑球溫度計(jì)、供回水溫度傳感器、電磁流量計(jì)對(duì)不同測(cè)量對(duì)象進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試儀器的型號(hào)，量程和測(cè)量精度匯總至表1 中。

表1 測(cè)試儀器介紹

在數(shù)據(jù)采集方面，本文使用日本橫河MX100 數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。它的各種溫度傳感器將測(cè)得的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，而數(shù)據(jù)采集器又將傳輸?shù)碾娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，直接反映在計(jì)算機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄。

2.4 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)工況參考標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 138，供水流量12.72 L/min，對(duì)四個(gè)工況分別進(jìn)行測(cè)量（供回水平均溫度分別為12 ℃、15 ℃、18 ℃和21 ℃）。實(shí)驗(yàn)工況見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

3 結(jié)果分析

3.1 單位面積制冷量比較

根據(jù)表2 的實(shí)驗(yàn)工況，分別對(duì)開放式CRCP 系統(tǒng)和封閉式CRCP 系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)式（1）～（6）對(duì)制冷量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其制冷量性能曲線進(jìn)行繪制，其結(jié)果如圖8 所示。

圖8 CRCP 系統(tǒng)單位面積制冷量比較

如圖8 所示，開放式CRCP 和封閉式CRCP 的制冷量都隨著溫差的增大而增大，而開放式CRCP 系統(tǒng)的制冷量性能曲線的斜率與封閉式系統(tǒng)相比更大，在不同的工況條件下，開放式系統(tǒng)的單位面積制冷量都大于封閉式系統(tǒng)。在平均供回水溫度為21 ℃、18 ℃、15 ℃和12 ℃時(shí)，開放式系統(tǒng)的單位面積制冷量比封閉式系統(tǒng)高49.42 %、64.41 %、61.59 %和57.98 %（此時(shí)測(cè)得的輻射板表面溫度與空氣溫度的溫差分別為0.96 ℃、4.03 ℃、6.93 ℃和9.87 ℃）。

3.1 總制冷量比較

需要注意的是，為了探討輻射板采用開放式安裝能增大制冷量的可行性，不僅應(yīng)比較輻射板單位面積的制冷量，同時(shí)應(yīng)比較系統(tǒng)的總制冷量。開放式CRCP 的實(shí)際輻射板面積會(huì)小于封閉式CRCP 的面積，在本次實(shí)驗(yàn)中，輻射板的面積為房間面積的75 %，將封閉式實(shí)驗(yàn)所得的單位面積制冷量應(yīng)用至輻射板的面積等于房間面積的情形（即封閉式系統(tǒng)輻射板面積占房間面積100 %，而開放式系統(tǒng)輻射板的面積為房間面積的75 %），對(duì)總制冷量進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖9 所示。

圖9 CRCP 系統(tǒng)總制冷量比較

如圖9 所示，雖然相較于封閉式系統(tǒng)，開放式系統(tǒng)減小了輻射板面積，但開放式系統(tǒng)的總制冷量相較于封閉式系統(tǒng)依然較高。供回水平均溫度為21 ℃，18 ℃，15 ℃和12 ℃時(shí)（輻射板表面溫度與空氣溫度的溫差Δt分別為0.96 ℃、4.03 ℃、6.93 ℃和9.87 ℃），開放式系統(tǒng)的總制冷量比封閉式系統(tǒng)分別增大了12.06 %，23.31 %，21.20 %和18.48 %。

綜上所述，與傳統(tǒng)的封閉式CRCP 系統(tǒng)相比，盡管輻射板面積減少，但開放式CRCP 系統(tǒng)既提高了輻射板單位面積的制冷量，也提高了系統(tǒng)的總制冷量，因此，可以證明開放式安裝輻射板以提高CRCP 系統(tǒng)制冷量的可行性。

4 總結(jié)

本文根據(jù)ASHRAE 制冷量測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)開放式CRCP 系統(tǒng)和封閉式CRCP 系統(tǒng)在供回水平均溫度12 ℃，15 ℃，18 ℃和21 ℃工況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過比較開放式系統(tǒng)和封閉式系統(tǒng)的制冷量，證明了開放式系統(tǒng)對(duì)提高制冷量的可行性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)開放式CRCP 系統(tǒng)的輻射板面積為房間面積的75 %時(shí)，其輻射板單位面積制冷量相較于封閉式系統(tǒng)增大了（49.4 ～64.4）%；相較于輻射板面積占房間面積100 %的封閉式系統(tǒng)，其總制冷量增大了（12 ～23.3）%。

對(duì)于開放式輻射吊頂系統(tǒng)，由于輻射板上表面也參與換熱，增大的制冷量是由于輻射板上下空間氣流交換所引起的，因此可以推論，更大的開口面積和更分散的輻射板布置方式可以獲得更大的輻射板單位面積制冷量，有必要進(jìn)一步研究開放式CRCP 系統(tǒng)在不同的輻射板安裝型式下制冷量的變化情況。得到開放式CRCP 系統(tǒng)制冷量的設(shè)計(jì)圖表或預(yù)測(cè)模型，以擴(kuò)展開放式CRCP 系統(tǒng)的適用性。